基于医学影像的辐射屏蔽装置的制作方法

文档序号:11166230
基于医学影像的辐射屏蔽装置的制造方法

本实用新型涉及一种放射线治疗的辐射屏蔽装置,尤其是一种基于医学影像的辐射屏蔽装置。



背景技术:

随着原子科学的发展,例如钴六十、直线加速器、电子射束等放射线治疗已成为癌症治疗的主要手段之一。然而传统光子或电子治疗受到放射线本身物理条件的限制,在杀死肿瘤细胞的同时,也会对射束途径上大量的正常组织造成伤害;另外由于肿瘤细胞对放射线敏感程度的不同,传统放射治疗对于较具抗辐射性的恶性肿瘤(如:多行性胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme)、黑色素细胞瘤(melanoma))的治疗成效往往不佳。

为了减少肿瘤周边正常组织的辐射伤害,化学治疗(chemotherapy)中的标靶治疗概念便被应用于放射线治疗中;而针对高抗辐射性的肿瘤细胞,目前也积极发展具有高相对生物效应(relative biological effectiveness,RBE)的辐射源,如质子治疗、重粒子治疗、中子捕获治疗等。其中,中子捕获治疗便是结合上述两种概念,如硼中子捕获治疗,借由含硼药物在肿瘤细胞的特异性集聚,配合精准的中子射束调控,提供比传统放射线更好的癌症治疗选择。

放射线治疗过程中会产生各种放射线,如硼中子捕获治疗过程产生低能至高能的中子、光子,这些放射线可能会对人体正常组织造成不同程度的损伤。因此在放射线治疗领域,如何在达到有效治疗的同时减少对外界环境、医务人员或患者正常组织的辐射污染是一个极为重要的课题。而现有的放射线治疗设备,对辐射的屏蔽还主要集中于放置设备的房间、设备本身,而没有针对从设备出口出来的放射线对患者正常组织的辐射,更不能根据患者的个体差异,如肿瘤位置、大小、形状等,形成有针对性、精确度高的辐射屏蔽。

核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)或电子计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)等医学影像数据能够针对人体体内特征提供较为详细的组织几何结构信息,为人体内部结构的实体建模提供了数据基础。因此,有必要提出一种基于医学影像的辐射屏蔽装置,能够形成有针对性、精确度高的辐射屏蔽,减少或避免对患者正常组织的辐射。



技术实现要素:

为了屏蔽放射线照射装置对被照射体的正常组织的辐射,本实用新型一方面提供了一种基于医学影像的辐射屏蔽装置,其包括医学影像扫描装置,扫描被照射体的照射部位,并输出医学影像体素数据;数据处理及三维建模装置,根据医学影像体素数据建立三维假体组织模型,并根据三维假体组织模型建立屏蔽体三维模型;屏蔽体,由屏蔽体三维模型数据输入3D打印机打印形成,位于放射线照射装置和照射部位之间。

作为一种优选地,屏蔽体三维模型是根据三维假体组织模型,结合放射线照射装置的数据信息及放射线照射装置与照射部位的位置关系建立的。

作为一种优选地,屏蔽体的材料包括屏蔽中子的材料或屏蔽光子的材料中的至少一种,屏蔽体固定在被照射体表面,与被照射体表面外形相互匹配。屏蔽体具有中心通孔,中心通孔的直径与被照射体体内的病变组织在垂直于射束方向的最大尺寸的比值区间为1-2,屏蔽体最大厚度的数值范围为3-20mm,屏蔽体外表面的面积范围为10-200cm2

作为一种优选地,放射线照射装置产生的放射线经过屏蔽体后被衰减的比例为≥50%,放射线经过屏蔽体后对正常组织的辐射深度与不经过屏蔽体相比的比例≤50%。

本实用新型另一方面提供了一种放射线治疗装置,放射线治疗装置包括放射线照射装置和屏蔽体,放射线照射装置照射被照射体,形成照射部位;屏蔽体位于放射线照射装置和照射部位之间,并由3D打印机打印形成。

作为一种优选地,放射线治疗装置还包括三维影像扫描装置和数据处理及三维建模装置,三维影像扫描装置扫描照射部位并输出三维数据;数据处理及三维建模装置根据三维数据建立照射部位三维模型,并根据照射部位三维模型建立屏蔽体三维模型;屏蔽体由屏蔽体三维模型数据输入3D打印机打印形成。

作为一种优选地,放射线治疗装置还包括医学影像扫描装置和数据处理及三维建模装置,医学影像扫描装置扫描照射部位并输出医学影像体素数据;数据处理及三维建模装置根据医学影像体素数据建立三维假体组织模型,并根据三维假体组织模型建立屏蔽体三维模型;屏蔽体由屏蔽体三维模型数据输入3D打印机打印形成。

