一种基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统

本申请属于放射治疗技术领域，尤其是涉及一种基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统。

背景技术：

放射治疗是恶性肿瘤重要的治疗手段，大约70％的癌症患者在治疗过程中需要放射治疗，约有40％的癌症可以经过放疗达到根治效果。放射治疗中最常用的间接电离辐射是光子，最常用的直接电离辐射是电子。与高能光子束剂量学特点相反，高能电子线几乎不存在建成效应，可有效提高肿瘤浅表区剂量，同时高能电子线在射束方向剂量跌落迅速，可有效降低肿瘤靶区后方正常组织累积剂量。因此，高能电子线放疗主要用于治疗浅表肿瘤，比如乳腺癌和皮肤癌等。

然而，目前高能电子线放疗只能实现初级的适形放疗技术，无法实现更高级的多自由度调强放疗，主要因为：①电子质量轻，易发生侧向散射，空气中侧向散射会增大患者的杂散辐射剂量，增大二次致癌风险，患者体内侧向散射会造成射野半影区剂量跌落梯度随深度增加变缓，不利于侧向正常组织保护；②为了减小空气中侧向散射，临床上必需制作个体化的铅挡块，结合电子限光筒，来实现剂量与肿瘤靶区适形，然而，限光筒的下表面与患者体表距离很小，为减小碰撞风险，必须限制高能电子线放疗计划的出束角度；③目前缺少高能电子线专用的放疗计划优化方法，难以充分调用机架角度、准直器角度、电子线能量及强度等优化自由度，极大地限制了高能电子线放疗计划的调制能力。这种调制能力不足的放疗计划无法保证肿瘤剂量分布的均匀性和适形性，可能导致肿瘤欠量继而复发。

瑞典于默奥大学通过在电子射束方向上设置氦气管道减小高能电子线的侧向散射，但这种方法只能减小空气中侧向散射，无法减小患者体内的侧向散射，氦气管道设备与患者的碰撞风险较大，难以实现多自由度调制。

美国马里兰大学医学院和澳大利亚伍伦贡大学通过钕铁硼永磁体在射束通路设置磁场约束高能电子线的侧向散射，但这种方法依然只能减小空气中侧向散射，无法减小患者体内的侧向散射，且约束的射束孔径和患者治疗空间过小，临床实用价值不高。

因此，为实现高能电子线多自由度调强放射治疗，需同时解决高能电子线在空气中和患者体内侧向散射大、计划调制能力受限等问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明披露了一种基于纵向磁约束的高能电子线调强放疗系统，包括一种纵向磁约束高能电子线放疗设备和一种用于高能电子线调强放疗的多自由度一体优化方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统，包括一种纵向磁约束高能电子线放疗设备和一种用于高能电子线调强放疗的多自由度一体优化方法；

所述纵向磁约束高能电子线放疗设备包括：位于旋转机架内部的放疗机和磁约束装置；所述放疗机包括加速电子的直线加速器或回旋加速器以及多级电子束准直器，所述磁约束装置包括三级分裂开孔线圈，线圈中心轴均与高能电子束中心轴重合；

所述优化方法包括三个步骤：步骤一，优化放疗机机头角度，确定出束弧段；步骤二，优化准直器角度，确定出束动态径迹；步骤三，同步优化电子线能量和射束强度，确定最优的电子线多自由度调强放疗计划。

优选地，本发明的基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统，所述三级分裂开孔线圈的第一级线圈组位于放疗机机头所在区域，第二级线圈组位于治疗机机头和治疗床之间，第三级线圈组位于治疗床之后。

优选地，本发明的基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统，所述第二级线圈组包括第二级联约束线圈和第二屏蔽线圈，所述第二级联约束线圈靠近治疗床，通正向电流，能够在电子射束方向产生纵向磁场；所述第二屏蔽线圈靠近治疗机机头，通与所述第二级联约束线圈电流方向反向的电流，能够主动屏蔽第二级联约束线圈产生的约束磁场；

所述第三级线圈组包括第三级联约束线圈和第三屏蔽线圈，所述第三级联约束线圈靠近治疗床，通正向电流，能够在电子射束方向产生纵向磁场；所述第三屏蔽线圈远离治疗床，通与所述第三级联约束线圈电流方向反向的电流，能够主动屏蔽第三级联约束线圈产生的约束磁场。

优选地，本发明的基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统，所述第一级线圈组为屏蔽线圈组，线圈使用超导体材料，在治疗过程中使用冷却液将超导材料温度降低至超导转变温度以下，利用迈斯纳效应屏蔽边缘约束磁场。

优选地，本发明的基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统，所述第一级线圈组为屏蔽线圈组，线圈使用铜导线，在治疗过程中线圈内通与约束线圈电流方向相反的电流，主动屏蔽边缘约束磁场。

优选地，本发明的基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统，所述放疗机机头能够在患者横断面内绕机械等中心进行360°旋转，所述放疗机的多级准直器包括初级准直器、二级准直器及多叶准直器，所述多叶准直器能够在高能电子线出束过程中运动，所述多级准直器能够绕射束中心轴360°旋转。

