放疗设备、治疗靶及其制作方法、放射治疗方法
【专利摘要】一种放疗设备、治疗靶及其制作方法、放射治疗方法，其中治疗靶沿一直线方向的厚度分布与待治疗区域放射剂量强度的分布关联；关联方式为：第一强度分布的剂量强度和治疗靶沿一直线方向的厚度呈反相关。在放射治疗时，从最薄的治疗靶部分中透射的治疗射线放射剂量强度最高，以实现放射治疗。本方案通过对治疗靶本身进行改进，以实现对治疗射线调强的目的，不会引入额外的调强设备，能够避免调强设备所引起的误差，以确保实际治疗射线的剂量强度分布满足预设的剂量强度分布要求。而且，治疗靶解决了现有调强设备结构复杂，故障率高，维修成本高的问题，其自身结构简单且具有较低生产成本。
【专利说明】放疗设备、治疗靶及其制作方法、放射治疗方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种放疗设备、治疗靶及其制作方法、放射治疗方法。
【背景技术】
[0002]在治疗照射时，由于肿瘤形态各异，其厚度也不同，这就要求照射在肿瘤上的治疗射线剂量强度是非均匀分布的，需要根据肿瘤的三维形状调节治疗射线的剂量强度分布。另外，肿瘤组织和健康组织之间通常并没有绝对的边界，在使用较大强度剂量的治疗射线照射肿瘤以进行精确治疗时，有时也会有较小剂量的治疗射线照射到肿瘤周围的组织上，而对于距离肿瘤位置相对较远的其他组织，则需要避免受到治疗射线的损伤，因此在放射治疗时，照射在肿瘤组织和周围健康组织上的治疗射线的强度剂量分布也是不同的。这种在放射治疗中，根据治疗区域内肿瘤形状以及肿瘤和周围健康组织之间的差异，对辐射野内的治疗射线剂量强度进行调节的技术，也就是所说的调强放疗aMRT，IntensityModulated Radiat1n Therapy)。
[0003]现有技术的一种调强放疗的方案是，在治疗射线传播路线上设有多叶准直器(MLC, Mult1-Leaves Collimator)及鹤门(Jaw)，多叶准直器可调节从治疗革巴福射出的治疗射线的剂量强度分布，并产生与肿瘤形状相同的辐射野，使得高剂量且与肿瘤形状类似分布的治疗射线照射在肿瘤上。钨门采用高密度材料构成，用于阻止治疗射线照射到健康组织。但是多叶准直器及钨门的结构非常复杂，故障率很高，比如目前我国放射治疗中，多叶准直器平均每1-2月就出现一次故障，其每次的维修费用高。并且在整个放疗设备中，多叶准直器和钨门的成本占到了总成本的一半。此外，通过多叶准直器和钨门的调强放疗技术，在对病人进行放射治疗时，由于其机械运动方式较为复杂，通常需要15-30分钟的治疗时间，严重影响了治疗效率。
[0004]现有技术另一种调强放疗的方案是，在治疗靶下方放置安装在移动机构上的物理补偿板，通过移动机构移动物理补偿板以对治疗射线进行调强。但是在移动机构的运动过程中，存在一定的机械误差，导致实际治疗射线的剂量强度分布无法满足预先设定的强度分布要求。
【发明内容】
[0005]本发明解决的问题是:
[0006]1、现有使用多叶准直器及钨门对治疗射线进行调强的方案，多叶准直器及钨门的结构非常复杂，故障率很高，维修成本高，且自身成本较高；
[0007]2、现有使用物理补偿板对治疗射线进行调强的方案中，通过物理补偿版的实际治疗射线的剂量强度分布无法满足预先设定的强度分布要求。
[0008]为解决上述问题，本发明提供一种用于调强放疗的治疗靶的制作方法，该制作方法包括:
[0009]根据待治疗区域解剖信息，获得待治疗区域的放射剂量的第一强度分布；
