专利名称：调强放射治疗中改善射束剖面强度分布的方法
技术领域：
本发明包含的工作得到国家自然科学基金资助发明背景发明领域本发明涉及肿瘤放射治疗，具体来说，涉及调强放射治疗中改善射束剖面强度分布的空间分辨和光滑性的方法。
相关技术描述放射治疗是通过给肿瘤区以足够的辐射剂量，从而达到杀死肿瘤的目的。在这一过程中，肿瘤区附近和射线所穿过区域内的正常组织也或多或少受到一定剂量的辐射。因此，辐射治疗的基本原则是在给肿瘤区以致死剂量的同时，最大限度地减少对正常组织的伤害。调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy)是为了达到这样的目的发展起来的放射治疗技术。
所谓调强放射治疗是指在各射束剖面上辐射强度是非均匀的，通过调整射束剖面上的辐射强度分布(intensity profile)，使高剂量区与靶区达到更好的适形(conformation)，同时靶区附近的正常器官得到更好的保护。目前，调强的主要实现方式是用多叶准直器。在调强放射治疗中，射束剖面上辐射强度分布的设置不能凭经验进行，必须采用逆向治疗计划(inverse treatment planning)。逆向治疗计划通常包含以下几个步骤1)设定射束数目和每个射束的方向；2)将每个射束离散为射束元矩阵，计算出强度为单位强度时，各射束元在人体中的剂量分布，即射束元的剂量矩阵；3)根据最优化目标函数、靶区的处方剂量和紧要器官的容忍剂量，采用合适的最优化算法，算出射束元的最优化强度分布以及4)，将最优化强度分布转化为多叶准直器的运动参数。以上各步对最后达到的剂量分布都会产生影响。
在上述步骤2中，可以采用不同方法计算射束元剂量矩阵。如果采用蒙特卡罗(MonteCarlo)方法或微分卷积积分法可以得到精度较高的射束元剂量矩阵，但是，由于这两种方法很费计算时间和计算机内存，因此在临床上很少实际应用。目前，在临床上主要采用有限尺寸笔束法(finite size pencil-beam)计算射束元剂量矩阵。在有限尺寸笔束法中，笔束的尺寸(用在逆向治疗计划中就是射束元尺寸)只能取一些固定值。笔束产生的剂量分布是通过拟合在标准水箱中的剂量分布测量值得到，或者是由蒙特卡罗方法计算得到。笔束产生的剂量分布或拟合参数保存在数据库中，在以后的剂量计算中，将笔束剂量分布从数据库中读出，并根据病人的组织分布作非均匀修正和表面弯曲修正。一个宽束的剂量分布，就是所包含的笔束的剂量分布的叠加。有限尺寸笔束法中笔束的尺寸不能太小，一般认为笔束尺寸小于1×1平方厘米会产生较大的计算误差。显然，当采用有限尺寸笔束法计算调强放射治疗中的射束元剂量矩阵时，射束元的尺寸不能小于有限尺寸笔束法中的笔束尺寸，也就是说，调强的空间分辨不会高于笔束尺寸。
调强放射治疗中的最优化强度分布通常很不规则，有许多噪音似的结构。强度分布的这种复杂结构对于调强的实施是不利的。例如，将强度分布转化为多叶准直器子野时，会产生很多小尺寸的子野，强度分布越复杂可能出现的小尺寸子野越多，过多的小尺寸子野将降低剂量计算的精度，增加治疗过程中的不确定因素以及照射时间。如果射束元的尺寸越小，产生复杂的强度分布的可能性就越大。增大射束元的尺寸可以减小强度分布的复杂程度，但射束元的尺寸过大又会降低调强的空间分辨。
发明概要针对现有调强方式的上述不足之处，本发明提供了一种新的调强放射治疗的逆向计划方法。它与常规方法不同之处在于对应于每个射束，不是产生一个射束元矩阵，而是几个射束元矩阵，这些射束元矩阵有较大尺寸的射束元，但射束元矩阵之间沿多叶准直器叶片运动方向有一相对位移。由于射束元尺寸可以较大，因此可以采用粗网格的有限尺寸笔束法计算每个射束元的剂量分布，粗网格的有限尺寸笔束法有更好的计算精度。根据这些射束元矩阵作最优化计算得到每个射束元矩阵的强度分布有较粗的分辨率，但是，由于射束元矩阵之间有相对位移，几个射束元矩阵的强度分布叠加得到的总强度分布则有高的分辨率。多叶准直器的运动参数可以根据每个射束元矩阵的强度分布来计算，由于单个射束元矩阵的射束元尺寸较大，因此降低了生成小尺寸的多叶准直器子野的可能性，从而可减少多叶准直器子野数目和照射过程中的不确定因素以及照射时间。
图1是本发明所描述方法的原理示意图。实线是第一个射束元矩阵，虚线表示第二个射束元矩阵，这些射束元矩阵的尺寸相同为Δx×Δy，且都能覆盖整个靶区，但射束元矩阵相互之间沿多叶准直器叶片运动的方向有一位移δ＝Δx/N。
图2是调强逆向治疗计划中的常规方法原理示意图。在常规方法中，一个射束方向只有一个射束元矩阵。
图3是本发明所描述的方法在一个实例上得到的剂量体积直方图。
图4是用常规方法在同一个实例上得到的剂量体积直方图。
