专利名称：在线治疗前放疗计划验证系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种在线治疗前放疗计划验证系统及方法，更具体的说，尤其涉及一种设置有避免对患者照射的可移动挡板、且通过定位CT图像和在线锥形束CT图像生成的融合图像进行剂量验证的在线治疗前放疗计划验证系统及方法。
背景技术：
三维适形调强放射治疗已经广泛应用于放疗临床。三维适形调强放疗计划通常可以使靶区边缘的剂量跌落更加“陡峭”，亦即具有更大的剂量梯度，从而使得放疗剂量分布在保证靶区处于高剂量区的同时，还能使靶区周围的关键正常器官和组织(危及器官)处于低剂量区。然而，高剂量区“陡峭”的边缘也意味着计划时和治疗时微小的差异都可能使部分靶区脱离高剂量区，或使紧邻的危及器官遭受过量辐射。
导致计划时和治疗时差异的原因包括治疗过程中肿瘤和危及器官的位置和形状变化以及它们之间相对位置关系的变化、患者的摆位误差、电动多叶准直器叶片的运动误差、计划系统的剂量计算误差和计划传输过程中造成的误差等等。因此，放疗计划的验证就显得格外重要。通常，放疗计划的验证分为两个部分，一是放疗计划的传输验证，另一部分是放疗计划的剂量验证。目前，放疗计划的剂量验证通常需要将放疗计划投放到包含有剂量检测装置的模体中。比较实际检测到的剂量和在计划系统中计算得到的该计划在模体对应位置的剂量，以对该计划进行剂量验证。上述剂量验证基于的假设是，如果计划系统在模体中计算的该计划的剂量是正确的，那么计划系统在患者体内计算的该计划的剂量也是正确的。模体中包含的剂量检测装置可以是电离室等点剂量检测装置，也可以是胶片等二维剂量检测装置。对于三维适形调强放疗计划，需要二维甚至三维的剂量验证。对于胶片等二维剂量检测装置，在曝光后还需要将模拟图像数字化，并根据标定表将数字图像转化为绝对剂量。对于每一批胶片，其标定表都需要重新测定，这使得基于胶片的剂量测定很不方便。因此，人们开发了许多基于电离室阵列、半导体平板探测器的剂量验证系统。这些检测装置可以设置在剂量检测位置，检测到的信号根据标定表被直接转化为绝对剂量，从而得到检测平面二维剂量分布；这些检测装置也可以设置在模体或患者前(比如安装在加速器机头上的平板探测器)或模体或患者后(比如集成在加速器上的电子射野成像装置)，检测到的信号先被转化为检测平面的通量分布，再根据这些通量分布重新计算模体或患者体内的剂量分布。和胶片相比，这些检测装置和附属的机械装置使得剂量验证更加方便。但在实际的应用过程中，由于放疗过程中肿瘤及其周围器官、组织的形状和位置关系常常因为肿瘤的增长或退缩、吞咽动作、呼吸运动、心跳、胃肠道和膀胱的充盈和蠕动等原因而产生变化，而在定位CT (一般为扇形束CT)上制定的放疗计划考虑的只是定位CT采集时肿瘤和危及器官的位置和形状，无法考虑治疗时的变化。因此，一些放疗计划系统厂商和实验室开发出了基于在线影像的在线修改放疗计划的方法，以使修改的放疗计划适应肿瘤和危及器官的变化。但是对于在线修改的放疗计划，从修改得到新计划到新计划实施的过程中，患者始终被固定在治疗床上，这使得上述剂量验证方法都无法实施，即现有设备无法对患者肿瘤部分的辐射剂量进行照射前的评估。如何在不让患者受到额外辐射的前提下，完成在线修改后产生的放疗计划的治疗前验证是一个临床上急需解决的问题。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种设置有避免对患者照射的可移动挡板、且通过定位CT图像和在线锥形束CT图像生成的融合图像进行剂量验证的在线治疗前放疗计划验证系统及方法。本发明的在线治疗前放疗计划验证系统，包括起固定和支撑作用的机架、固定于机架中间部位的锥形束CT采集装置、设置于机架顶部的用于产生射线的加速器机头以及具有数据处理和控制功能的放疗计划验证工作站，锥形束CT采集装置用于采集患者的锥形束CT图像；所述加速器机头的下方设置有用于检测射野通量分布信息的二维探测器，机架上设置有用于检测加速器机架角度信息的机架角度传感器；所述锥形束CT采集装置、二维探测器、机架角度传感器均与放疗计划验证工作站相通讯；其特别之处在于所述二维 探测器的下方设置有固定于加速器机头上的可阻挡射线穿过的可移动挡块，可移动挡块可阻挡加速器机头发出的射线照射到患者上。