放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置及其方法
【专利摘要】本发明属于放射治疗中的装置，尤其涉及胸腹部随患者呼吸而运动肿瘤靶区的定位装置及方法。一种放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置，其主要特点在于：在底板上设有互相平行的两侧板，在左、右侧板上分别设有一个边与底板平行，另一个边与底板呈45度角度的凹槽，在左侧板凹槽内镶嵌有左侧板铜丝，在右侧板凹槽内镶嵌有右侧板铜丝。本发明的优点是本发明定位装置在患者体外附加一套三维坐标系，使CT模拟定位扫描、治疗计划设计和治疗摆位均在同一坐标系内进行，故能确保精确定位和精确放射治疗的实施。
【专利说明】放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于放射治疗中的装置，尤其涉及胸腹部随患者呼吸而运动肿瘤靶区的定位装置及方法。
【背景技术】
[0002]为消除或减少呼吸运动伪影对胸腹部脏器CT扫描的影响并反映胸腹部脏器随时间变化的规律，达到准确诊断和治疗的目的，就需要把时间因素纳入CT扫描图像的三维重建中，形成动态的四维CT图像。四维CT按呼吸相位分别对所有CT图像进行分组和三维重建，各相位的三维图像构成一个随时间变化的三维图像序列。四维治疗计划系统(TPS)根据随时间变化的三维CT图像序列提供的信息进行四维靶区勾画，调整照射野设置并实施四维剂量优化和剂量计算，从而设计出优化的治疗计划并生成实施放射治疗的有关参数，包括靶区中心的空间坐标、射野的入射角度、形状和大小等。将该治疗计划准确实施的关键是能够将靶区中心准确定位于治疗机的等中心上。由于CT图像与患者体表之间缺乏直接的对应关系，靶区中心位置往往不能直接获得，因而患者定位过程包含了很多经验和猜测的成分，事实上在实施当中无法达到四维TPS所要求的精确定位和治疗。因而四维CT各序列中靶区位置相对关系的测量是四维放射治疗中的关键一环，如何精确确定不同呼吸相位下靶区的位置成为问题的关键。
[0003]CT模拟定位的基本要求与二维X光模拟一样，首先将患者按放射治疗时要求的体位进行摆位和体位固定，通过CT模拟定位机两侧的激光灯十字线和CT模拟定位机上方的激光灯十字线在患者体表设置在CT图像上易于识别的参考固定标记点(通常为铅点)，按照治疗计划的要求对患者相应部位进行扫描，然后逐CT断层图像勾画靶区轮廓及靶区周围器官的轮廓。对于胸腹部随患者呼吸运动的肿瘤靶区，一般采用射野外放的方式，确保肿瘤靶区包含在射野内。利用CT模拟定位机软件计算靶区中心位置和患者体表三个标记点确定的位置之间的偏移量(Λχ，Δ, ΛΖ)，将患者按原体位复位到CT床上，按照该偏移量(Δχ, Δ, Δζ)参数要求移动激光灯，然后患者体表左右及上方重新做三个标记，水平标记点连线与体表上方标记点垂线的交点就是确定的靶区中心点。可以看出在实施精确的四维放射治疗的时候，由于靶区处于运动状态，且体表运动和体内靶区运动不同步，因此无法通过偏移量(ΛΧ，Δ, Λζ)准确找到靶区的中心位置。所以，传统的CT模拟定位方法当应用于运动肿瘤靶区定位时存在严重的偏差，降低了治疗精度。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，为避免现有技术的不足，提供一种放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置。
[0005]本发明的又一目的提供一种放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置的使用方法。
[0006]以解决传统的CT模拟定位方法在确定运动肿瘤靶区位置上存在较大不确定性和系统误差。该装置在患者体外附加一套三维坐标系，使CT模拟定位扫描、治疗计划设计和治疗摆位均在同一坐标系内进行，故能确保精确定位和精确放射治疗的实施。
