专利名称：一种光子束放射治疗适形照射的方法
技术领域：
本发明涉及现代放射治疗中的正在发展的新治疗技术-适形放射治疗技术和调强放射治疗技术。尤其是涉及一种光子束放射治疗适形照射的方法，该精确放射治疗技术是当前国际放射治疗的主流技术发展方向。
背景技术：
目前，为了进一步提高放射治疗的治愈率和改善病人的生存质量，发展以适形放射治疗技术和调强放射治疗技术为代表的精确放射治疗技术是当前国际放疗技术的主流。这两种技术都要求发展精确和快速的高能光子笔束算法。Monte Carlo方法虽然可以精确计算笔束光子的剂量分布，但计算时间太长，不适用于临床应用。国际上通常应用卷积/积分法(Convolution/Superposition)，卷积积分是应用Monte Carlo方法事先计算笔束光子在水中的一次碰撞剂量分布，做成一个数据库，应用时调用这些数据，经过对一次碰撞剂量分布求积并作非均匀修正后取得人体剂量分布信息，它的缺点是1)算法的计算效率不够高，特别是在调强的情况下，算法的计算效率不高是突出矛盾，直接影响治疗病人的效率；2)在密度变化大的区域内计算误差大。本发明提出的笔束算法计算精度高，由于它可以作较精确的密度修正，克服了上述C/S算法的缺点。同时由于采用解析的计算公式，计算效率比较卷积/积分法有显著的提高，有利于临床应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种计算精度高、计算效率高的光子束放射治疗适形照射的设计方法。现代放射医学所谓的适形照射设计，就是照射野的适形设计，是依据肿瘤在投影面上的不规则形状，来决定射线照射野的形状与大小，以保护肿瘤区域外的正常组织不会受到损伤的设计思想。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案一种光子束放射治疗适形照射的方法，其方法步骤为(1)、首先应用CT技术取得病人的密度信息，然后对所取得的病人的密度信息应用三维图象重建技术，再现病人肿瘤部位及邻近器官和组织的解剖结构；
(2)、应用电子工具帮助医生确定和勾画肿瘤及其浸润区域(靶区)和紧要器官，并用计算机图形图像技术清晰地显示出靶区的二维图象和三维图象；(3)、将已定位的肿瘤及其浸润区域(靶区)沿着射线束方向投影到加速器射束(光子束或电子束)出口处的参考截面上以确定肿瘤在此参考截面上的投影区域，依该投影区域来决定照射野的形状与大小。显然，由于肿瘤及其浸润区域的形状通常很不规则，其在截面上的投影区域亦是非规则的。
(4)、在射束出口处配置上与靶区投影区域相匹配的多叶准直器或挡铅等部件。这样，光子束在通过多叶准直器或挡铅等部件时，只有靶区投影范围内的光子束未受到减弱，而靶区投影范围外的光子束将被充分吸收。实现光子束截面与肿瘤及其浸润区域相匹配的适形照射的技术要求；(5)、在此基础上，输入光子束的能谱和角分布信息。为了精确计算光子束在人体内的剂量分布，将射束出口处非规则的光子束截面(靶区投影)分割成若干小的矩形面积射束元，应用无限窄束光子(笔束光子)剂量分布的精确估算方法计算其在人体各处产生的剂量，将每一微束光子的剂量分布相加，从而确定该不规则截面光子束在人体和肿瘤部位投放的剂量。该方法计算精度高且计算效率高，特别适合调强和适形放射治疗技术的需要；(6)、对不同方向的光子束在人体和肿瘤部位投放的总剂量分布进行计算和评估。如果评估结果不满意，则改变照射方案调整照射参数，使投放的剂量分布与医生希望的处方剂量相近，直至可接受为止；(7)、根据最后的可接受的优化照射方案，调整多叶准直器等部件以取得最佳结果，同时对优化照射方案的剂量计算结果给出最后评估，包括给出剂量直方图、等剂量包络、DRR等提交给医生。再经模拟机证实，之后可作实际放射治疗操作。
