動態(tài)電子限光筒、電子容積調(diào)強拉弧放射治療系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種動態(tài)電子限光筒、電子容積調(diào)強拉弧放射治療系統(tǒng)及方法，動態(tài)電子限光筒包括：主屏蔽體，具有通孔，所述通孔供電子射束穿過；限束器，位于所述主屏蔽體之外且沿所述通孔的軸向位于所述主屏蔽體的一端，與所述主屏蔽體之間通過連接部連接；所述限束器具有葉片，所述葉片圍繞形成一可供電子射束通過的射野，所述射野的形狀可通過所述葉片的移動來調(diào)節(jié)。解決了現(xiàn)有電子限光筒的射野不能調(diào)節(jié)的問題。
【專利說明】動態(tài)電子限光筒、電子容積調(diào)強拉弧放射治療系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)療器械領(lǐng)域，具體涉及一種動態(tài)電子限光筒、電子容積調(diào)強拉弧放射治療系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前臨床廣泛開展的放射治療中有一個重要的概念:射野。放射治療中，用射束從病人體表穿入、對需要照射的病變區(qū)域(稱為靶區(qū))進行照射，射野就是醫(yī)生希望射束照射在病人體表上的范圍。治療中，射野形狀應當盡量與靶區(qū)形狀匹配(此時的射野稱為適形射野)，否則，有可能會損害靶區(qū)附近的器官(稱為危及器官)，甚至危及病人的生命安全。
[0003]放射治療包括光子放射治療和電子放射治療，光子放射治療采用光子射束作為照射源，而電子放射治療則用電子射束作為照射源。臨床上普遍用多葉光柵來限定和調(diào)節(jié)光子射束的射野。但是由于光子和電子的性質(zhì)不同，用于光子放射治療的多葉光柵無法對電子射束的射野進行調(diào)節(jié)，目前臨床上采用電子限光筒來限定電子射束的射野。
[0004]如圖1所示，傳統(tǒng)的電子放射治療系統(tǒng)包括具有放射源的直線加速器、準直設(shè)備，以及安裝于準直設(shè)備下游的鎢門和電子限光筒，其中準直設(shè)備可以內(nèi)置于直線加速器中。放射源產(chǎn)生的電子射線通過準直設(shè)備形成平行的電子射束，再依次經(jīng)過鎢門和電子限光筒到達病人體表及靶區(qū)。
[0005]在電子放射治療系統(tǒng)中，電子限光筒是對電子射束起限束作用的主要部件，其功能是限制允許通過的電子射束的寬度，形成照射在病人體表的射野。
[0006]如圖2所示，電子限光筒包括中空的主屏蔽體I以及分別位于主屏蔽體I下游的接觸板2和位于主屏蔽體I上游的安裝板3，接觸板2和安裝板3均具有開口，主屏蔽體I與接觸板2之間通過連接桿4固定連接。使用時，安裝板3用于與上游設(shè)備連接，接觸板2用于限定放射源與病人體表的距離。電子射束從安裝板3進入電子限光筒，從接觸板2穿出并到達病人體表。主屏蔽體I內(nèi)側(cè)設(shè)有限束層(圖中未示出)、用于限定主屏蔽體I的內(nèi)部沿垂直于射線方向截面的開口大小。安裝板3對電子射束進行一級限束，主屏蔽體I通過其內(nèi)壁對電子射束進行二級限束，接觸板2對電子射束進行三級限束。電子射束穿過安裝板3、主屏蔽體I和接觸板2之后，射野基本確定，且不可改變。也就是說，電子限光筒的射野固定不變(稱為靜態(tài)射野)，為了得到適形射野，醫(yī)生一般需要以一個靜態(tài)射野或多個靜態(tài)射野從不同角度對病人照射，同時配合為每個病人單獨制作的鉛擋板來進行適形。
[0007]上述系統(tǒng)具有以下缺陷:
[0008]第一，每一電子限光筒對應一個靜態(tài)射野，如果治療時要改變電子限光筒的射野，必須手動更換電子限光筒或利用鉛擋板進行適形調(diào)整，這將增加治療師的工作量和治療時間。