作为一种优选地,放射线照射装置包括放射线产生装置、射束整形体、准直器,放射线产生装置能够产生放射线,射束整形体能够调整放射线的射束品质,准直器能够汇聚经过所述射束整形体的放射线,屏蔽体位于准直器和照射部位之间。

进一步地,放射线治疗装置为硼中子捕获治疗装置,被照射体为癌症患者,放射线产生装置为中子产生装置,中子产生装置包括加速器和靶材,加速器对带电粒子进行加速,中子由加速的带电粒子与靶材作用产生。

进一步地,患者正常组织在硼中子捕获治疗过程中接受的辐射剂量小于18Gy。

作为一种优选地,放射线治疗装置还包括治疗台,放射线经过屏蔽体后作用到治疗台上的患者的病变组织,屏蔽体固定在被照射体表面或治疗台或准直器上。

本实用新型所述的基于医学影像的辐射屏蔽装置,屏蔽体经3D打印形成,能够依据不同被照射体的个体差异分别成型,且能够对复杂形状快速成型,针对性更强、精确度更高,能够获得更好的辐射屏蔽效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的硼中子捕获治疗装置示意图;

图2为本实用新型实施例中的基于医学影像的辐射屏蔽方法的逻辑框图;

图3为本实用新型实施例中的屏蔽体与被照射体的位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1,本实施例中的放射线治疗装置优选为硼中子捕获治疗装置100,包括中子产生装置10、射束整形体20、准直器30和治疗台40。中子产生装置10包括加速器11和靶材T,加速器11对带电粒子(如质子、氘核等)进行加速,产生如质子线的带电粒子线P,带电粒子线P照射到靶材T并与靶材T作用产生中子线(中子束)N,靶材T优选为金属靶材。依据所需的中子产率与能量、可提供的加速带电粒子能量与电流大小、金属靶材的物化性等特性来挑选合适的核反应,常被讨论的核反应有7Li(p,n)7Be及9Be(p,n)9B,这两种反应皆为吸热反应。两种核反应的能量阀值分别为1.881MeV和2.055MeV,由于硼中子捕获治疗的理想中子源为keV能量等级的超热中子,理论上若使用能量仅稍高于阀值的质子轰击金属锂靶材,可产生相对低能的中子,不须太多的缓速处理便可用于临床,然而锂金属(Li)和铍金属(Be)两种靶材与阀值能量的质子作用截面不高,为产生足够大的中子通量,通常选用较高能量的质子来引发核反应。理想的靶材应具备高中子产率、产生的中子能量分布接近超热中子能区(将在下文详细描述)、无太多强穿辐射产生、安全便宜易于操作且耐高温等特性,但实际上并无法找到符合所有要求的核反应,本实用新型的实施例中采用锂金属制成的靶材。但是本领域技术人员熟知的,靶材T的材料也可以由锂、铍之外的金属材料制成,例如由钽(Ta)或钨(W)等形成;靶材T可以为圆板状,也可以为其他固体形状,也可以使用液状物(液体金属)。加速器11可以是直线加速器、回旋加速器、同步加速器、同步回旋加速器,中子产生装置10也可以是核反应堆而不采用加速器和靶材。无论硼中子捕获治疗的中子源来自核反应堆或加速器带电粒子与靶材的核反应,产生的实际上皆为混合辐射场,即射束包含了低能至高能的中子、光子。对于深部肿瘤的硼中子捕获治疗,除了超热中子外,其余的辐射线含量越多,造成正常组织非选择性剂量沉积的比例越大,因此这些会造成不必要剂量的辐射应尽量降低。另外,对于被照射体的正常组织来说,各种辐射线应避免过多,同样造成不必要的剂量沉积。

中子产生装置10产生的中子束N依次通过射束整形体20和准直器30照射向治疗台40上的患者200。射束整形体20能够调整中子产生装置10产生的中子束N的射束品质,准直器30用以汇聚中子束N,使中子束N在进行治疗的过程中具有较高的靶向性,通过调整准直器30能够调整射束的方向及射束与治疗台40上的患者200的位置关系,治疗台40及患者200的位置也可以进行调整,使射束对准患者200体内的肿瘤细胞M。这些调整可以人工手动操作的,也可以是通过一系列控制机构自动实现的。可以理解,本实用新型也可以不具有准直器,射束从射束整形体20出来后直接照射向治疗台40上的患者200。