锥形束CT采集装置用于采集患者的锥形束CT图像，加速器机头用于产生对患者进行治疗的放射线；二维探测器可采集射野内的通量分布数据，机架角度传感器用于检测加速器机架的转动角度。放疗计划验证工作站具有信息采集、数据处理和控制信号输出的作用，以便实现与锥形束CT采集装置、二维探测器、可移动挡板、机架角度传感器的通讯。可移动挡板设置于加速器机头与患者之间，可阻挡放疗射线穿过；这样，实现了患者不受额外辐射的前提下，完成对在线修改的放疗计划的治疗前验证。本发明的在线治疗前放疗计划验证系统，所述可移动挡块分为两块，两块可移动挡块分别固定在不同的吊臂上；加速器机头的下方设置有滑轨，吊臂可移动地设置在滑轨上；吊臂上设置有可驱使两块可移动挡块沿滑轨运动的吊臂驱动装置，吊臂驱动装置与放疗计划验证工作站相通讯。吊臂驱动装置可驱使两块可移动挡块分开和闭合，当移动挡块闭合时，射线不能透过可移动挡块照射到患者上；当对患者治疗时，将两可移动挡块分开，以便射线照射到患者的病患处，对患者进行治疗。本发明的在线治疗前放疗计划验证系统，所述二维探测器、可移动挡块和机架角度传感器通过可进行数据处理和控制信号输出的嵌入式处理单元与放疗计划验证工作站相连接；嵌入式处理单元的输出端还与吊臂驱动装置相连接。通过嵌入式处理单元对二维探测器、可移动挡块、机架角度传感器进行通讯，有效地实现了对二维探测器的控制和信息采集，控制可移动挡板进行自动开闭，对机架角度传感器输出信息的采集。本发明的在线治疗前放疗计划验证系统，所述二维探测器为可透射的二维探测器阵列或非晶硅平板探测器。非晶硅平板探测器具有更高的几何分辨率。本发明的在线治疗前放疗计划验证方法，其特别之处在于，包括以下步骤
a.获取定位CT图像，通过对患者的病患处进行扫描，获取扇形束CT图像，作为定位图像；b.制定放疗计划，根据步骤a中获取的定位CT图像，针对患者的病患处制定放疗计划；
c.放疗摆位，每次对患者放疗时，将其固定于放疗设备下方的治疗床上；d.获取在线锥形束CT图像，利用锥形束CT采集装置采集患者病患处的锥形束CT图像，并将图像信息传输至放疗计划验证工作站；e.阻断放疗射线对患者的照射，将可移动挡块置于加速器机头与患者之间，以避免在验证过程中射线对患者产生照射；f.获取射野通量分布信息，在相应的机架角度下，通过二维探测器对射野内通量分布信息进行采集；机架角度传感器采集的角度信息、二维探测器采集的射野数据信息均传送至放疗计划验证工作站中；g.生成融合图像，利用定位CT图像和在线锥形束CT图像生成具有准确电子密度信息和解剖结构信息的融合图像；h.计算剂量分布，将步骤f中各个机架角度下射野内的通量分布作用到融合图像上，计算得到在患者体内产生的剂量分布根据步骤h中计算出的剂量分布，对当前在线放疗计划进行评估，以确保放疗计划在患者当前状态下的正确实施。步骤a中获取定位CT为扇形束CT图像，具有较佳的电子密度信息，适合作为放疗定位CT图像用于放疗剂量计算；步骤d中，获取的在线锥形束CT图像为每次治疗时采集的，提供了照射前患者患处的解剖结构信息；由于是对在线治疗前放疗计划的验证，因此在步骤e增设了可移动挡板，以便阻断放疗射线对患者的照射。步骤f中，通过二维探测器、机架角度传感器分别采集射野数据信息、机架角度信息；步骤g中生成的融合图像，同时具 有定位CT的电子密度信息和在线锥形束CT图像反映的照射前解剖结构信息。步骤h计算剂量分布，以便对当前放疗计划进行评估。本发明的有益效果是本发明的验证系统，通过设置用于在线锥形束CT图像采集的装置、用于射野内通量分布信息采集的二维探测器，实现了锥形束CT图像、射野数据的采集；并通过增设可移动挡板，阻挡了射线对患者的照射，有效地实现了对在线治疗前放疗计划的验证，便于制定出更加符合患者照射前状况的放疗计划。