所述步骤5中的无限窄束光子(笔束光子)剂量分布的精确估算方法为a)获得被照射病人的人体电子密度矩阵(信息)；b)获得与光子射束相关的医用加速器的机器参数数据；c)将入射光子束离散为许多光子微束并形成相应的强度矩阵；d)对每一微束光子利用基于特征线方法的光子笔束模型，计算其在被照射人体或水模中的三维剂量分布；e)将每一微束光子在人体或水模内同一点所产生的剂量相加，获得光子束在人体或水模中的三维剂量分布并用一个三维剂量矩阵表示；f)在利用基于特征线方法的光子笔束模型，计算光子束在人体或水模中的剂量分布时，要考虑光子束能谱的影响，以精确计算光子束的剂量；g)将加速器头引起的光子束的发散对剂量分布的影响，归及为光子剂量分布的侧向分布参数的影响；本发明提供了一种实现适形照射概念的光子束精确放射治疗技术，解决了光子束适形放射治疗技术的一个关键问题，即精确计算无限窄束光子(笔束光子)在三维非均匀的人体或水模中的剂量分布的一种算法，以及应用此方法解决在适形放射治疗技术中，特别重要的非规则截面光子束剂量算法问题，从而实现计算精度高、计算效率高的光子束放射治疗适形照射的方法。
图1是本发明的流程图，即外照射光子束在被照射人体或水模中的三维剂量分布的计算流程；图2是本发明中非规则射野离散化示意图；图3是本发明中离散化后形成的强度矩阵的示意图；图4是本发明中具有弯曲表面的介质的示意图；图5是本发明中适形照射中的三维立体重建，红色的区域是靶区示意图；图6是本发明中适形照射中的射野设置，光子束截面的形状和肿瘤的外轮廓匹配的示意图；图7是本发明中适形照射中的等剂量分布图；图8是本发明中适形照射中的剂量分布直方图。
具体实施例方式
本发明一种光子束放射治疗适形照射的方法，见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，该方法步骤为(1)、首先应用CT技术取得病人的密度信息，然后对所取得的病人的密度信息应用三维图象重建技术，再现病人肿瘤部位及邻近器官和组织的解剖结构；(2)、应用电子工具帮助医生确定和勾画肿瘤及其浸润区域(靶区)和紧要器官，并用计算机图形图像技术清晰地显示出靶区的二维图象和三维图象；(3)、将已定位的肿瘤及其浸润区域(靶区)沿着射线束方向投影到加速器射束(光子束或电子束)出口处的参考截面上以确定肿瘤在此参考截面上的投影区域，依该投影区域来决定照射野的形状与大小。显然，由于肿瘤及其浸润区域的形状通常很不规则，其在截面上的投影区域亦是非规则的。
(4)、在射束出口处配置上与靶区投影相匹配的多叶准直器或挡铅等部件，这样，光子束在通过多叶准直器或挡铅等部件时，只有靶区投影范围内的光子束未受到减弱，而靶区投影范围外的光子束将被充分吸收，实现光子束截面与肿瘤及其浸润区域相匹配的适形照射的技术要求；(5)、在此基础上，输入光子束的能谱和角分布信息，为了精确计算光子束在人体内的剂量分布，将射束出口处非规则的光子束截面(靶区投影)，分割成若干小的矩形面积射束元，应用无限窄束光子(笔束光子)剂量分布的精确估算方法，计算其在人体各处产生的剂量，将每一微束光子的剂量分布相加，从而确定该不规则截面光子束在人体和肿瘤部位投放的剂量，该方法计算精度高且计算效率高，特别适合调强和适形放射治疗技术的需要；(6)、对不同方向的光子束在人体和肿瘤部位投放的总剂量分布，进行计算和评估，如果评估结果不满意，则改变照射方案调整照射参数，使投放的剂量分布与医生希望的处方剂量相近，直至可接受为止；(7)、根据最后的可接受的优化照射方案，调整多叶准直器等部件以取得最佳结果，同时对优化照射方案的剂量计算结果给出最后评估，包括给出剂量直方图、等剂量包络、DRR等提交给医生，再经模拟机证实，之后可作实际放射治疗操作。