[0007]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:一种放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置，其主要特点在于:在底板上设有互相平行的两侧板，在左、右侧板上分别设有一个边与底板平行，另一个边与底板呈45度角度的凹槽，在左侧板凹槽内镶嵌有左侧板铜丝，在右侧板凹槽内镶嵌有右侧板铜丝。
[0008]所述的放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置，所述的铜丝直径为0.2~0.5mm。
[0009]所述的放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置，在底板及两侧板上分别设有相同刻度的标尺。
[0010]所述的放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置，在底板上设有螺杆，两侧板与螺母固连，螺杆与螺母配合，在螺杆的一端设有螺杆转动手柄。
[0011]所述的放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置，底板、两侧板、螺母及螺杆的材料为有机玻璃
[0012]所述的放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置的使用方法，其主要特点在于步骤为:
[0013](I)将定位装置设于CT扫描床，调整定位装置于水平位，其纵轴与CT扫描断层垂直，患者仰卧或俯卧，双手向上交叉，躺或卧于立体定位底板上；
[0014](2) CT扫描:患者躺(或卧)于立体定位底板上，并用体模固定，调节两侧板之间的距离，将压力传感器固定带固定于患者腹部，在图像采集时利用一个压力传感器探测患者的呼吸信号，该信号经放大后传给CT模拟定位机，同步采集CT图像与呼吸信号，让采集到的每层CT图像都“烙上”在呼吸周期中所处的时间信息(即相位)，然后按相位分别对所有CT图像重新进行分组和三维重建，各相位的三维图像构成一个随时间变化的三维图像序列，将该图像序列输入到TPS工作站；
[0015](3)四维定位:在各三维图像序列上分别勾画出肿瘤靶区轮廓，形成一个位置随时间变化的动态靶区，然后确定出各相位靶区中心相对于外置三维坐标系的坐标值；
[0016](4)治疗摆位:在治疗室内患者按CT模拟定位时的体位复位，躺(或卧)于立体定位底板上，固定好体模，复位CT扫描时两侧板所在的位置，在治疗室定位激光灯指示下移动治疗床，使两侧激光灯和顶部激光灯准确指示到所要求的呼吸相位对应的靶区中心坐标值，即该呼吸相位的靶区中心在外置三维坐标系中的坐标值，这样就将靶区中心准确置于治疗机等中心位置处，治疗摆位完成，接下来即可按呼吸相位的要求实施照射治疗。
[0017]本发明的有益效果有以下四点:(I)本发明定位装置在患者体外附加一套三维坐标系，使CT模拟定位扫描、治疗计划设计和治疗摆位均在同一坐标系内进行，故能确保精确定位和精确放射治疗的实施；(2)本发明方法克服了用体表标记定位运动肿瘤带来的严重偏差，可精确定位不同呼吸相位下肿瘤靶区的三维坐标，在治疗摆位时使激光灯能准确指示到所要求的呼吸相位对应的靶中心坐标上；(3)不需要在患者体表放置参考固定标记点，也不需要计算参考标记点到靶区中心的位置偏移量(Λχ，ΔY, ΛZ)，因为对于运动肿瘤靶区无法通过偏移量(ΛΧ，ΔY, Λ Z)找到准确的靶区中心位置；(4)本发明还可以用来进行摆位验证，若立体定位框架纵轴不垂直于CT扫描截面，那么两侧板上坐标标记之间的距离就会不一致，通过CT图像上两侧板上标记点距离的差别Λ I及两侧板之间的距离L可以计算得到摆位偏差的角度Θ =arctg( Δ 1/L),故确保了定位精度。【专利附图】
【附图说明】:
[0018]图1为本发明的立体结构示意图；
[0019]图中1.左侧板，2.底板，3.右侧板，4.左侧板的凹槽，5.右侧板的凹槽，6.左侧板铜丝，7.右侧板铜丝，8.前螺杆，9.后螺杆，10.前手柄，11.后手柄，12.左侧板标尺，13.右侧板标尺，14.底板左标尺，15.底板前标尺，16.底板右标尺，17.左侧前螺母，18.右侧前螺母，19左侧后螺母，20右侧后螺母。
