基于时间序列的质子或重离子放射治疗剂量实时监测方法与流程

本发明属于核医学影像领域，特别涉及一种基于时间序列的质子或重离子放射治疗剂量实时监测方法。

背景技术：

放射治疗是当前癌症治疗的有效手段之一。其目的在于输送处方剂量的放射线至肿瘤靶区，同时尽量降低周围正常组织的剂量沉积。相比于X射线或伽马射线等光子放射治疗手段，质子或重离子放射治疗的优势在于其剂量沉积空间分布存在极大值位置，即布拉格峰位置。利用质子或重离子布拉格峰位置处最大剂量沉积的特性能够有效提高肿瘤靶区的剂量沉积并显著降低周围正常组织的剂量沉积。

逐点扫描模式是当前质子或重离子放射治疗的主流应用模式。在该种扫描模式下，计算机将肿瘤靶区分割为多个肿瘤靶区点，高能质子或重离子笔形束沿直线径迹运动照射肿瘤靶区并在其运动径迹上损失能量实现剂量沉积。通过控制质子或重离子笔形束的能量和方向能够使得其在直线运动径迹上剂量沉积分布的布拉格峰位置位于肿瘤靶区所要输送处方剂量的肿瘤靶区点，从而实现对肿瘤靶区的逐点扫描。

对逐点扫描模式的质子或重离子放射治疗过程中质子或重离子剂量沉积空间分布进行实时监测是实现肿瘤靶区目标处方剂量精准沉积的有效手段。已有研究表明，质子或重离子笔形束入射肿瘤靶区发生核反应产生的瞬发伽马光子的空间分布与质子或重离子剂量沉积的空间分布具有较强的相关性，因此对质子或重离子剂量沉积空间分布的监测可通过对瞬发伽马光子空间分布进行成像实现。

为了实现瞬发伽马光子空间分布的获取，传统伽马光子成像方法通常需要以一定角度采样间隔采集瞬发伽马光子在伽马光子探测器上的投影；为了保证所获取的瞬发伽马光子空间分布的精确性，传统伽马光子成像方法需要考虑空间采样角度的完备性，即采样角度覆盖范围需达到180°以上，伽马光子探测器探头往往需要旋转等操作以实现采样角度的覆盖范围，因此现有的伽马光子成像系统设计较复杂。另一方面，传统伽马光子成像方法并不会记录所探测瞬发伽马光子的时间信息，而是将不同时间序列采集的伽瞬发马光子投影组合在一起重建瞬发伽马光子空间分布，因而所重建的瞬发伽马光子空间分布易受瞬发伽马光子计数统计噪声的影响，导致质子或重离子剂量沉积空间分布的监测精度有限。

技术实现要素：

本发明的目的旨在从逐点扫描模式的质子或重离子放射治疗过程中的时间特性上解决上述问题，本发明公开一种基于时间序列的质子或重离子放射治疗剂量实时监测方法，该方法可提高质子或重离子剂量沉积监测的精确性，并简化伽马光子成像系统的设计。

本发明提出的一种基于时间序列的质子或重离子放射治疗剂量实时监测方法，其特征在于，该方法根据质子或重离子放射治疗系统产生的质子或重离子笔形束逐点扫描不同肿瘤靶区点的时间信息，瞬发伽马光子成像系统根据该时间信息提取不同时间序列的瞬发伽马光子事件，并由每一个时间序列的瞬发伽马光子事件生成对应肿瘤靶区点扫描过程所产生的瞬发伽马光子投影序列，根据每一个肿瘤靶区点扫描过程中质子或重离子笔形束的入射位置和方向信息计算该质子或重离子笔形束的直线运动径迹，基于瞬发伽马光子仅在该直线运动径迹及其附近产生的空间分布的先验信息，利用单帧或少数几个投影角度下的瞬发伽马光子投影重建每一个肿瘤靶区点扫描过程的瞬发伽马光子空间分布，根据瞬发伽马光子空间分布与质子或重离子剂量沉积空间分布的相关性由重建的瞬发伽马光子空间分布计算相应肿瘤靶区点扫描过程质子或重离子的剂量沉积空间分布，将所有肿瘤靶区点扫描过程的质子或重离子剂量沉积空间分布叠加后获取该次放射治疗过程的质子或重离子总的剂量沉积空间分布，从而实现对质子或重离子放射治疗过程剂量的实时监测。