[0010]根据所述第一强度分布确定治疗靶形状，所述治疗靶沿一直线方向的厚度分布与所述第一强度分布关联；
[0011]所述关联的方式为:第一强度分布的剂量强度和治疗靶沿一直线方向的厚度呈反相关。
[0012]可选地，所述根据第一强度分布确定治疗靶形状的方法包括:
[0013]根据治疗靶材料和所述第一强度分布建立具有初始形状的治疗靶模型；
[0014]基于所述治疗靶模型，获得放疗设备产生的治疗射线的第二强度分布；
[0015]将所述第二强度分布与第一强度分布进行对比:
[0016]若所述第二强度分布和第一强度分布之间的误差处于可接受范围内，所述治疗靶模型作为治疗靶；
[0017]若所述第二强度分布和第一强度分布之间的误差未处于可接受范围内，重复根据所述误差改变所述治疗靶模型的初始形状、获得所述第二强度分布、和将所述第二强度分布与第一强度分布进行对比的步骤。
[0018]可选地，所述待治疗区域解剖信息为CT图像或数字化X射线图像。
[0019]可选地，所述治疗靶模型沿所述直线方向具有相背的第一表面和第二表面，所述第一表面为电子束的入射面，所述第一表面为平面。
[0020]可选地，所述基于治疗靶模型，获得放疗设备产生的治疗射线的第二强度分布的方法为蒙特卡罗计算方法。
[0021]本发明还提供一种用于调强放疗的治疗靶，所述治疗靶沿一直线方向的厚度分布与待治疗区域放射剂量强度的分布关联；
[0022]所述关联的方式为:待治疗区域放射剂量强度和所述治疗靶沿所述直线方向的厚度呈反相关。
[0023]可选地，所述治疗靶的材料为铜、铝、铅、钨、铜合金、铝合金、铅合金、钨合金、或所述至少一合金与有机玻璃或树脂的混合物。
[0024]本发明提供一种放疗设备，该放疗设备包括:
[0025]电子束发射装置；
[0026]上述任一所述的治疗靶，用于接收由所述电子束发射装置发出的电子束以产生治疗射线。
[0027]可选地，所述治疗靶安装于可移动靶座。
[0028]本发明还提供一种放射治疗方法，该放射治疗方法包括:
[0029]提供上述任一所述的放疗设备；
[0030]将患者置于所述放疗设备的治疗床上；
[0031]控制所述放疗设备通过治疗靶发射治疗射线，以对患者进行放射治疗。
[0032]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0033]治疗靶沿某一直线方向的厚度分布与待治疗区域放射剂量强度的分布关联，关联的方式为:第一强度分布的剂量强度和治疗靶沿一直线方向的厚度呈反相关。在应用该治疗靶时，所述直线方向为入射到治疗靶上的电子束的传播方向。这样，治疗射线在较厚的治疗靶部分中的传播距离较大，其遭到较大衰减，待治疗区域的健康组织上的放射剂量较少；而治疗射线在最薄的治疗靶部分中的传播距离最小，其遭到最小衰减，待治疗区域的肿瘤位置的放射剂量最多。这样，本方案通过合理设置治疗靶沿上述传播路线的厚度分布，实现了对治疗射线的调强目的，以使照射到待治疗区域的肿瘤上的治疗射线剂量强度最高，而照射到健康组织上的治疗射线具有较低剂量强度。本方案通过对治疗靶本身进行改进，以实现对治疗射线调强的目的。本技术方案不会引入额外的调强设备，能够避免调强设备所引起的误差，如物理补偿板的移动所造成的机械误差，以确保实际治疗射线的剂量强度分布满足预设的剂量强度分布要求。而且，治疗靶解决了现有调强设备结构复杂，故障率高，维修成本高的问题，其自身结构简单且具有较低生产成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是本发明具体实施例的用于调强的治疗靶的制作方法流程图；
