在考虑目标体积的运动的情况下粒子照射的照射规划的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于照射规划的方法和装置以及具有粒子束的加速器设备。
【背景技术】
[0002] 利用重离子的肿瘤治疗在近数十年以来发展为一种已确立的用于治疗组织、尤其 是肿瘤疾病的方法。然而在此获得的经验也在纯技术领域中使用，如例如在研宄工作或产 品开发的范围内使用，其中使用无生命的材料。
[0003] 在这里所有已知方法的共同特征是，由加速器设备提供的汇集的粒子束借助高能 束流输送系统引导至一个或多个照射室或治疗室。在所述照射室中定位并且用粒子束照射 要照射的目标体积。
[0004] 已知的是，要照射的目标体积可以运动。例如可以在目标体积中设置有肺肿瘤，所 述肺肿瘤在病人呼吸时运动。例如为了研宄所述运动对粒子治疗的治疗结果的影响而可以 借助称为模拟器的、非存活的模型体复制所述运动并且用粒子束照射这样的模拟器。
[0005] 在粒子治疗的范围中的特别挑战是，实现在组织中沉积的照射剂量的尽可能均一 的分布。之所以在目标体积中的均一的剂量分布被特别关注是因为如下事实，即，处于目标 体积中的肿瘤的细胞从一定的阈值剂量才以足够的安全性死亡，但同时应该阻止对周围的 健康组织施加过量负载。这样始终困难的是，在许多单次照射剂量应该连续地在目标体积 中的不同目标点上沉积的照射方法中、亦即在扫描的粒子束中实现在所述目标体积中的该 希望的均一的剂量分布，如果目标体积在照射期间运动的话。因此在目标体积中的剂量分 布的均一性的改善始终是研宄的课题。
[0006]例如在扫描的粒子束中可能将要应用的辐射剂量分布到多个通道上，这称为"重 扫描"。在这里多重击中目标体积的目标点，从而要应用的总剂量连续地通过多个重复应用 的单次剂量在重扫描通道期间形成。以单次剂量重复地击中目标点能够实现：通过对单次 剂量的统计学平均来减少所述运动对目标体积中的总剂量分布的影响。换句话说，可能错 误地沉积的剂量可以在统计学上看被平均并且目标体积的运动在照射持续时间期间可以 至少部分地被补偿。
[0007]当然在此要考虑，正是目标体积的边缘区域无法那样清楚地与包围目标体积的材 料（例如健康组织）分离。为了确保尽可能在全部的目标体积中应用希望的理论剂量，典型 地导入围绕目标体积的安全边框，所述安全边框显著放大本来要照射的临床目标体积。但 由此可能必须照射健康组织，以便确保目标体积中的可靠的剂量范围。
[0008] 此外已知的是，在备选于重扫描方法使用的选通（Gating)方法的范围中追踪目 标体积的运动。
【发明内容】
[0009] 因此本发明的任务是，提供一种方法，所述方法简化目标体积的照射规划并且在 此减小或消除现有技术的上面提到的缺点。
[0010] 本发明的另一个任务是，使照射结果相对于目标体积的变化、尤其是运动较稳定。
[0011] 本发明应该还减少整个治疗或剂量应用的持续时间。
[0012] 最后本发明的任务是，较好地略过在目标体积周围相邻的材料（如尤其是健康组 织或要保护的器官），并且照射较少的健康组织。
[0013] 本发明的任务通过独立权利要求的主题解决。本发明有利的进一步构成在从属权 利要求中限定。
[0014] 在体中设置的目标体积的照射规划逐步构建用于利用粒子束的后期照射的照射 计划，并且利用本发明借助如下步骤限定：
[0015] 首先确定典型地设置在体中的目标体积。所述目标体积可以在此设置在无生命的 体中、例如材料样本、模拟器或试验结构中，亦或具有存活的材料、例如细胞样本或实验用 动物。尤其是肿瘤细胞处于目标体积中。当前使用的专业术语、例如目标体积、目标点、理论 剂量、剂量分布等在业内经常使用并且在作为手册公认的ICRU R印ort 50 (包括Addendum Report 62)中限定。
[0016] 目标体积在体和/或目标体积的运动的参考状态中被确定。换句话说，涉及运动 的目标体积，其中在目标体积的运动中可识别或可限定参考阶段。具有参考阶段的运动的 一个特别简单的示例是肺呼吸、亦即周期性呼吸运动。作为呼吸的参考阶段可以例如确定 呼气的结束或吸气的开始。例如呼吸周期对应于目标体积的运动的（要预先计划的）运动 阶段的总和。但也包括其他运动的目标体积，其中可限定运动的至少一个参考阶段并且因 此利用粒子束的照射与运动可相互关联。
[0017] 目标体积分成多个单独地可被粒子束击中的目标点。为了用粒子束单独地击中目 标体积的目标点，粒子束优选在将要从真空中排出时、亦即将要入射到目标体积上时以小 的方向变化转向。优选可以为此使用转向磁体、如本申请人的栅格扫描设备。