上述基于时间序列的成像方法的具体步骤如下：

(1)设定肿瘤靶区点的分布和个数；设定用于甄别来自不同肿瘤靶区点扫描过程的瞬发伽马光子的时间阈值t；预先生成对应每一个肿瘤靶区点的瞬发伽马光子投影序列；

(2)质子或重离子放射治疗系统产生高能质子或重离子笔形束，该高能质子或重离子笔形束根据设定的肿瘤靶区点逐点扫描肿瘤靶区，在此过程中所述质子或重离子笔形束在其运动径迹上与扫描对象发生核反应产生瞬发伽马光子；

(3)质子或重离子放射治疗系统根据步骤(1)设定的肿瘤靶区点个数判断放射治疗扫描过程是否完成；若未完成，则执行步骤(4)；若已完成，则执行步骤(6)；

(4)瞬发伽马光子成像系统根据其所探测的信号判断当前是否探测到所述瞬发伽马光子，若未探测到，则执行步骤(3)；若探测到，计算当前瞬发伽马光子探测时间与上一个瞬发伽马光子探测时间的时间差：若所述时间差小于等于步骤(1)设定的时间阈值t，则将当前所探测到的瞬发伽马光子记录到当前瞬发伽马光子的投影序列中，并执行步骤(3)；若所述时间差大于步骤(1)设定的时间阈值t，则将当前所探测到的瞬发伽马光子记录到下一个投影序列中，执行步骤(5)；

(5)根据质子或重离子放射治疗系统提供的上一个肿瘤靶区点扫描过程中质子或重离子笔形束的入射位置和方向信息计算质子或重离子笔形束的运动径迹，由瞬发伽马光子仅在该运动径迹及其附近产生的空间分布先验信息，并基于上一个瞬发伽马光子投影序列重建上一个肿瘤靶区点扫描过程中产生的瞬发伽马光子空间分布，根据瞬发伽马光子空间分布与质子或重离子剂量沉积空间分布的相关性由重建的瞬发伽马光子空间分布计算上一个肿瘤靶区点扫描过程中质子或重离子剂量沉积空间分布；执行步骤(3)；

(6)依据步骤(5)中的方式计算最后一个肿瘤靶区点扫描过程质子剂量沉积空间分布，将所有肿瘤靶区点的扫描过程中质子或重离子剂量沉积空间分布叠加得到所有肿瘤靶区点的扫描过程的总的质子或重离子剂量沉积空间分布。

本发明的特点及有益效果：

本发明的基于时间序列的质子或重离子放射治疗过程剂量监测成像方法有效地利用了瞬发伽马光子空间分布的先验信息：在逐点扫描模式的质子或重离子放射治疗过程中，瞬发伽马光子空间分布具有较强的先验信息，即瞬发伽马光子只在质子或重离子笔形束的直线运动径迹上及运动径迹附近产生；质子或重离子放射治疗系统调节质子或重离子笔形束的能量和方向依次逐点扫描肿瘤靶区点，而扫描不同肿瘤靶区点时质子或重离子笔形束的运动径迹不同，因此不同时间段的瞬发伽马光子空间分布的先验信息不同，故可根据瞬发伽马光子的时间信息区分瞬发伽马光子来源于哪一个肿瘤靶区点的扫描过程，即可根据不同时间序列所探测的瞬发伽马光子生成对应每一个肿瘤靶区点扫描过程的瞬发伽马光子的投影序列，从而有效地利用瞬发伽马光子空间分布的先验信息。