优选地，本发明的基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统，所述优化方法中，步骤一的成本函数构建方法为：

s1，计算肿瘤与危及器官在垂直于射束平面内的投影重叠面积占危及器官投影面积的份额pof，根据预设危及器官权重对单项pof加权求和得到加权wpof；

s2，计算在射束路径上病人体表到肿瘤质心的距离std，以wpof与std之积构建成本函数。

优选地，本发明的基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统，所述优化方法中，步骤二的成本函数构建方法为：提取并量化肿瘤在垂直于射束平面内的投影面积与多叶准直器适形肿瘤射野所围面积之比par，以par构建成本函数。

优选地，本发明的基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统，所述优化方法中，步骤三的成本函数构建方法为：以本次优化剂量参数和目标优化剂量参数之均方根差异构建成本函数；优化过程使用基于模拟退火的直接孔径优化算法。

优选地，本发明的基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统，所述优化方法中，步骤三的优化初始化方法为：以射束方向肿瘤质心的水等效深度设置初始能量，以射束方向肿瘤的投影形状构建权重相等的初始孔径。

本发明的有益效果是：

所述纵向磁约束高能电子线放疗设备能够有效地减少高能电子线在空气中和病人体内的侧向散射，结合所述优化方法，能够实现磁约束高能电子线多自由度调强放疗，改善患者治疗疗效。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1是本申请实施例的一种纵向磁约束高能电子线放疗设备结构示意图；

图2中，(a)为“土”形结构耦合三级分裂开孔线圈磁铁与放疗机机头；(b)为放疗机机头区域放大后的示意图；

图3为基于纵向磁约束的高能电子线多自由度一体化优化流程图。

图中的附图标记为：

10初级准直器

11铍窗

11旋转机架

12散射箔

13机载电离室

14二级准直器

15多叶准直器

20放疗机机头

21绕射束中心轴

22治疗区域

23等中心

24治疗床

31第一级线圈组

32第二级线圈组

33第三级线圈组。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

实施例

一种基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统，如图1-3所示，包括一种纵向磁约束高能电子线放疗设备和一种用于高能电子线调强放疗的多自由度一体优化方法。

如图1所示，所述磁约束高能电子线放疗设备基于“土”字形结构耦合放疗机和磁约束装置，位于旋转机架11内部。所述放疗机包括加速电子的直线加速器或回旋加速器以及多级电子束准直器，所述磁约束装置包括三级分裂开孔线圈，线圈中心轴均与高能电子束中心轴重合。

所述三级分裂开孔线圈的第一级线圈组31位于放疗机机头20所在区域，第二级线圈组32位于治疗机机头和治疗床24之间，第三级线圈组33位于治疗床24之后。

所述第一级线圈组31为屏蔽线圈组，可选择以下两种屏蔽方案：①线圈使用超导体材料，在治疗过程中使用冷却液将超导材料温度降低至超导转变温度以下，利用迈斯纳效应屏蔽边缘约束磁场；②线圈使用常规导体材料，如铜导线，在治疗过程中线圈内通与约束线圈电流方向相反的电流，主动屏蔽边缘约束磁场。

所述第二级线圈组32包括屏蔽线圈和级联约束线圈，所述级联约束线圈靠近治疗床24，通正向电流，结合第三级线圈组33，能够在患者治疗区域22产生均匀纵向磁场。所述屏蔽线圈靠近治疗机机头，通与所述级联约束线圈电流方向反向的电流，能够主动屏蔽级联约束线圈产生的约束磁场。所述第二级线圈组优先选用超导体材料。

所述第三级线圈组33包括屏蔽线圈和级联约束线圈，所述级联约束线圈靠近治疗床24，通正向电流，结合第二级线圈组32，能够在患者治疗区域22产生均匀纵向磁场。所述屏蔽线圈远离治疗床，通与所述级联约束线圈电流方向反向的电流，能够主动屏蔽级联约束线圈产生的约束磁场。所述第三级线圈组优先选用超导体材料。

所述放疗机内部的电子直线加速器或回旋加速器能够产生多挡不同能量的兆伏级高能电子线，所述磁约束装置的三级分裂开孔线圈能够根据电子线能量自适应调节线圈电流。

所述放疗机的机头能够在患者横断面内绕机械等中心23旋转360°，所述放疗机的多级准直器包括初级准直器、二级准直器及多叶准直器，所述多叶准直器能够在高能电子线出束过程中运动，所述多级准直器能够绕射束中心轴21旋转360°。

所述多自由度一体优化方法包括三个步骤，步骤一优化放疗机机头角度，确定出束弧段；步骤二优化准直器角度，确定出束动态径迹；步骤三同步优化电子线能量和射束强度，确定最优的电子线多自由度调强放疗计划。