[0020]图2 (a)为图1的主视示意图；
[0021]图2 (b)为图1的左视示意图；
[0022]其中1:沿CT扫描方向，在CT断层图像上会出现铜丝标记点，通过度量靶区中心所在断层上两个标记点之间的距离IPjSjI就可以得到靶区中心在外置坐标系中的ζ坐标，2:通过度量靶区中心到标记点(？」，3」)、^3」)连线的距离|cx|、|cy|就可以得到靶区中心在外置坐标系中的X和y坐标。
[0023]图3运动靶体在0%吸气相位时在外置立体定位装置三维坐标系中的坐标位置；
[0024]图4运动靶体在20%吸气相位时在外置立体定位装置三维坐标系中的坐标位置；
[0025]图5运动靶体 在50%吸气相位时在外置立体定位装置三维坐标系中的坐标位置；
[0026]图6运动靶体在80%吸气相位时在外置立体定位装置三维坐标系中的坐标位置；
[0027]图7运动靶体在100%吸气相位时在外置立体定位装置三维坐标系中的坐标位置。
【具体实施方式】
[0028]以下结合附图所示之最佳实例作进一步详述:
[0029]实施例1:见图1，一种放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置，在底板2上设有互相平行的两侧板1、3，在左侧板1、右侧板3上分别设有一个边与底板2平行，另一个边与底板2呈45度角度的凹槽4、5，在左侧板凹槽4内镶嵌有左侧板铜丝6，在右侧板凹槽5内镶嵌有右侧板铜丝7。在实验中角度一定要45°，这样才能保证定位ζ坐标，同时实验证明使用铜丝比铅丝要好，伪影小。
[0030]所述的铜丝直径为0.2~0.5mm。
[0031]在所述的底板2及左侧板1、右侧板3上分别设有相同刻度的标尺，在左侧板I上设有左侧板标尺12，在右侧板3上设有右侧板标尺13，在底板2上设有底板左标尺14.底板前标尺15.底板右标尺16。
[0032]所述的放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置，在底板2上设有前螺杆8、后螺杆9，左侧板I与左侧前螺母17、左侧后螺母19固连，右侧板3与右侧前螺母18、右侧后螺母20固连，前螺杆8与左侧前螺母17、右侧前螺母18配合，后螺杆9与左侧后螺母19、右侧后螺母20配合，在前螺杆8、后螺杆9的一端设有螺杆转动前手柄10、后手柄U。
[0033]所述的底板2、左侧板1、右侧板3、左侧前螺母17、右侧前螺母18、左侧后螺母19、右侧后螺母20及前螺杆8、后螺杆9的材料为有机玻璃。
[0034]本发明立体定位装置为附加在患者体外的一个带有三维坐标标志的有机玻璃框架结构，由底板、侧板和螺丝杆组成，根据患者体宽的不同旋转位于底板上的两个有机玻璃螺丝杆来调节两侧板之间的距离，保持两侧板平行，其两侧板上均刻有宽度为1mm呈45度角分布的两条凹槽，并在凹槽中镶嵌在CT上可显像的两根呈45度角度的铜丝标志，其中一边铜丝与底板平行，两侧板上铜丝确定的顶点对齐。为减小铜丝在扫描过程中所产生的伪影，其直径应在0.2~0.5mm范围内。该结构特点使铜丝标记点在CT断层图像上具有坐标直读性，从而可确定出扫描范围内任意一点相对于外置坐标系的空间坐标。该定位框架上有X，y，ζ三维方向的标尺供治疗摆位用，见图1。
[0035]实施例2:所述的放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置的使用方法，其主要特点在于步骤为:
[0036](I)将定位装置设于CT扫描床，调整定位装置于水平位，其纵轴与CT扫描断层垂直，患者仰卧或俯卧，双手向上交叉，躺或卧于立体定位底板上；
[0037](2) CT扫描:患者躺(或卧)于立体定位底板上，并用体模固定，调节两侧板之间的距离，将压力传感器固定带固定于患者腹部，在图像采集时利用一个压力传感器探测患者的呼吸信号，该信号经放大后传给CT模拟定位机，同步采集CT图像与呼吸信号，让采集到的每层CT图像都“烙上”在呼吸周期中所处的时间信息(即相位)，然后按相位分别对所有CT图像重新进行分组和三维重建，各相位的三维图像构成一个随时间变化的三维图像序列，将该图像序列输入到TPS工作站；