所述步骤5中的无限窄束光子(笔束光子)剂量分布的精确估算方法为a)获得被照射病人的人体电子密度矩阵(信息)；b)获得与光子射束相关的医用加速器的机器参数数据；c)将入射光子束离散为许多光子微束并形成相应的强度矩阵；
d)对每一微束光子，利用基于特征线方法的光子笔束模型，计算其在被照射人体或水模中的三维剂量分布；e)将每一微束光子在人体或水模内同一点所产生的剂量相加，获得光子束在人体或水模中的三维剂量分布，并用一个三维剂量矩阵表示；f)在利用基于特征线方法的光子笔束模型，计算光子束在人体或水模中的剂量分布时，要考虑光子束能谱的影响，以精确计算光子束的剂量；g)将加速器头引起的光子束的发散对剂量分布的影响，归及为光子剂量分布的侧向分布参数的影响；在实现光子束放射治疗适形照射的方法中，应用到的所有设备都可以采用现有的设备。
本发明实施光子束适形放射治疗的步骤1.首先应用CT技术取得病人的三维密度信息，然后对所取得的病人的密度信息应用三维图象重建技术，再现病人肿瘤部位及邻近器官和组织的解剖结构；2.应用电子工具帮助医生确定和勾画肿瘤及其浸润区域(靶区)和紧要器官，并用计算机图形图像技术清晰地显示出靶区的二维图象和三维图象；3.确定光子束的标称能量，加速器射束的数量，方向等光子放疗的基本照射参数。将已定位的肿瘤及其浸润区域(靶区)沿着射线束方向投影到加速器射束(光子束或电子束)出口处的参考截面上以确定肿瘤在此参考截面上的投影区域，依该投影区域来决定照射野的形状与大小。显然，由于肿瘤及其浸润区域的形状通常很不规则，其在截面上的投影区域亦是非规则的。
4.在射束出口处配置上与靶区投影相匹配的多叶准直器或挡铅等部件，这样，光子束在通过多叶准直器或挡铅等部件时，只有靶区投影范围内的光子束未受到减弱，而靶区投影范围外的光子束将被充分吸收，实现光子束截面与肿瘤及其浸润区域相匹配的适形照射的技术要求；5.在此基础上，输入光子束的能谱和角分布信息；为了精确计算每一光子束在人体内的剂量分布，将该射束在加速器头出口处非规则的光子束截面(靶区投影)，分割成若干小的矩形面积射束元，称为微束光子，应用本发明提供的笔束光子剂量分布的精确估算方法，计算其在人体各处产生的剂量，该步骤的方法如下1)、建立坐标系将入射的非规则截面光子束离散化为若干微束光子，其截面为一定尺寸的微小矩形元；2)、基于特征线方法的光子剂量算法(宽束)应用特徵线方法计算宽束光子在水中的剂量分布D(z)，应用特徵线方法计算宽束的光子的总的注量N0(z)，流量N1(z)；3)、应用基于特征线方法的光子笔束模型对每一束微束光子元应用本发明的光子笔束算法，计算它在人体内各处所产生的剂量；其中D0是未散射无限窄束光子产生的剂量分布，Dm是无限窄束散射光子产生的剂量分布，它们分别等于D0(z,x,y;E)=(SSDSSD+z)2exp[-μe(E)z-2(x2+y2)/R(E)]]]>Dm(z,x,y;E)=(SSDSSD+z)2[Bd(z)-1]exp[-μe(E)z-2(x2+y2)/k(E,z)]]]>k(E,z)=2π∫0z1-(N1/N2)2dz d]]>对于一个边长为a和b的光子束矩形面积元，它在空间点P(z，x，y)处产生的剂量为Dp(z,x,y;E)=14(SSDSSD+z)2×]]>{exp[-μe(E)z]×[erf(a+x0.5R(E))+erf(a-x0.5R(E))][erf(b+y0.5R(E))+erf(b-y0.5R(E))]]]>+(BD(z)-1)exp[-μe(E)z]×[erf(a+xk)+erf(a-xk)][erf(b+yk)+erf(b-yk)]-}]]>4)、进行能谱对剂量分布影响的校正；对于医用加速器的光子束来说，其能量并非单一而是具有一定的分布。