[0035]图2是用于调强的治疗靶的制作过程中，待治疗区域的解剖信息图像的平面视图；
[0036]图3是本发明具体实施例的用于调强的治疗靶的局部立体图；
[0037]图4是图1用于调强的治疗靶的制作方法中，将待治疗区域的解剖信息图像栅格化的平面视图；
[0038]图5是图1用于调强的治疗靶的制作方法中，模拟射线穿过初始靶的示意图；
[0039]图6是图5的治疗靶中射线穿过部分靶栅元的示意图；
[0040]图7是图1用于调强的治疗靶的制作方法中，根据第一强度分布确定治疗靶形状的步骤流程图。
【具体实施方式】
[0041]针对现有技术存在的问题，发明人提出了一种新的调强方案，通过对治疗靶本身进行改进以实现放射调强的目的。对此，还提出了针对该新治疗靶的制作方法以及包括该治疗靶的放疗设备。
[0042]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0043]参照图1、图2，本实施例的用于调强的治疗靶的制作方法包括:
[0044]执行步骤SI，根据待治疗区域的解剖信息，获得待治疗区域I的放射剂量的第一强度分布，其中待治疗区域I包括肿瘤区域以及周围的健康组织；
[0045]待治疗区域解剖信息的获取可以通过磁共振扫描、计算机断层扫描(CT，computedtomography)、数字X射线扫描等方式，得到相应的磁共振图像、CT图像或者数字化X射线图像。上述图像均可以显示被扫描对象在待治疗区域的解剖信息，扫描对象各组织之间的边界清晰可见。这里的解剖信息可以是二维的图像数据，也可以是三维的图像数据。
[0046]由待治疗区域解剖信息得到待治疗区域的放射剂量的第一强度分布的过程，以下仅以CT图像为例进行说明。
[0047]首先，将CT 图像导入到放疗计划系统(Radiat1n Therapy Treatment PlanningSystem, TPS)，之后在CT图像上进行轮廓勾画，勾画出肿瘤区域的靶区、只能接受一定的剂量阈值以内的关键区域等。然后由放疗计划系统进行束流编辑，进行初步的规划，计算需要的放疗角度、每个角度下的子野分布等。由初步规划好的放疗计划进行剂量计算，得到各个放疗角度的剂量分布，之后进行剂量验证，验证初始放疗计划下是否能够满足对靶区或关键区域的放射需求，如果不满足，再重新修改放疗计划，重新进行剂量验证，直到能满足要求为止。最终得到满足要求的放疗计划，和这个放疗计划相对应的各放疗角度的剂量分布，即是得到的待治疗区域对应的放射剂量的第一强度分布。如果由放射治疗计划计算出需要在多个放疗角度进行放疗，则对应每一个角度都有一个放疗剂量的第一强度分布。
[0048]执行步骤S2，根据第一强度分布确定治疗靶形状，治疗靶沿一直线方向的厚度分布与第一强度分布关联，关联的方式为:第一强度分布的剂量强度和治疗革E沿一直线方向的厚度呈反相关，即第一强度分布中剂量强度最大值的第一栅元所对应的治疗靶部分的厚度最薄，随着第一强度分布中剂量强度逐渐减小，其第一栅元对应的治疗靶厚度逐渐变厚，第一强度分布中剂量强度最小值的第一栅元所对应的治疗靶部分的厚度最厚。第一栅元指的是将第一强度分布图栅格化后，划分得到的单个栅元。具体反相关的比例系数，根据治疗靶的材料、放射源和治疗靶之间的距离等因素确定。