[0038](3)四维定位:在各三维图像序列上分别勾画出肿瘤靶区轮廓，形成一个位置随时间变化的动态靶区，然后确定出各相位靶区中心相对于外置三维坐标系的坐标值；
[0039](4)治疗摆位:在治疗室内患者按CT模拟定位时的体位复位，躺(或卧)于立体定位底板上，固定 好体模，复位CT扫描时两侧板所在的位置，在治疗室定位激光灯指示下移动治疗床，使两侧激光灯和顶部激光灯准确指示到所要求的呼吸相位对应的靶区中心坐标值，即该呼吸相位的靶区中心在外置三维坐标系中的坐标值，这样就将靶区中心准确置于治疗机等中心位置处，治疗摆位完成，接下来即可按呼吸相位的要求实施照射治疗。
[0040]使用时:
[0041]I体位固定:患者仰卧(或俯卧)，双手向上交叉，躺(或卧)于立体定位框架底板上，用热塑性材料制作体模(每一个患者制作一个体模)，该体模两侧的支架通过塑料螺栓可方便地固定于定位框架底板上，达到良好的固定效果。
[0042]2CT扫描:患者躺(或卧)于立体定位框架底板上并用体模固定，调整立体定位框架于水平位，其纵轴与CT扫描断层垂直，调节两侧板之间的距离，将压力传感器固定带固定于患者腹部，在图像采集时利用一个压力传感器探测患者的呼吸信号，该信号经放大后传给CT模拟定位机，同步采集CT图像与呼吸信号，让采集到的每层CT图像都“烙上”在呼吸周期中所处的时间信息(即相位)，然后按相位分别对所有CT图像重新进行分组和三维重建，各相位的三维图像构成一个随时间变化的三维图像序列，将该图像序列输入到TPS工作站。
[0043]3四维定位:在各三维图像序列上分别勾画出肿瘤靶区轮廓，就形成一个位置随时间变化的动态靶区，然后确定出各相位靶区中心相对于外置三维坐标系的坐标值。
[0044]具体做法为:CT图像上靶区中心断层上能清晰显示该靶区中心及外置坐标系标志的位置，通过度量侧板上铜丝在该层面上所成像的两个标记点之间的距离就可以得到靶中心在外置坐标系中的ζ坐标，靶区中心到这两个标记点连线的距离就是X坐标，靶中心到两侧板上平行于底板铜丝所成像标记点的连线的距离就是y坐标。见图2 (b)，CT沿立体定位框架纵轴方向扫描，靶区中心位于第j个CT扫描断层，在该断层CT图像上会呈现两个铜丝标记点(Pj, Sj),由于Z PjOSj=45° ，因此PjSj I = IOSj |,也就是说通过度量两个标记点(Pj，Sj)之间的距离就可以得到靶区中心在外置坐标系中的Z坐标。见图2 Ca),由靶区中心(C点)向CT图像上侧板铜丝标记点(Pj，Sj), (Sj, Sj)做垂线，交点分别为X、Y，通过度量C点到X、Y点的距离|CX|、CY就可以得到靶区中心在外置坐标系中的X和y坐标。这样可以得到各相位靶区中心的空间坐标值，该坐标值将用于患者的精确摆位。
[0045]4治疗摆位:在治疗室内患者按CT模拟定位时的体位复位，躺(或卧)于立体定位框架底板上，固定好体模，复位CT扫描时两侧板所在的位置，在治疗室定位激光灯指示下移动治疗床，使两侧激光灯和顶部激光灯准确指示到所要求的呼吸相位对应的靶区中心坐标值，即该呼吸相位的靶区中心在外置三维坐标系中的坐标值，这样就将靶区中心准确置于治疗机等中心位置处，治疗摆位完成，接下来即可按呼吸相位的要求实施照射治疗。
[0046]实验例: [0047]运动靶体为ANZAI MEDICAL公司生产的为验证其呼吸门控系统的专用呼吸运动模拟靶体。该靶体包含三个直径为50mm的球体，材料分别为木材、丙烯醛基、橡胶。运动模式为垂直CT扫描断层的一维正弦运动，运动幅度为20mm，运动周期为4s。