本发明的验证方法，通过放疗定位CT图像与照射前提取的在线锥形束CT图像的生成具有准确电子密度信息和即时解剖结构信息的融合图像，再根据在线采集的射野内剂量数据、机架角度信息计算处剂量分布，以便修正出更加符合实际的治疗计划。本发明的验证系统和验证方法，避免了以往采用模体进行放疗计划验证的不足，有效地实现了在线治疗前放疗计划的验证；即使放疗过程中肿瘤及其周围器官、组织的形状和位置因肿瘤的增长或退缩、炎性反应和膀胱的充盈等原因而产生变化，本发明的验证系统和验证方法也可做出准确的验证。
图I为实施例I中各部分的通讯原理 图2为实施例I的验证系统处于验证状态的结构 图3为实施例I的验证系统处于治疗状态的结构 图4为实施例2中各部分的通讯原理 图5为实施例2的验证系统处于验证状态的结构 图6为实施例2的验证系统处于治疗状态的结构图。图中1锥形束CT采集装置，2放疗计划验证工作站，3可透射的二维探测器阵列，4可移动挡块，5机架角度传感器，6加速器机头，7滑轨，8吊臂，9患者，10治疗床，11机架，12嵌入式处理单元，13非晶硅平板探测器。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。实施例1，如图I和图2所示，分别给出了本实施例中各部分的通讯原理图、验证系统处于验证状态的结构图，其包括机架11、锥形束CT采集装置I、放疗计划验证工作站2、可透射的二维探测器阵列3、可移动挡块4、机架角度传感器5、加速器机头6、滑轨7、吊臂8、治疗床10。所示的机架11起固定和支撑作用，锥形束CT采集装置I设置于机架11中间部位的两侧，实现对患者锥形束CT图像的采集；加速器机头6设置在机架11的顶部，内置对患者进行照射的射线源。可透射的二维探测器阵列3位于加速器机头6的下方，用于采集射野内的剂量数据。所示的滑轨7设置在加速器机头6的下方，吊臂8设置在滑轨上；在吊臂驱动装置的作用下，吊臂8可沿滑轨7进行运动。可移动挡块4分为两块，分别与不同的吊臂8相连接，这样，可移动挡块4就位于可透射的二维探测器阵列3与患者之间；在吊臂8沿不同方向运动时，两块可移动挡块4可实现分开和闭合。当移动挡块分闭合时，射线不能透过可移 动挡块照射到患者上；当两可移动挡块分开时，射线可照射到患者的病患处，对患者进行治疗。如图I所示，锥形束CT采集装置I在线采集患者的容积图像，并将其传输到放疗计划验证工作站2中。放疗计划验证工作站2发送可透射的二维探测器阵列的采集控制信号到可透射的二维探测器阵列3，可透射的二维探测器阵列3将采集到的射野数据传送回放疗计划验证工作站2。放疗计划验证工作站2发送挡块的运动控制信号到可移动挡块4，可移动挡块4则将当前的挡块位置信息传送回放疗计划验证工作站2。机架角度传感器5同时将采集的机架角度信息传送回放疗计划验证工作站2。这样，锥形束CT采集装置I、可透射的二维探测器阵列3、可移动挡块4、机架角度传感器5在放疗计划验证工作站2的控制下，实现了信息采集、控制信号输出以及数据处理功能。在使用的过程中，首先将患者9固定在治疗床10上，并进行摆位。锥形束CT采集装置I在线采集患者容积图像，并将其传输到放疗计划验证工作站2中。在线治疗前计划验证时，吊臂8在吊臂驱动装置的驱动下沿固定在加速器机头6上的滑轨7将可移动挡块4移动到射线源和患者9之间。加速器按当前的放疗计划逐个射野的进行通量分布，此实施例中的放疗计划仅限于那些剂量投放时机架不旋转的放疗计划，比如基于电动多叶光栅的静态调强放疗计划和动态调强放疗计划。对于计划中的每一个射野，可透射的二维探测器阵列3都采集对应的二维射野数据；机架角度传感器5则将采集的每个射野的实际机架角度信息传送到放疗计划验证工作站中，而可移动挡块4则阻挡穿过可透射的二维探测器阵列3的射线，避免其照射到患者9。在计划中所有射野数据都采集完，通过放疗计划验证工作站2运行在线治疗前放疗计划，就可以根据射野数据，对多叶光栅、钨门或其它限束装置的实施准确性进行验证。根据定位CT图像、在线锥形束CT图像、放疗计划、每个射野的射野数据和其对应的机架角度，计算该放疗计划在该患者体内的剂量分布，以进行剂量验证，具体可以按照以下步骤进行