因此一方面能够有效地降低计数统计噪声的影响，提高瞬发伽马光子空间分布的重建精度，进而提高质子或重离子剂量沉积监测的精确性；另一方面，在有效利用瞬发伽马光子空间分布先验信息的前提下，仅采用单帧或少数几个角度下的瞬发伽马光子投影即可重建瞬发伽马光子空间分布图像，伽马光子成像系统的设计也能得到大大简化。

附图说明

图1是本发明基于时间序列的质子或重离子放射治疗剂量实时监测方法的流程图；

图2是本发明实施例采用本发明方法的平台组成示意图。

具体实施方式

本发明的基于时间序列的质子或重离子放射治疗剂量实时监测方法结合附图及一个实施例详细说明如下：

本发明的基于时间序列的质子或重离子放射治疗剂量实时监测方法，其特征在于，根据质子或重离子放射治疗系统产生的质子或重离子笔形束逐点扫描不同肿瘤靶区点的时间信息，瞬发伽马光子成像系统根据该时间信息提取不同时间序列(所述时间序列代表一段连续的时间段，该时间段的长短由质子或重离子放射治疗系统扫描相应肿瘤靶区点的持续时间决定，即每一个时间序列对应一个肿瘤靶区点的扫描过程)的瞬发伽马光子事件，由每一个时间序列的瞬发伽马光子事件生成对应肿瘤靶区点扫描过程所产生的瞬发伽马光子投影序列，根据每一个肿瘤靶区点扫描过程中质子或重离子笔形束的入射位置和方向信息计算该质子或重离子笔形束的直线运动径迹，基于瞬发伽马光子仅在质子或重离子笔形束的运动径迹及其附近产生的先验信息利用单帧或两个投影角度(投影角度的个数也可多于两个，使得监测精度更高)下的瞬发伽马光子投影重建每一个肿瘤靶区点扫描过程的瞬发伽马光子空间分布，根据瞬发光子空间分布与质子或重离子剂量沉积空间分布的相关性由重建的瞬发伽马光子空间分布计算相应肿瘤靶区点扫描过程质子或重离子的剂量沉积空间分布，将所有肿瘤靶区点扫描过程的质子或重离子剂量沉积空间分布叠加即可获取该次放射治疗过程的质子或重离子总的剂量沉积空间分布，从而实现对质子或重离子放射治疗过程的实时剂量监测。

上述基于时间序列的质子或重离子放射治疗剂量实时监测方法的流程如图1所示，其具体步骤如下：

(1)设定肿瘤靶区点的分布和个数；设定用于甄别来自不同肿瘤靶区点扫描过程的瞬发伽马光子的时间阈值t，阈值t根据放射治疗计划设定的放射治疗系统扫描相邻肿瘤靶区点的时间间隔选取，通常在几个毫秒量级；预先生成对应每一个肿瘤靶区点的瞬发伽马光子投影序列；

(2)质子或重离子放射治疗系统产生高能质子或重离子笔形束，该高能质子或重离子笔形束根据放射治疗计划设定的肿瘤靶区点逐点扫描肿瘤靶区，在此过程中所述质子或重离子笔形束在其运动径迹上与扫描对象发生核反应产生瞬发伽马光子；

(3)质子或重离子放射治疗系统根据步骤(1)设定的肿瘤靶区点个数判断放射治疗扫描过程是否完成，即判断所有设定的肿瘤靶区点是否均被高能质子或重离子笔形束扫描；若未完成，则执行步骤(4)；若已完成，则执行步骤(6)；