射束整形体20进一步包括反射体21、缓速体22、热中子吸收体23、辐射屏蔽体24和射束出口25,中子产生装置10生成的中子由于能谱很广,除了超热中子满足治疗需要以外,需要尽可能的减少其他种类的中子及光子含量以避免对操作人员或患者造成伤害,因此从中子产生装置10出来的中子需要经过缓速体22将其中的快中子能量调整到超热中子能区,缓速体22由与快中子作用截面大、超热中子作用截面小的材料制成,作为一种优选实施例,缓速体13由D2O、AlF3、Fluental、CaF2、Li2CO3、MgF2和Al2O3中的至少一种制成;反射体21包围缓速体22,并将穿过缓速体22向四周扩散的中子反射回中子射束N以提高中子的利用率,由具有中子反射能力强的材料制成,作为一种优选实施例,反射体21由Pb或Ni中的至少一种制成;缓速体22后部有一个热中子吸收体23,由与热中子作用截面大的材料制成,作为一种优选实施例,热中子吸收体23由Li-6制成,热中子吸收体23用于吸收穿过缓速体22的热中子以减少中子束N中热中子的含量,避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量;辐射屏蔽体24围绕射束出口25设置在反射体后部,用于屏蔽从射束出口25以外部分渗漏的中子和光子,辐射屏蔽体24的材料包括光子屏蔽材料和中子屏蔽材料中的至少一种,作为一种优选实施例,辐射屏蔽体24的材料包括光子屏蔽材料铅(Pb)和中子屏蔽材料聚乙烯(PE)。准直器30设置在射束出口25后部,从准直器30出来的超热中子束向患者200照射,经浅层正常组织后被缓速为热中子到达肿瘤细胞M。可以理解,射束整形体20还可以有其他的构造,只要能够获得治疗所需超热中子束即可。

患者200服用或注射含硼(B-10)药物后,含硼药物选择性地聚集在肿瘤细胞M中,然后利用含硼(B-10)药物对热中子具有高捕获截面的特性,借由10B(n,α)7Li中子捕获及核分裂反应产生4He和7Li两个重荷电粒子。两荷电粒子的平均能量约为2.33MeV,具有高线性转移(Linear Energy Transfer,LET)、短射程特征,α短粒子的线性能量转移与射程分别为150keV/与射、815,而7Li重荷粒子则为175keV/μm、5μm,两粒子的总射程约相当于一个细胞大小,因此对于生物体造成的辐射伤害能局限在细胞层级,便能在不对正常组织造成太大伤害的前提下,达到局部杀死肿瘤细胞的目的。

硼中子捕获治疗装置100还包括辐射屏蔽装置50,虽然中子产生装置10产生的中子束N经过射束整形体20和准直器30后照射到患者200的主要为治疗用超热中子束,但实际上仍难以完全避免其他中子及光子混杂其中,这些放射线照射到患者200正常组织时还是有可能造成损伤,另外,治疗用超热中子束虽然对人体正常组织的影响极小,仍要进一步降低引起剂量累积的可能性,因此需要在设置辐射屏蔽装置50将患者无需被射束照射的部位遮挡加以保护。

辐射屏蔽装置50又进一步包括医学影像扫描装置51、数据处理及三维建模装置52、屏蔽体53。医学影像扫描装置51扫描患者200照射部位,并输出医学影像体素数据,照射部位定义为从放射线照射装置(由中子产生装置10、射束整形体20、准直器30组成)靠近治疗台40的端面沿照射方向取一定的照射深度,垂直于照射方向取一定的照射平面,所形成的立体空间与患者身体的重合部分。医学影像数据可以为核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)、电子计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)、正电子发射型计算机断层扫描(Positron Emission Tomography,PET)、PET-CT或X射线成像(X-Ray imaging),下文实施例中将基于电子计算机断层扫描(CT)的数据来阐述,CT的文件格式通常为DICOM。但本领域技术人员熟知地,还可以使用其他的医学影像数据,只要该医学影像数据能够被转换成三维假体组织模型,就能够应用于本实用新型揭示的基于医学影像的辐射屏蔽装置中。

患者200在治疗台40进行定位后,通过CT扫描患者200照射部位,形成CT数据文件,即医学影像体素数据;数据处理及三维建模装置52根据医学影像体素数据建立三维假体组织模型,如利用MI-3DVS软件或CAD软件等三维建模软件进行三维可视化,三维假体组织模型包括病变组织和正常组织,根据三维假体组织模型,再建立正常组织屏蔽体的三维模型,并确定屏蔽体的安装位置。屏蔽体三维模型的建立可以结合放射线照射装置的数据信息,如射束强度、射束通量、射束直径、照射路径等,及放射线照射装置与照射部位的位置关系,在此过程中还可以根据实际情况进行人为的修正。可以理解,也可以在患者200进入治疗室之前就进行CT扫描,这样便不需要将医学影像扫描装置51集成在治疗室内,可以利用医院现有的CT扫描机,通过扫描确定照射部位,形成照射部位的CT数据文件。此时,放射线照射装置的数据信息,如射束强度、射束通量、射束直径、照射路径等,和放射线照射装置与照射部位的位置关系也要依据扫描确定的照射部位来进行确定,然后根据上述数据信息建立屏蔽体三维模型。