因此，必须考虑其能谱对剂量分布的影响，关于确定特定的加速器光子束的有效能谱，已经有功能模块，可以嵌入本发明的系统中，应用时从系统调用这个模块，即可得到光子能谱W(Ei)的完整数据，这样考虑到光子束的能谱效应后，微束光子在人体内各处空间点P(z，x，y)所产生的剂量为
Dp(z,x,y)=ΣiW(Ei)Dp(z,x,y;Ei)]]>5)、密度修正对该光子微束，沿其径迹作人体密度修正，修正的方法是通过对密度矩阵进行内插，确定光子径迹上的密度分布，然后确定其总的等效水穿透深度，最后由本发明提供的光子微束笔束剂算法，确定计算点的剂量；6)、将全部微束光子在人体中产生的剂量相加，确定该非规则射野光子束在人体和肿瘤部位投放的三维剂量分布。
将基于特征线方法的三维光子束计量算法，应用到常规和适形照射放射治疗所可能遇到的各种情况，包括以下四种情况(1)应用基于特征线方法的光子笔束模型，计算光子束在三维均匀人体或水模中的三维剂量分布；(2)应用基于特征线方法的光子笔束模型，计算光子束在三维非均匀的人体或水模中的三维剂量分布；(3)应用基于特征线方法的光子笔束模型，计算光子束在具有非规则表面的人体或类人体介质中的三维剂量分布；(4)应用基于特征线方法的光子笔束模型，计算非规则射野光子束照射条件下在人体或水模中的三维剂量分布；6.然后对不同方向的射束重复同样的处理过程，计算出的它们在空间同一点产生的剂量，最后不同方向射束在同一点贡献的剂量，按束的权重相加，得到整个照射计划中多光子束在人体各处的剂量分布；7.对不同方向的光子束，在人体和肿瘤部位投放的总剂量分布进行分析和评估；将剂量分布的数据，根据不同的指标，作统计处理和分析，例如需要统计靶区内超过预定剂量的区域和低于预定剂量的区域、靶区内最大剂量点和最低剂量点的位置和剂量数值、剂量一体积直方图、等剂量线或等剂量曲面等，这样能方便地提供给医生对治疗计划的质量进行评估，如果评估结果不满意，则改变照射方案调整照射参数，使投放的剂量分布与医生希望的处方剂量相近，直至可接受为止；8.在确定最佳的适形照射计划方案后，根据最后的可接受的优化照射方案，调整多叶准直器等部件以取得最佳结果，同时对优化照射方案的剂量计算结果给出最后评估，包括给出剂量直方图、等剂量包络、DRR等提交给医生，再经模拟机证实，之后可作实际放射治疗操作。(见图一)计算流程为被照射介质是指人体或类人体介质。在放射治疗中，将具有和人体器官组织的电子密度相近的介质称为类人体介质。类人体介质被用来作参数测量或剂量验证。被照射介质经过CT扫描后，形成CT切片数据。利用CT切片数据经过三维重建。CT值经过转换后，获得被照射介质的电子密度矩阵。
光子束的参数包括光子束的能谱、光子束的初始侧向参数和照射的SSD(源皮距)。光子束的能谱和光子束的初始侧向参数由测量得到。照射的SSD根据照射时的实际情况确定。
为了避免正常组织的伤害，在光子束照射时，要选择适形照射，就是根据肿瘤在光子束入射方向的形状来决定照射区域，因此形成的射野是非规则射野。在照射区域确定后，需要将其离散化为一系列微光子束，并形成光子束的强度矩阵，如图2中阴影部分所示。在中间部分，微光子束的强度为1。在边缘部分，微光子束的强度是0和1之间的一个数值，要根据实际情况确定。在被照射区域之外，微光子束的强度为0。在图2的下部分，将该射野离散化后形成的每个微光子束的强度都列出，形成光子束的强度矩阵，其中强度为0的单元未列出。