(4)瞬发伽马光子成像系统根据其所探测的信号判断当前是否探测到所述瞬发伽马光子，若未探测到，则执行步骤(3)；若探测到，计算当前瞬发伽马光子探测时间与上一个瞬发伽马光子探测时间的时间差：若所述时间差小于等于步骤(1)设定的时间阈值t，表明当前所探测到的瞬发伽马光子与上一个所探测到的瞬发伽马光子来源于同一个肿瘤靶区点的扫描过程，则将当前所探测到的瞬发伽马光子记录到当前瞬发伽马光子的投影序列中，并执行步骤(3)；若所述时间差大于步骤(1)设定的时间阈值t，表明质子或重离子放射治疗系统已经开始了下一个肿瘤靶区点的扫描，即当前所探测到的瞬发伽马光子与上一个所探测到的瞬发伽马光子来源于相邻的两个肿瘤靶区点的扫描过程，则将当前所探测到的瞬发伽马光子记录到下一个投影序列中，执行步骤(5)；

(5)根据质子或重离子放射治疗系统提供的上一个肿瘤靶区点扫描过程中质子或重离子笔形束的入射位置和方向信息计算质子或重离子笔形束的运动径迹，由瞬发伽马光子仅在该运动径迹及其附近产生的空间分布先验信息，并基于上一个瞬发伽马光子投影序列重建上一个肿瘤靶区点扫描过程中产生的瞬发伽马光子空间分布，根据瞬发伽马光子空间分布与质子或重离子剂量沉积空间分布的相关性由重建的瞬发伽马光子空间分布计算上一个肿瘤靶区点扫描过程中质子或重离子剂量沉积空间分布；执行步骤(3)；

(6)依据步骤(5)中的方式计算最后一个肿瘤靶区点扫描过程质子剂量沉积空间分布，将所有肿瘤靶区点的扫描过程中质子或重离子剂量沉积空间分布叠加得到所有肿瘤靶区点的扫描过程的总的质子或重离子剂量沉积空间分布。

实施例：

采用本发明方法对质子放射治疗剂量进行实时监测的一个实施例如图2所示。该实施例基于的平台由质子放射治疗系统1和瞬发伽马光子成像系统8构成；其中，质子放射治疗系统1的作用在于产生高能质子笔形束以特定位置和方向照射扫描对象3的肿瘤靶区4；瞬发伽马光子成像系统8可采用传统的伽马相机成像系统，其作用在于探测质子笔形束在其运动径迹上与扫描对象发生核反应产生的瞬发伽马光子的投影并重建瞬发伽马光子的空间分布，进一步通过重建的瞬发伽马光子空间分布计算质子剂量沉积的空间分布，即完成质子剂量沉积空间分布的实时监测。启动质子放射治疗系统1，加载放射治疗计划；启动瞬发伽马光子成像系统8，将本发明所述方法进行编程(该过程可由编程人员通过常规的编程技术予以实现)后输入到瞬发伽马光子成像系统8中，按照本发明方法逐步执行即可对质子剂量沉积的空间分布进行实时监测。

质子剂量实时监测方法的具体实施步骤如下：

(1)根据该放射治疗计划将肿瘤靶区4分割为10000个肿瘤靶区点，肿瘤靶区点的编号依次记为a_1，a_2，…，a_9999，a_10000；启动用于质子剂量沉积空间分布实时监测的瞬发伽马光子成像系统8，设定用于甄别来自不同肿瘤靶区点扫描过程的瞬发伽马光子的时间阈值t＝3ms；预先生成对应每一个肿瘤靶区点的瞬发伽马光子投影序列；

(2)质子放射治疗系统1产生高能质子笔形束2，该高能质子笔形束2根据放射治疗计划设点的肿瘤靶区点依次扫描肿瘤靶区4的肿瘤靶区点a_1到a_10000，每一个肿瘤靶区点扫描过程中高能质子笔形束2的能量由放射治疗计划确定，每一个肿瘤靶区点的扫描持续时间为3ms，相邻肿瘤靶区点的扫描时间间隔为3ms，以保证瞬发伽马光子成像系统8所设定的时间阈值t能够有效甄别来自于不同肿瘤靶区点扫描过程产生的瞬发伽马光子；高能质子笔形束2以入射点5沿直线运动径迹6入射扫描对象3并在直线运动径迹6上与扫描对象3发生核反应，同时在直线运动径迹6及其附近产生大量瞬发伽马光子7；所述高能质子笔形束2的入射点5和直线运动径迹6随所扫描的肿瘤靶区点变化而变化；