[0048]实验步骤为:第一步，立体定位框架纵轴垂直于CT扫描截面摆放在扫描床上，按本发明方法将运动靶体放置在立体定位框架底板上，调节两侧板之间的距离，使运动靶体刚好夹在中间，将呼吸传感器(日本ANZAI MEDICAL,为检测患者呼吸运动的压力传感器)安装在运动靶体的[L0ADCELL IN]端口，另一端连接到CT模拟定位机(西门子SensationOpen);第二步，进行CT扫描，并按0%吸气、20%吸气、50%吸气、80%吸气、100%吸气对所有CT图像重新进行分组和三维重建，结果如图3、图4、图5、图6、图7所示；第三步，测量各时相靶区中心在外置坐标系中的坐标值，从图3、图4、图5、图6、图7可以得出，CT图像上能清晰显示出外置坐标系的标志，通过度量坐标系标志及其与靶区中心的位置关系，得到各相位靶区中心的空间坐标值。这里0%吸气、20%吸气、50%吸气、80%吸气、100%吸气相位所对应的靶区中心位置三维坐标分别为:(125.2，27.8，49.0)，(125.2，27.8，56.6)，(125.2，2
7.8，64.4)，(125.2，27.8，68.9)，(125.2，27.8，69.4)。由于该靶体的运动模式为垂直 CT 扫描断层的一维运动，因此x、y坐标值均相等，但靶区中心ζ坐标随呼吸相位的不同有明显变化，说明本发明方法是可行的。这些坐标值在治疗摆位时使激光灯能准确指示到所要求的呼吸相位对应的靶区中心坐标上。
[0049]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置，其特征在于:在底板上设有互相平行的两侧板，在左、右侧板上分别设有一个边与底板平行，另一个边与底板呈45度角度的凹槽，在左侧板凹槽内镶嵌有左侧板铜丝，在右侧板凹槽内镶嵌有右侧板铜丝。
2.如权利要求1所述的放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置，其特征在于:所述的铜丝直径为0.2~0.5_。
3.如权利要求1所述的放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置，其特征在于:在底板及两侧板上分别设有相同刻度的标尺。
4.如权利要求1所述的放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置，其特征在于:在底板上设有螺杆，两侧板与螺母固连，螺杆与螺母配合，在螺杆的一端设有螺杆转动手柄。
5.如权利要求1所述的放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置，其特征在于:底板、两侧板、螺母及螺杆的材料为有机玻璃。
6.如权利要求1所述的放射治疗中动态肿瘤靶区的定位装置的使用方法，其特征在于步骤为: (1)将定位装置设于CT扫描床，调整定位装置于水平位，其纵轴与CT扫描断层垂直，患者仰卧或俯卧，双手向上交叉，躺或卧于立体定位底板上； (2)CT扫描:患者躺或卧于立体定位底板上，并用体模固定，调节两侧板之间的距离，将压力传感器固定带固定于患者腹部，在图像采集时利用一个压力传感器探测患者的呼吸信号，该信号经放大后传给CT模拟定位机，同步采集CT图像与呼吸信号，让采集到的每层CT图像都“烙上”在呼吸周期中所处的时间信息，然后按相位分别对所有CT图像重新进行分组和三维重建，各相位的三维图像构成一个随时间变化的三维图像序列，将该图像序列输入到TPS工作站； (3)四维定位:在各三维图像序列上分别勾画出肿瘤靶区轮廓，形成一个位置随时间变化的动态靶区，然后确定出各相位靶区中心相对于外置三维坐标系的坐标值； (4)治疗摆位:在治疗室内患者按CT模拟定位时的体位复位，躺或卧于立体定位底板上，固定好体模，复位CT扫描时两侧板所在的位置，在治疗室定位激光灯指示下移动治疗床，使两侧激光灯和顶部激光灯准确指示到所要求的呼吸相位对应的靶区中心坐标值，即该呼吸相位的靶区中心在外置三维坐标系中的坐标值，这样就将靶区中心准确置于治疗机等中心位置处，治疗摆位完成，接下来即可按呼吸相位的要求实施照射治疗。
【文档编号】A61N5/00GK103691064SQ201310685330
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月14日 优先权日:2013年12月14日
【发明者】贺鹏博, 李强, 戴中颖, 刘新国, 申国盛 申请人:中国科学院近代物理研究所