a.获取定位CT图像，通过对患者的病患处进行扫描，获取扇形束CT图像，作为定位图
像；b.制定放疗计划，根据步骤a中获取的定位CT图像，针对患者的病患处制定放疗计
划；
c.放疗摆位，每次对患者放疗时，将其固定于放疗设备下方的治疗床10上；
d.获取在线锥形束CT图像，利用锥形束CT采集装置I采集患者病患处的锥形束CT图像，并将图像信息传输至放疗计划验证工作站；
e.阻断放疗射线对患者的照射，将可移动挡块4置于加速器机头6与患者9之间，以避免在验证过程中射线对患者产生照射；
f.获取射野通量分布信息，在相应的机架角度下，通过二维探测器对3射野内通量分布信息进行采集；机架角度传感器5采集的角度信息、二维探测器采集的射野数据信息均传送至放疗计划验证工作站中；
g.生成融合图像，利用定位CT图像和在线锥形束CT图像生成具有准确电子密度信息和解剖结构信息的融合图像；融合图像生成的过程中可以采用变形配准，其可以采用基于密度信息的Demons算法、也可以采用基于梯度信息的配准算法；
h.计算剂量分布，将步骤f中各个机架角度下射野内通量分布作用到融合图像上，计算得到在患者体内产生的剂量分布；在剂量分布的计算过程中，可以采用GPU加速的蒙特卡洛算法来实现；
i.根据步骤h中计算出的剂量分布，对当前在线放疗计划进行评估，以确保放疗计划在患者当前状态下的正确实施。在计划验证完成后，进行患者治疗时，如图3所示，吊臂8在吊臂驱动装置的驱动下沿滑轨7向两侧运动，将可移动挡块4移出射线源与患者9之间，使放射治疗正常进行。因为可透射二维探测器3对射线的吸收和散射很小，所以可以不必移动。实施例2，如图4和图5所示，分别给出了实施例2的各部分的通讯原理图、验证系统处于验证状态的结构图，除了增加了一个嵌入式处理单元12和二维探测器用非晶硅平板探测器13替换外，其余的结构均与实施例I中的相同。由于非晶硅平板探测器13具有更小的几何分辨率，利于保证测量结果的准确性。嵌入式处理单元12负责统一管理可移动的非晶硅平板探测器13、可移动挡块4、机架角度传感器5与放疗计划验证工作站2之间的数据传递。
放疗计划验证工作站2发送给嵌入式处理单元12的数据包括非晶硅平板探测器13的运动和采集控制信号以及可移动挡块4的运动控制信号，嵌入式处理单元12回传给放疗计划验证工作站2的数据包括非晶硅平板探测器13采集的射野图像和其对应的机架角度、非晶硅平板探测器13的位置信息和可移动挡块4的位置信息。嵌入式处理单元12发送非晶硅平板探测器13的运动和采集控制信号到可移动的非晶硅平板探测器13，可移动的非晶硅平板探测器13则将采集到的射野图像和平板探测器的位置信息进行回传。放疗前，与实施例I相同，先进行患者摆位和在线锥形束CT图像采集。在实施在线治疗前计划验证时，吊臂8在吊臂驱动装置的驱动下沿固定在加速器机头6上的滑轨7将非晶硅平板探测器13和可移动挡块4移动到射线源和患者9之间。加速器机头6按当前的放疗计划进行剂量投放。对于旋转调强放疗计划，非晶硅平板探测器13按指定的时间间隔采集射野图像，同时嵌入式处理单元12实时读取射野图像采集时其对应的机架角度，而可移动挡块4则阻挡穿过非晶硅平板探测器13的射线，避免其照射到患者9。
在用来验证的当前放疗计划投放完后,运行在线治疗前放疗计划验证工作站2上的在线治疗前放疗计划验证系统，就可以根据采集到的射野图像及其对应的机架角度，对剂量率、机架旋转速度、多叶光栅、钨门或其它限束装置的实施准确性进行验证。在线治疗前放疗计划验证软件还可以根据定位CT图像、在线锥形束CT图像、放疗计划、每个射野的射野图像和其对应的机架角度，计算该放疗计划在患者体内的剂量分布，以进行剂量验证，其具体步骤与实施例I中的剂量验证方法相同。在计划验证完成后，进行患者治疗时，如图6所示，吊臂8在吊臂驱动装置的驱动 下沿滑轨7向两侧运动，将可移动挡块4移出射线源与患者9之间，使放射治疗可以正常进行。