能量为E的单能微光子束(截面大小为2a×2b)入射在介质表面。以光子束入射方向为z轴正方向，以入射点为坐标原点。该微光子束在介质中产生的三维剂量分布为Dp(z,x,y;E)=14(SSDSSD+z)2×]]>{exp[-μe(E)z]×[erf(a+x0.5R(E))+erf(a-x0.5R(E))][erf(b+y0.5R(E))+erf(b-y0.5R(E))]]]>+(BD(z)-1)exp[-μe(E)z]×[erf(a+xk)+erf(a-xk)][erf(b+yk)+erf(b-yk)]-}]]>Dp(z，x，y，E)表示能量为E的单能微光子束，在空间点(x，y，z)处沉积的能量(吸收剂量)。由基于特征线方法的光子笔束模型计算得到。a和b是光子束的束宽度的一半。在上面的公式中，涉及到对误差函数erf(x)的计算。由于在计算三维剂量分布时，误差函数的计算将重复很多次，并且误差函数的精确计算是比较费时间的。在本发明中，计算了变量值为1到2之间的10,000个取样点上的误差函数值。在使用中，直接使用查表的方法获得误差函数值，从而提高了计算效率。
能谱考虑到光子束的能谱Wi，无限窄束散射光子产生的剂量分布为Dp(z,x,y)=ΣiWiDp(z,x,y;Ei)]]>做人体密度对剂量分布影响的修正；对该微束光子，沿其径迹作人体密度修正，修正的方法是通过对密度矩阵进行内插，确定光子径迹上的密度分布，然后确定其总的等效水穿透深度，等效水穿透深度与实际穿透深度之差即为穿透深度之修正值。由穿透深度之修正值可计算密度修正因子η(z，x，y，E)，再确定计算点的剂量的密度修正值。
Dp(z,x,y)=ΣiW(Ei)Dp(z,x,y;Ei)η(z,x,y,Ei)]]>皮肤表面弯曲性修正；由于皮肤表面弯曲性的影响，每一微束光子在皮肤表面的入射点，距离光子源的距离并不等于源皮距，因此每束微束光子沿其径迹作人体密度修正时，还需要考虑这一因素对剂量分布的影响，其修正方法可归结为人体密度修正。
将该光子束的所有微束光子在人体内同一点所产生的剂量相加，就获得了该光子束在人体中的三维剂量分布，并用一个三维剂量矩阵表示，这样在考虑了光子束能谱、人体介质表面弯曲和光子束的强度矩阵(非规则射野适形照射)后，光子束在被照射人体中的三维剂量分布表示为D(n)(z,x,y)=ΣkΣjΣiW(Ek)aijDp(n)(z,x,y,i,j,k)η(n)(z,x,y,i,j,k)]]>式中D(n)(z，x，y)表示第n束光子在点P(z，x，y)产生的剂量，i和j是光子束截面上微束光子在x和y方向的编号，k表示入射光子束能谱节点的编号，W(Ek)是光子束能谱即能量为Ek的光子强度的权重，aij是编号为ij的微束光子的强度，Dp(n)(z，x，y，i，j，k)是编号为ij的微束光子能谱中，能量为Ek的光子在人体中点p(z，x，y)产生的剂量。
在多束光子适形照射的情况下，对全部光子束产生的剂量求和，则得到多束光子适形照射在人体中产生的剂量D(z,x,y)=ΣnD(n)(z,x,y)]]>应用基于特征线算法的光子笔束模型得到的剂量精度与国内外大量测量数据比较，其误差＜3％.远比一般商业放射治疗计划系统的光子束剂量计算误差＜5％即为合格的要求为高，显示本发明的放射治疗计划系统的光子束剂量计算精度已属国际前列。本计算模块完成一次适形照射的剂量计算仅2-3分钟，比许多国外有名的光子束剂量算法的计算速度高得多。