[0049]结合参照图3，图3为根据上述制作方法得到的治疗靶的局部立体图，治疗靶10具有沿所述厚度方向相背设置的第一表面11和第二表面12。应用本实施例的治疗靶于一放疗设备，如电子直线加速器，在照射治疗时，将治疗靶10置于电子束传播路线上，第一表面11为平面，作为电子束的入射面，第二表面12作为治疗射线的出射面。电子束入射到第一表面11，在第一表面11瞬间减速而发生轫致辐射反应，生成治疗射线，治疗射线穿过治疗靶10透射而出。对应治疗靶厚度分布，治疗射线在厚度最薄的治疗靶部分中的穿行路径最短，得到最小程度的衰减，释放出最大剂量强度的治疗射线。相比之下，治疗射线在厚度较厚的治疗靶部分中的穿行路径较长，得到较大程度的衰减，释放出较小剂量强度的治疗射线，从而实现对治疗射线强度的调制。
[0050]与现有技术相比，本实施例通过对治疗靶本身进行改进，以实现对治疗射线调强的目的。本技术方案不会引入额外的调强设备，能够避免调强设备所引起的误差，如物理补偿板的移动所造成的机械误差，以确保实际治疗射线的剂量强度分布满足预设的剂量强度分布要求。而且，治疗靶10解决了现有调强设备结构复杂，故障率高，维修成本高的问题，其自身结构简单且具有较低生产成本。
[0051]对于最终形成的治疗靶10的形状，请参照图3，第二表面12包括沿治疗靶10厚度方向的若干拼接面120，这样从每个拼接面120中出射的治疗射线剂量强度不尽相同，在所有拼接面120中，中间拼接面12(V对应的治疗靶部分的厚度最小，从中间拼接面12(V中出射的治疗射线剂量强度最大。而且，中间拼接面120'的形状与肿瘤形状相同，确保从中间拼接面120'出射的治疗射线的形状与肿瘤形状类似，以使从中间拼接面120'出射的治疗射线照射到待治疗区域上，以获得精确的治疗结果。治疗靶第二表面的形状，可以通过对靶表面的切割加工，或者由3D打印技术加工得到。
[0052]需要说明的是，图3为治疗靶的局部立体图，其各拼接面120的形状仅起到示例作用。实际中为了对应第一强度分布，整个治疗靶的第二表面的形状会非常复杂。图3所示的治疗靶仅为一种示例，在具体应用中，可根据待治疗区域的解剖信息所对应的第一强度分布合理设置治疗靶的具体形状。另外，图3中第二表面12的各个拼接面120可以对应第一强度分布中的一个或多个第一栅元。
[0053]在本实施例中，治疗靶10的材料为铜、铝、铅、钨、铜合金、铝合金、铅合金、钨合金、或所述至少一合金与有机玻璃或树脂的混合物。对应不同的材料，治疗靶10的厚度不同，例如对高密度材料，治疗靶10的厚度较薄，以减小对治疗射线的衰减；对低密度材料，治疗靶10的厚度较厚，以增大对治疗射线的衰减。
[0054]在本实施例中，根据第一强度分布确定治疗靶形状的方法包括:
[0055]参照图2、图4，根据第一强度分布将待治疗区域I的解剖图像栅格化，待治疗区域I沿水平方向被分成若干第一栅元13，每个第一栅元13对应第一强度分布的一个放射剂量强度。
[0056]结合参照图5，提供一初始靶3，根据图4所示的待治疗区域I的第一栅元13分布，将初始靶3上表面30进行网格化，分成若干靶栅元31，所有靶栅元31和若干第一栅元13之间至少是一一对应的。结合上段内容，每个第一栅元13对应第一强度分布的一个放射剂量强度，而革E栅元31对应第一强度分布中剂量强度的一个或多个第一栅元13。第一强度分布图和治疗靶上的靶栅元31的对应关系，可以根据实际放疗设备中治疗靶和治疗对象的位置及放疗射束角等因素确定，例如第一强度分布图是512*512像素的图像矩阵(即可以划分为512*512个第一栅元)，其每个第一栅元代表了治疗对象组织0.5mm*0.5mm大小的体元，之后根据治疗对象和治疗靶的距离、放疗射束的射束角等参数，可以计算出治疗靶的一个靶栅元所对应的第一强度分布图中的第一栅元的数量、大小及位置。例如，图5中的出射射线A代表一个放射剂量强度，其对应初始靶3的一个靶栅元31，而且出射射线A偏向于图5中初始靶3的左下角。而该靶栅元31对应了图4所示的第一强度分布图中区域B的剂量强度第一栅元，而且，区域B也偏向于第一强度分布图的左下角。从中可以看出，一个靶栅元31对应了第一强度分布图中的多个剂量强度第一栅元。