权利要求
1.一种在线治疗前放疗计划验证系统，包括起固定和支撑作用的机架(11)、固定于机架中间部位的锥形束CT采集装置(I)、设置于机架顶部的用于产生射线的加速器机头(6)以及具有数据处理和控制功能的放疗计划验证工作站(2)，锥形束CT采集装置用于采集患者的锥形束CT图像；所述加速器机头的下方设置有用于检测射野通量分布信息的二维探测器，机架上设置有用于检测加速器机架角度信息的机架角度传感器(5);所述锥形束CT采集装置、二维探测器、机架角度传感器均与放疗计划验证工作站相通讯；其特征在于所述二维探测器的下方设置有固定于加速器机头上的可阻挡射线穿过的可移动挡块(4)，可移动挡块可阻挡加速器机头发出的射线照射到患者上。
2.根据权利要求I所述的在线治疗前放疗计划验证系统，其特征在于所述可移动挡块(4)分为两块，两块可移动挡块分别固定在不同的吊臂(8)上；加速器机头(6)的下方设置有滑轨(7)，吊臂可移动地设置在滑轨上；吊臂上设置有可驱使两块可移动挡块沿滑轨运动的吊臂驱动装置，吊臂驱动装置与放疗计划验证工作站相通讯。
3.根据权利要求2所述的在线治疗前放疗计划验证系统，其特征在于所述二维探测器、可移动挡块(4)和机架角度传感器(5)通过可进行数据处理和控制信号输出的嵌入式处理单元(12)与放疗计划验证工作站(2)相连接；嵌入式处理单元的输出端还与吊臂驱动装置相连接。
4.根据权利要求2或3所述的在线治疗前放疗计划验证系统，其特征在于所述二维探测器为可透射的二维探测器阵列(3)或非晶硅平板探测器(13)。
5.一种基于权利要求I所述验证系统的在线治疗前放疗计划验证方法，其特征在于，包括以下步骤 a.获取定位CT图像，通过对患者的病患处进行扫描，获取扇形束CT图像，作为定位图像； b.制定放疗计划，根据步骤a中获取的定位CT图像，针对患者的病患处制定放疗计划； c.放疗摆位，每次对患者放疗时，将其固定于放疗设备下方的治疗床(10)上； d.获取在线锥形束CT图像，利用锥形束CT采集装置(I)采集患者病患处的锥形束CT图像，并将图像信息传输至放疗计划验证工作站； e.阻断放疗射线对患者的照射，将可移动挡块(4)置于加速器机头(6)与患者(9)之间，以避免在验证过程中射线对患者产生照射； f.获取射野通量分布信息，在相应的机架角度下，通过二维探测器对射野内通量分布信息进行采集；机架角度传感器(5)采集的角度信息、二维探测器采集的射野数据信息均传送至放疗计划验证工作站中； g.生成融合图像，利用定位CT图像和在线锥形束CT图像生成具有准确电子密度信息和解剖结构信息的融合图像； h.计算剂量分布，将步骤f中各个机架角度下射野内的通量分布作用到融合图像上，计算得到在患者体内产生的剂量分布； i.根据步骤h中计算出的剂量分布，对当前在线放疗计划进行评估，以确保放疗计划在患者当前状态下的正确实施。
全文摘要
本发明的在线治疗前放疗计划验证系统，包括机架、锥形束CT采集装置、加速器机头和放疗计划验证工作站，加速器机头的下方设有二维探测器，机架上设置有角度传感器；特征在于所述二维探测器的下方设置有固定于加速器机头上的可阻挡射线穿过的可移动挡块。本发明的方法包括a.获取定位CT图像；b.制定放疗计划；c.放疗摆位；d.获取在线锥形束CT图像；e.阻断放疗射线对患者的照射；f.获取射野通量分布信息；g.生成融合图像；h.计算剂量分布；i.评估放疗计划。本发明的验证系统和方法，避免了以往验证装置和方法的不足，阻挡了射线对患者的照射，有效地实现了对在线治疗前放疗计划的验证。
文档编号A61N5/00GK102824693SQ20121027290
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月2日 优先权日2012年8月2日
发明者李宝生, 梁月强, 李洪升 申请人:李宝生, 梁月强