(3)质子放射治疗系统1根据步骤(1)设置的肿瘤靶区点个数判断放射治疗扫描过程是否完成，即判断所有设定的肿瘤靶区点a_1到a_10000是否均被高能质子笔形束2扫描；若未完成，则执行步骤(4)；若已完成，则执行步骤(6)；

(4)瞬发伽马光子成像系统8根据其所探测的信号判断当前是否探测到瞬发伽马光子7，若未探测到，则执行步骤(3)；若探测到，计算当前瞬发伽马光子探测时间与上一个瞬发伽马光子探测时间的时间差：若所述时间差小于等于步骤(1)设定的时间阈值t，表明当前所探测到的瞬发伽马光子与上一个所探测到的瞬发伽马光子来源于同一个肿瘤靶区点的扫描过程，则将当前所探测到的瞬发伽马光子记录到当前瞬发伽马光子的投影序列中，即第n号投影序列(n与当前所扫描的肿瘤靶区点编号中的数字对应)，并执行步骤(3)；若所述时间差大于步骤(1)设定的时间阈值t，表明质子放射治疗系统1已经开始了下一个肿瘤靶区点的扫描，即当前所探测到的瞬发伽马光子与上一个所探测到的瞬发伽马光子分别来源于肿瘤靶区点a_n+1和a_n的扫描过程，将当前所探测瞬发伽马光子记录到下一个编号为n+1的投影序列，执行步骤(5)；

(5)根据质子放射治疗系统提供的上一个肿瘤靶区点，即第n个肿瘤靶区点a_n扫描过程中质子笔形束2的入射位置和方向信息计算质子笔形束的直线运动径迹6，由肿瘤靶区点a_n扫描过程中瞬发伽马光子7仅在直线运动径迹6及其附近产生的空间分布先验信息，并基于编号为n的投影序列重建肿瘤靶区点a_n扫描过程中产生的瞬发伽马光子空间分布，根据瞬发伽马光子空间分布与质子剂量沉积空间分布的相关性由重建的瞬发伽马光子空间分布计算肿瘤靶区点a_n扫描过程质子剂量沉积空间分布；执行步骤(3)；

(6)依据步骤(5)中的方式计算最后一个肿瘤靶区点a_10000扫描过程质子剂量沉积空间分布，将所有肿瘤靶区点a_1～a_10000的扫描过程中质子剂量沉积空间分布叠加得到所有肿瘤靶区点的扫描过程的总的质子剂量沉积空间分布。

由于用于质子剂量沉积空间分布监测的瞬发伽马光子成像系统依据瞬发伽马光子的探测时间信息有效地区分了不同肿瘤靶区点扫描过程中的瞬发伽马光子，因此在重建瞬发伽马光子空间分布时能够有效地利用每一个肿瘤靶区点扫描过程中的所产生的瞬发伽马光子空间分布的先验信息，从而降低了瞬发伽马光子计数统计噪声的影响，提高所重建的瞬发伽马光子空间分布的精度，进而提升质子剂量沉积空间分布的监测精度。另一方面，由于瞬发伽马光子空间分布先验信息在重建过程中的加入，瞬发伽马光子成像系统在对瞬发伽马光子空间分布进行成像过程中不需要额外的旋转操作，仅采集少数几个投影角度下的瞬发伽马光子投影就能实现瞬发伽马光子空间分布的重建，有效地简化了质子剂量监测成像系统的复杂度。

由于质子和重离子相似的剂量沉积空间分布特性，除了所述质子放射治疗外，该剂量监测方法也可用于氦4，碳12，氮14，氧16或氖20等重离子放射治疗的剂量监测。