权利要求
1.一种光子束放射治疗适形照射的方法，其特征在于该方法步骤为(1)、首先应用CT技术取得病人的密度信息，然后对所取得的病人的密度信息应用三维图象重建技术，再现病人肿瘤部位及邻近器官和组织的解剖结构；(2)、应用电子工具帮助医生确定和勾画肿瘤及其浸润区域和紧要器官，并用计算机图形图像技术清晰地显示出靶区的二维图象和三维图象；(3)、将已定位的肿瘤沿着射线束方向投影到加速器射束(光子束或电子束)出口处的参考截面上以确定肿瘤在此面上的投影区域；(4)、在射束出口处配置上与靶区投影区域相匹配的多叶准直器或挡铅部件，光子束在通过多叶准直器或挡铅时，只有靶区投影范围内的光子束未受到减弱，而靶区投影范围外的光子束将被充分吸收，实现光子束截面与肿瘤及其浸润区域相匹配的适形照射要求；(5)、在上述基础上，输入光子束的能谱和角分布信息，为了精确计算光子束在人体内的剂量分布，将射束出口处由靶区投影区域形成的非规则光子束截面，分割成若干小的矩形面积射束元，应用无限窄束光子剂量分布的精确估算方法，计算其在人体各处产生的剂量，将每一微束光子的剂量分布相加，从而确定该不规则截面光子束在人体和肿瘤部位投放的剂量；(6)、对不同方向的光子束在人体和肿瘤部位投放的总剂量分布，进行计算和评估，如果评估结果不满意，则改变照射方案调整照射参数，使投放的剂量分布与医生希望的处方剂量相近，直至可接受为止；(7)、根据最后的可接受的优化照射方案，调整多叶准直器等部件以取得最佳照射结果，同时对优化照射方案的剂量计算结果给出最后评估，包括给出剂量直方图、剂量包络、DRR等提交给医生，再经模拟机证实，之后可作实际放射治疗操作。
2.根据权利要求1所述的一种光子束放射治疗适形照射的方法，其特征在于所述步骤(5)中的无限窄束光子剂量分布的精确估算方法为a)获得被照射病人的人体电子密度矩阵信息；b)获得与光子射束相关的医用加速器的机器参数数据；c)将入射光子束离散为许多光子微束并形成相应的强度矩阵；d)对每一微束光子，利用基于特征线方法的光子笔束模型，计算其在被照射人体或水模中的三维剂量分布；e)将每一微束光子在人体或水模内同一点所产生的剂量相加，获得光子束在人体或水模中的三维剂量分布并用一个三维剂量矩阵表示；f)在利用基于特征线方法的光子笔束模型，计算光子束在人体或水模中的剂量分布时，要考虑光子束能谱的影响，以精确计算光子束的剂量；g)将加速器头引起的光子束的发散对剂量分布的影响，归及为光子剂量分布的侧向分布参数的影响。
全文摘要
本发明公开了一种光子束放射治疗适形照射的方法，其特征在于该方法步骤为首先应用CT技术取得病人的密度信息，再现病人肿瘤部位及邻近器官和组织的解剖结构；用计算机图形图像技术清晰地显示出靶区的二维图象和三维图象；将肿瘤及其浸润区域反投影到加速器头射束出口处光子束截面上；在射束出口处配置上与靶区投影相匹配的多叶准直器或挡铅部件，实现光子束截面与肿瘤及其浸润区域相匹配的适形照射要求；在上述基础上，输入光子束的能谱和角分布信息；对不同方向的光子束在人体和肿瘤部位投放的总剂量分布进行计算和评估；根据最后的可接受的优化照射方案，调整多叶准直器等部件以取得最佳结果。本发明具有计算精度高、计算效率高的优点。
文档编号A61B18/18GK101028192SQ20061002270
公开日2007年9月5日 申请日期2006年12月29日 优先权日2006年12月29日
发明者罗正明, 勾成俊, 杨代伦, 吴章文 申请人:成都川大奇林科技有限责任公司