图5是本发明所描述的方法在这个实例的一个层面上得到的等剂量分布图。黄线是66Gy等剂量线，红紫色线是60 Gy等剂量线，蓝绿色是55Gy等剂量线，蓝色是45Gy等剂量线，绿色是30Gy等剂量线，红色是15Gy等剂量线。
图6是用常规方法在同一个实例的同一个层面上得到的等剂量分布图。黄线是66Gy等剂量线，红紫色线是60 Gy等剂量线，蓝绿色是55Gy等剂量线，蓝色是45Gy等剂量线，绿色是30Gy等剂量线，红色是15Gy等剂量线。
图7是本发明所描述方法得到的沿某一射束方向上各射束元矩阵的强度分布图。
图8是图7中各射束元矩阵的强度分布叠加后的总强度分布图。
本发明的详细描述如图1所示，对应于每个射束，首先产生N个射束元矩阵(图例中射束元矩阵数是N＝2)，这些射束元矩阵的尺寸相同，且都能覆盖整个靶区，但射束元矩阵相互之间沿多叶准直器叶片运动的方向有一位移δ。在射束坐标系中，假定多叶准直器叶片运动的方向是X轴，垂直于多叶准直器叶片运动的方向是Y轴，则射束元在X方向的尺寸是Δx，在Y方向的尺寸是Δy，则δ＝Δx/N。因此，在采用固定的射束元尺寸(Δx×Δy)的情况下，本发明描述的方法所产生的射束剖面上的强度分布的分辨率是δ×Δy，与采用单个射束元矩阵的所产生的射束剖面上的强度分布相比，在X方向的分辨率提高了N倍。当N取1，本发明描述的方法就退化为调强逆向治疗计划中的常规方法(如图2所示)。因此，常规方法可视为本发明的一个特例。
射束元矩阵产生后，即可用有限尺寸笔束法计算每个射束元在单位强度下的剂量分布dn(b，s，i)，b表示第b个射束，s表示该射束中的第s个射束元矩阵，i表示该射束元矩阵中的第i射束元，n则表示人体中的第n个体积元。得到每个射束元在单位强度下的剂量分布后，则可采用现有的最优化技术，算出每个射束元的强度。
以上方法用一个临床例子进行了测试。这是一个头颈部实例，有三个计划靶区体积(Planning Target Volume，PTV)PTV1，PTV2和PTV3。三个靶区的处方剂量分别为66Gy，60Gy和55Gy。围绕靶区有左右腮腺，脑干和脊髓等紧要器官。脑干最大剂量不超过50Gy，左腮腺吸收剂量超过15 Gy的体积与其总体积之比不大于20％，右腮腺吸收剂量超过25 Gy的体积与其总体积之比不大于60％。
图3是本发明所描述的方法得到的剂量体积直方图。采用了七个射束，每个射束方向用四个射束元矩阵，每个射束元矩阵的射束元尺寸是1×1cm2。图4是用常规方法得到的剂量体积直方图，采用了相同的七个射束，射束元尺寸也是1×1cm2。两种方法得到的紧要器官上的剂量体积直方图都满足处方条件，但是由本发明所描述的方法得到的靶区上的剂量体积直方图明显好于由常规方法得到的靶区上的剂量体积直方图。
与图3和图4相对应，图5是本发明所描述的方法得到的某一断层上的等剂量分布，图6是常规方法得到的同一断层上的等剂量分布。从等剂量分布也可看出，由本发明所描述的方法得到的剂量分布明显好于由常规方法得到的剂量分布。
图7是本发明所描述的方法得到的某一射束方向的各射束元矩阵的强度分布，图8是各射束元矩阵的强度分布叠加后的总强度分布。叠加后的总强度分布与各射束元矩阵的强度分布相比有更精细的强度调制。
权利要求
1.一种用于改善调强放射治疗中的射束剖面强度分布的方法，其特征在于，对于每个给定方向的射束，产生几个射束元矩阵，而不是一个射束元矩阵。
2.如权利要求1所述用于改善调强放射治疗中的射束剖面强度分布的方法，其特征在于，所产生的几个射束元矩阵之间沿多叶准直器叶片运动方向有一相对位移。
3.如权利要求1所述用于改善调强放射治疗中的射束剖面强度分布的方法，其特征还在于，可以用各个射束元矩阵上的强度分布生成多叶准直器运动参数，也可以用射束元矩阵上的强度分布叠加生成的总强度分布来产生多叶准直器运动参数。
全文摘要
本发明公开一种在调强放射治疗中改善射束剖面强度分布的方法。与常规方法不同之处在于对应于每个射束，不是产生一个射束元矩阵，而是几个射束元矩阵，射束元矩阵之间沿多叶准直器叶片运动方向有一相对位移。射束元尺寸可以较大，因此可以采用粗网格的有限尺寸笔束法计算每个射束元的剂量分布。根据这些射束元矩阵作最优化计算得到每个射束元矩阵的强度分布有较粗的分辨率，但是，由于射束元矩阵之间有相对位移，几个射束元矩阵的强度分布叠加得到的总强度分布则有较高的分辨率，从而可改善剂量分布。由于单个射束元矩阵的射束元尺寸较大，因此降低了生成小尺寸多叶准直器子野的可能性，从而可减少多叶准直器子野数目和照射过程中的不确定因素及照射时间。
文档编号A61N5/00GK1526458SQ0313590
公开日2004年9月8日 申请日期2003年9月25日 优先权日2003年9月25日
发明者侯氢, 侯 氢 申请人:四川大学