[0057]接着朝向初始靶3的上表面30发射强度为1的射线，并获得穿过各个靶栅元31后的射线强度I ;
[0058]紧接着，结合参照图6，图6为图5的治疗靶中射线穿过部分靶栅元31的示意图，根据第一栅元13上期待获得的放射剂量强度分布，利用r = ln(10/I)/u，d = r*cos Θ，得到每个第一栅元13所对应的靶栅元31的厚度d，并根据第一强度分布调整初始靶各个靶栅元31的厚度d，直至得到具有初始形状的治疗靶模型，其中u为初始靶材料的衰减系数，可根据公开的射线衰减系数表获得，r为射线在初始靶中的行进距离，Θ为射线与初始靶3的上表面30之间的夹角。
[0059]基于该治疗靶模型，参照图7，使用蒙特卡罗计算方法获得放疗设备通过该治疗靶模型所产生的治疗射线的第二强度分布。具体地，首先，将放射源发射的电子束强度、治疗靶材料与初始形状、初级准直器、电离室模型等参数输入蒙特卡罗模拟工具中，模拟从直线加速器中发射的电子束经过治疗靶模型产生治疗射线，治疗射线经初级准直器以及电离室之后的二维强度分布，称为第二强度分布，其中，蒙特卡罗模拟工具包括EGS、MCNP、Geant4、DPM、Fluka, VMC、VMC++,以及基于蒙特卡罗原理设计的其他工具。
[0060]将第二强度分布与第一强度分布进行对比:
[0061]若第二强度分布和第一强度分布之间的误差处于可接受范围内，该治疗靶模型作为治疗靶；
[0062]由于存在射线散射等情况，若第二强度分布和第一强度分布之间的误差未处于可接受范围内，重复根据该误差改变治疗靶模型的初始形状、获得第二强度分布和将第二强度分布与第一强度分布进行对比的步骤，直至第一强度分布和第二强度分布之间的误差处于可接受范围内。例如，若第二强度分布所对应的治疗靶模型的某一点的强度小于第一强度分布所对应的该点的强度，则减小该点所在靶栅元的厚度，以减小对射线的衰减；反之增加该靶栅元的厚度，以增大对射线的衰减。
[0063]本发明还提供一种治疗靶，治疗靶沿一直线方向的厚度分布与待治疗区域放射剂量强度的分布关联，关联方式为:所述待治疗区域的放射剂量强度分布和治疗靶沿一直线方向的厚度呈反相关，即所述待治疗区域的放射剂量强度分布中剂量强度最大值的第一栅元所对应的治疗靶部分的厚度最薄，所述待治疗区域的放射剂量强度分布中剂量强度最小值的第一栅元所对应的治疗靶部分的厚度最厚。
[0064]在本实施例中，治疗靶的材料为铜、铝、铅、钨、铜合金、铝合金、铅合金、钨合金、或所述至少一合金与有机玻璃或树脂的混合物。
[0065]靶实际使用过程中可能存在散热问题，可以配合水冷系统或者风冷系统使用。这种水冷或者风冷系统的具体使用方式是本领域技术人员已知晓的技术，这里不再一一赘述。
[0066]本发明还提供一种放疗设备，该放疗设备包括:
[0067]电子束发射装置；
[0068]上述图3所示的治疗靶，用于接收电子束发射装置发出的电子束以产生治疗射线。