实施例1

为了同时实现空气中和病人体内放疗电子线约束，同时尽可能减小边缘磁场对放疗机机头的影响，本发明设计了三级分裂开孔线圈磁铁，基于图2a所示的“土”形结构完成三级分裂开孔线圈磁铁和放疗机的耦合。三级分裂线圈的第二级线圈组32和第三级线圈组33主要设计强正向电流，在两者之间的中心区域产生均匀纵向磁场，实现病人体内电子约束，利用第二级线圈组32和第一级线圈组31之间的纵向边缘磁场实现空气中电子线约束。第一级线圈组31围绕放疗机机头20所在区域，设计弱反向电流，以减小纵向边缘磁场在此区域的扰动。放疗机机头位于“土”形顶部的低边缘场区域，产生的高能电子线通过线圈开孔投照患者肿瘤，患者位于三级分裂线圈的第二级线圈组32和第三级线圈组33两部分中心，在此治疗区域22实现纵向磁约束电子线治疗；图2b展示放疗机机头放大后的结构，从上到下依次包括初级准直器10、铍窗11、散射箔12、机载电离室13、二级准直器14和多叶准直器15。

实施例2

根据本发明，基于纵向磁约束高能电子线调强放疗设备(图2)建立的电子线多自由度一体化优化流程如图3所示。根据基于纵向磁约束的电子线剂量学特点，提取并量化医学物理师在传统放疗计划设计中对不同自由度的设计经验，采取基于物理师经验特征提取的依次优化策略，逐步引入不同自由度(机架角度→准直器角度→电子能量和射束强度)，实现基于纵向磁约束的电子线多自由度一体优化的优化方案。

该实施例的方法包括以下三个步骤：

(1)优化放疗机机头出束弧段。医学物理师需根据靶区和oar的解剖特征确定机头出束角度，我们拟提取并量化物理师经验为两项特征：①肿瘤与oar在垂直于射束平面内的投影重叠面积占oar投影面积的份额(projectionoverlapfraction,pof)，根据预设oar权重对单项pof加权求和得到加权pof(weightedpof,wpof)；②在射束路径上病人体表到肿瘤质心的距离(surfacetotargetdistance,std)。以wpof与std之积构建成本函数，使用随机梯度下降算法寻找最小成本函数对应的机架角度g0，设置可调阈值，以g0为基点向两侧延伸确定机架出束弧段；

(2)优化不同机头角度下的准直器角度，确定出束弧段的动态径迹。提取并量化物理师经验为一项特征：肿瘤在垂直于射束平面内的投影面积与多叶准直器适形肿瘤射野所围面积之比(projectionarearatio,par)。以par构建成本函数，基于第一步确定的机架出束弧段，计算此弧段所有机架角和准直器角对应的成本函数值，在机架角和准直器角构成的二维空间中寻找成本函数最小的连续路径即为出束弧段动态径迹；

(3)优化不同控制点的高能电子线能量和强度。离散动态径迹为不同控制点，利用蒙特卡洛代码计算每个控制点不同能量的相空间文件，离散每个相空间文件为不同小子野(beamlet)，计算每个beamlet基于患者ct影像的磁场中剂量分布。使用基于模拟退火的直接孔径优化算法(dao)优化每个控制点能量、经多叶准直器准直的孔径(即beamlet组合)和对应权重。具体而言，以射束方向肿瘤质心的水等效深度设置初始能量，以射束方向肿瘤的投影形状构建权重相等的初始孔径，以本次优化剂量参数和目标优化剂量参数之均方根差异构建成本函数。使用均匀分布抽样待修正的控制点，基于前次优化结果使用高斯分布抽样修正其能量、孔径形状和权重，计算修正后的剂量分布和成本函数(为提高优化效率，优化过程不考虑多叶准直器叶片端面对高能电子线散射)。若成本函数增大，循环抽样修正能量、孔径和权重；若成本函数减小，接受本次迭代的修正结果。重复上述迭代过程，直至成本函数收敛，输出所有控制点最优能量、孔径形状与权重的组合。考虑多叶准直器叶片端面对高能电子的散射，重新计算每个控制点对应的真实剂量分布，线性优化每个控制点权重，得到最终剂量分布。

本实施例中的基于纵向磁约束的高能电子线多自由度调强放疗系统，具有以下效果：

一、纵向磁约束高能电子线放疗设备能够在患者治疗区产生均匀的纵向磁场，约束电子束在患者体内的侧向散射，更好地保护正常组织；能够在放疗机头至患者之间产生纵向边缘磁场，约束电子束在空气中的侧向散射，减小患者杂散剂量，降低患者二次致癌风险，同时摒弃电子限光筒和挡铅，使电子线多自由度调制成为可能；第一级屏蔽线圈设计能够降低纵向边缘磁场对放疗机机头内部电子输运系统和准直系统的影响，实现放疗机和磁约束设备顺利耦合。

二、所述多自由度一体优化方法，引入放疗机机头角度、准直器角度、电子能量和射束强度四个自由度，极大地扩展了优化成本函数的解空间，能够实现磁约束高能电子线多自由度一体调制放疗，提升计划调制能力和质量，从而改善肿瘤患者的放疗疗效。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。