屏蔽体53由屏蔽体三维模型数据输入3D打印机打印形成,将记录三维模型数据的STL格式文件输入到计算机系统中,并分层成二维切片数据,通过计算机控制的3D打印系统进行逐层打印,叠加后最终获得三维产品。屏蔽体53能够屏蔽放射线照射装置产生的射束对患者200正常组织的照射,射束经过屏蔽体53后作用到治疗台40上的患者200的肿瘤细胞M,屏蔽体53位于放射线照射装置和照射部位之间,优选的屏蔽体位于准直器或射束出口和照射部位之间。屏蔽体53的材料包括屏蔽中子的材料或屏蔽光子的材料中的至少一种。优选屏蔽体53为板状,直接固定在患者照射部位的体表,与患者待安装位置的体表外形相互匹配,易于正确安装,固定方式可以是粘附、带子或卡扣等。屏蔽体53具有中心通孔531,中心通孔531的直径与患者200体内的肿瘤细胞M在垂直于射束方向的最大尺寸的比值区间为1-2,在杀死肿瘤细胞的同时,最大限度的避免正常组织的损伤,中心通孔531的形状优选为肿瘤细胞M平行于射束方向的投影的外轮廓形状,中心通孔限定的直径即可以理解为该外轮廓形状的直径。可以理解,屏蔽体53也可以不具有中心通孔,而是在中心部分具有与其他部分不同的厚度或者整个屏蔽体都可以在不同的位置具有不同的厚度。屏蔽体53最大厚度的数值范围为3-20mm,外表面的面积范围为10-200cm2。由于采用3D打印,屏蔽体53能够依据不同被照射体的个体差异分别成型,且能够对复杂形状快速成型,能够获得更好的辐射屏蔽效果。在一些形状特殊的部位,屏蔽体53还可以为多个,方便安装。屏蔽体53还可以固定在治疗台或准直器或射束出口上,也可以将3D打印机与治疗台或准直器或射束出口相结合,确定相互位置关系后直接在对应位置打印出屏蔽体。通过医学影像扫描患者肿瘤部位,获得有针对性的3D打印屏蔽体,放射线经过屏蔽体后被衰减的比例可以达到≥50%,优选为≥80%,患者正常组织在硼中子捕获治疗过程中接受的辐射剂量小于18Gy。放射线经过屏蔽体后对正常组织的辐射深度与不经过屏蔽体相比的比例≤50%。屏蔽体53的材料、形状、结构可以设计的更为复杂,能够改变从准直器或射束出口出来的中子束的路径,使其与肿瘤细胞的立体形状相匹配,如中心通孔531在沿射束方向由不同的线段组成、屏蔽体53不同部分由不同的材料组成。

本实施例的基于医学影像的辐射屏蔽方法,包括如下步骤:

S1:通过医学影像扫描装置51扫描患者200照射部位,并输出所述照射部位的医学影像体素数据;

S2:数据处理及三维建模装置52根据S1得到的医学影像体素建立三维假体组织模型;

S3:数据处理及三维建模装置52根据S2得到的三维假体组织模型数据建立屏蔽体三维模型;

S4:将屏蔽体三维模型数据输入3D打印机打印屏蔽体53;

S5:将屏蔽体53进行安装定位。

步骤S3还包括采集或输入放射线照射装置的数据信息,如射束强度、射束通量、射束直径、照射路径等,及放射线照射装置与照射部位的位置关系,然后结合三维假体组织模型数据建立屏蔽体三维模型,并确定屏蔽体安装位置,在此过程中还可以根据实际情况进行人为的修正。

本实用新型的实施例中采用医学影像扫描装置可以获得患者照射部位的组织构成,从而有针对性的根据肿瘤细胞的形状、位置、大小等获得屏蔽体。可以理解,本实用新型也可以采用非医学影像扫描装置,如仅对患者体表形状进行扫描的三维影像扫描装置,从而获得患者照射部位外形的三维数据进行三维建模,进而获得与照射部位外形匹配的3D打印屏蔽体。

可以理解,本实用新型还可以应用于本领域技术人员熟知的其他需要对病变组织进行放射线照射,而又要保护正常组织免受或少受放射线辐射/照射的放射线治疗领域,则中子产生装置相应地替换为其他放射线产生装置,如质子产生装置、重离子产生装置、X射线产生装置或伽马射线产生装置等;也可以应用于其他能够用放射线照射进行治疗的疾病,如阿尔兹海默症、类风湿关节炎,则肿瘤细胞为其他病变组织。本实施例中的被照射体为癌症患者,可以理解,被照射体也可以为其他生物体,如哺乳动物。

本实用新型实施例中的位置关系,指的是沿射束传输路径的方向的位置关系,“后部”指沿射束方向的下游。

尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型,但应该清楚,本实用新型不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内,这些变化是显而易见的,都在本实用新型要求保护的范围之内。

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