[0069]在本实施例中，在放疗设备中设有多个治疗靶10，所有治疗靶10固设于移动靶座上，每个治疗靶10在入射到治疗靶表面的电子束传播路线上的厚度分布方式不同。在放射治疗过程中，通常需切换多个角度对肿瘤进行放射治疗，多个治疗靶与放射治疗的多个角度一一对应，对应每个放射治疗角度，移动移动靶座至对应的治疗靶10至预设位置，以沿所述厚度方向接收入射电子束。
[0070]本发明还提供一种放射治疗方法，该治疗方法包括:
[0071]提供上述放疗设备，其中在移动靶座上安装有至少两个上述治疗靶；
[0072]将患者置于放疗设备的治疗床上；
[0073]通过切换不同的治疗靶，对患者待治疗区域进行不同角度的放射治疗，在每次放射治疗时，控制放疗设备通过治疗靶发射治疗射线。
[0074]虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
【权利要求】
1.一种用于调强放疗的治疗靶的制作方法，其特征在于，包括: 根据待治疗区域解剖信息，获得待治疗区域的放射剂量的第一强度分布； 根据所述第一强度分布确定治疗靶形状，所述治疗靶沿一直线方向的厚度分布与所述第一强度分布关联； 所述关联的方式为:第一强度分布的剂量强度和治疗靶沿一直线方向的厚度呈反相关。
2.如权利要求1所述的用于调强放疗的治疗靶的制作方法，其特征在于，所述根据第一强度分布确定治疗靶形状的方法包括: 根据治疗靶材料和所述第一强度分布建立具有初始形状的治疗靶模型； 基于所述治疗靶模型，获得放疗设备产生的治疗射线的第二强度分布； 将所述第二强度分布与第一强度分布进行对比: 若所述第二强度分布和第一强度分布之间的误差处于可接受范围内，所述治疗靶模型作为治疗靶； 若所述第二强度分布和第一强度分布之间的误差未处于可接受范围内，重复根据所述误差改变所述治疗靶模型的初始形状、获得所述第二强度分布、和将所述第二强度分布与第一强度分布进行对比的步骤。
3.如权利要求1所述的用于调强放疗的治疗靶的制作方法，其特征在于，所述待治疗区域解剖信息为CT图像或数字化X射线图像。
4.如权利要求2所述的用于调强放疗的治疗靶的制作方法，其特征在于，所述治疗靶模型沿所述直线方向具有相背的第一表面和第二表面，所述第一表面为电子束的入射面，所述第一表面为平面。
5.如权利要求2所述的用于调强放疗的治疗靶的制作方法，其特征在于，所述基于治疗靶模型，获得放疗设备产生的治疗射线的第二强度分布的方法为蒙特卡罗计算方法。
6.—种用于调强放疗的治疗靶，其特征在于，所述治疗靶沿一直线方向的厚度分布与待治疗区域放射剂量强度的分布关联； 所述关联的方式为:待治疗区域放射剂量强度和所述治疗靶沿所述直线方向的厚度呈反相关。
7.如权利要求6所述的治疗靶，其特征在于，所述治疗靶的材料为铜、铝、铅、钨、铜合金、铝合金、铅合金、钨合金、或所述至少一合金与有机玻璃或树脂的混合物。
8.—种放疗设备，其特征在于，包括: 电子束发射装置； 权利要求6或7所述的治疗靶，用于接收由所述电子束发射装置发出的电子束以产生治疗射线。
9.如权利要求8所述的放疗设备，其特征在于，所述治疗靶安装于可移动靶 座。
10.一种放射治疗方法，其特征在于，包括: 提供权利要求8或9所述的放疗设备； 将患者置于所述放疗设备的治疗床上； 控制所述放疗设备通过治疗靶发射治疗射线，以对患者进行放射治疗。
【文档编号】A61N5/10GK104474639SQ201410723180
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】李贵, 刘艳芳, 刘娟, 倪成 申请人:上海联影医疗科技有限公司