[0018] 换句话说，由具有限定的点距的目标点组成的点栅放置到目标体积中。优选地，点 距沿如下方向限定，所述方向对应于粒子束的纵向的主传播方向或横向于主传播方向的方 向。粒子束的主传播方向在此是这样的假想轴线，即，未转向的粒子束在该假想轴线上行 进。亦即点栅可以因而优选对应于笛卡尔坐标系，其中方向x* 7对应于关于粒子束的主 传播方向水平或垂直的垂线，并且此外方向z对应于粒子束在材料中的（纵向的）渗透深 度。
[0019] 在其中目标体积的目标点由粒子照射设施的粒子束以单次剂量照射的每个单次 照射过程中，粒子束的整个进入通道在目标体积所在的体中以称为预先剂量的剂量数照 射。在耗费的照射规划方法中，必须考虑所有产生的预先剂量并且将其考虑用于计算总剂 量。这样例如可以有利的是，首先照射目标体积的远侧端部，其中目标体积的较邻近的部分 已经被预先剂量加载。随后目标体积可以例如从反向被照射，从而目标体积的从该侧出发 的远侧部分获得另一个部分剂量。备选地可以在其他的重扫描通道中从相同的方向进一步 照射目标体积并且对较邻近的部分以较弱的剂量、亦即尤其是以较小的粒子数照射，从而 最后实现每个目标点的理论剂量并且目标体积中的总剂量尽可能均一地分布。在理想情况 中，在目标体积上的总剂量分布对应于阶跃函数。这当然在实际情况中只可困难地实现。
[0020] 目标点分别配置有理论剂量、即在相应的目标点上要沉积的照射剂量的计划或理 论值。换句话说，照射规划计算在相应的目标点上要沉积的理论剂量并且将结果写入照射 计划中。
[0021] 理论剂量此外分到一定数量的重扫描通道上，在这些重扫描通道中分别击中至少 一部分目标点。优选地，在粒子束的每个重扫描通道中击中所有目标点，必要时重扫描通道 也关于击中目标点而彼此相同。特别是当在每个重扫描通道中击中相同的目标点时或在相 同的重扫描通道中以有利的方式出现重扫描方法的统计学平均效果时。
[0022] 亦即换句话说，已经在照射规划中确定一定数量的重扫描通道，在这些重扫描通 道中分别击中目标体积的目标点。将理论剂量分到各重扫描通道上的显著的优点是，当在 应用剂量的后期过程中在其中一个目标点上例如发生目标体积的出乎意料的运动，由此要 应用的剂量不是在目标点上沉积而是错误地沉积时，则可以在统计学上通过先前的或后续 的重扫描通道至少部分地对其进行补偿。
[0023] 在简单的情况中，运动的目标体积的目标点方向相同地在体中运动，从而目标体 积基本上未变形地执行平移并且目标点的点栅格保持统一。但目标体积的目标点的运动也 可以相对于彼此进行。例如目标体积可以延伸、挤压、伸展或以其他方式变形，并且目标体 积或周围的材料中的密度起伏也可能对于粒子束的渗透深度是重要的，从而目标点对应移 动。也考虑平移与目标体积的变形的叠加并且其同样理解为目标体积的运动。
[0024] 以有利的方式提供一种运动模型，其允许推断目标体积的预期运动和/或目标体 积的目标点的运动。作为用于确定运动模型的基础可以考虑病人模型、数学（运动）函数、 4D计算机X射线断层术和/或呼吸研宄。呼吸研宄可以在单个目标体积或整列目标体积、 例如以病人调查的形式确定，从而可预先计算目标体积（例如肺肿瘤）的目标点的平均预 期运动。用于确定运动模型的其他基础也允许预先计算目标体积的目标点的平均预期运 动。尤其是为了确定运动模型，由预期运动状态考虑剂量数的加权平均。
[0025] 预告目标体积的目标点的运动的运动模型可以考虑用于在照射规划的范围中检 测无运动的理论剂量与在考虑运动的情况下预期的剂量沉积的偏差。这意味着：运动模 型的评估已经在照射的准备阶段、亦即在照射规划的范围中，可以在利用扫描的粒子束的 重扫描方法的情况中提高剂量沉积的均一性和/或统一性、即剂量沉积的边缘锐度。以有 利的方式，也在识别运动阶段方面考虑运动模型并且利用粒子束的照射与至少一个运动阶 段、尤其是参考阶段在时间上相互关联。这样可以保持重扫描方法相对于备选方法的优点、 即时间节省，其方式为照射的时间段至少具有多个运动阶段或甚至具有目标体积的整个运 动过程。借助重扫描可取得的剂量分布的均一性以及目标体积边缘区域中的剂量沉积的锐 度、统一性能够此外得以显著改善，从而可以减小或甚至可以完全取消围绕目标体积的安 全边框，所述安全边框在必要时必须安放在健康组织中或甚至在风险器官（OAR，Organs At Risk)中。
[0026] 通过将照射与目标体积的目标点的运动相关联，可以考虑目标体积的目标点的预 期平均运动，其方式为，基于发现的偏差校正在每个目标点上的理论剂量。详细而言，理论 剂量能够例如通过改变在目标点上要沉积的粒子数来设定，其中，总粒子数分到各