[0009]第二，為了更好地適應病人身體的弧形輪廓、并覆蓋較大面積的靶區(qū)，實際應用中通過使電子限光筒圍繞一旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)、進行電子拉弧放射治療來實現(xiàn)。拉弧治療時，通常選取在電子限光筒可旋轉(zhuǎn)的弧度范圍內(nèi)、將電子照射源沿各電子射束中軸到皮膚距離相等的點作為等中心點，使得電子限光筒圍繞等中心點旋轉(zhuǎn)。這樣的目的是為了保證電子限光筒的接觸板到病人體表的距離(稱為源皮距)不變，以達到保持電子射束的半影不變和避免撞傷病人的目的?，F(xiàn)有技術(shù)提出在治療時動態(tài)地移動治療床，即移動病人來實現(xiàn)源皮距不變，但這種治療方法的缺點在于:一方面，不斷地移動病人容易導致擺位誤差，同時也使得治療計劃的制定變得更加復雜；另一方面，由于病人體表為弧形輪廓，在每次治療時，身體輪廓都可能發(fā)生變化，且現(xiàn)有電子限光筒的尺寸固定，因此，即使采用移動治療床的方式，也很難保證在治療時能真正避免撞傷病人。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明解決的問題是傳統(tǒng)的電子限光筒無法調(diào)節(jié)射野形狀，且在治療時不能實時考慮病人身體的實際輪廓位置，無法真正避免撞傷病人。
[0011]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種動態(tài)電子限光筒，包括:
[0012]主屏蔽體，具有通孔，所述通孔供電子射束穿過；
[0013]限束器，位于所述主屏蔽體之外且沿所述通孔的軸向位于所述主屏蔽體的一端，與所述主屏蔽體之間通過連接部連接；
[0014]所述限束器具有葉片，所述葉片圍繞形成一可供電子射束通過的射野，所述射野的形狀可通過所述葉片的移動來調(diào)節(jié)；
[0015]或者，所述限束器具有與所述連接部連接的框架，以及與所述框架可拆卸連接的限束層，所述限束層限定了一射野。
[0016]可選的，所述葉片具有多個，沿所述通孔的徑向方向，多個葉片分布于多個徑向平面中；
[0017]每一葉片能夠相對于同一徑向平面內(nèi)的其他葉片平行移動，以調(diào)節(jié)所述射野的形狀。
[0018]可選的，所述葉片與所述徑向平面平行。
[0019]可選的，沿射線照射方向，葉片材料對應的原子序數(shù)升高。
[0020]可選的，所述連接部可相對于所述主屏蔽體伸長或縮短。
[0021]可選的，所述連接部能夠在外力作用下朝向所述主屏蔽體收縮，收縮后處于伸長方向鎖止狀態(tài)。
[0022]可選的，所述連接部上設(shè)有機械鎖，允許所述連接部朝向所述主屏蔽體收縮，并將所述連接部沿伸長方向鎖止。
[0023]可選的，所述限束器上設(shè)有狀態(tài)反饋裝置，用于監(jiān)測所述限束器與病人體表之間的距離以及所述射野的形狀信息，并用于將監(jiān)測到的信息反饋給一信息接收端。
[0024]本發(fā)明還提供一種電子容積調(diào)強拉弧放射治療系統(tǒng)，包括:
[0025]上述任一項所述的動態(tài)電子限光筒。
[0026]可選的，還包括控制單元，用于控制所述動態(tài)電子限光筒中葉片的移動，使得葉片移動后形成的射野與目標射野相一致。
[0027]可選的，所述動態(tài)電子限光筒能夠?qū)崟r的射野形狀信息傳輸給所述控制單元，所述控制單元包括:
[0028]信息存儲模塊，用于儲存目標射野形狀信息；
[0029]信息接收模塊，作為信息接收端，用于接收所述動態(tài)電子限光筒傳輸?shù)膶崟r射野形狀信息；
[0030]比較模塊，用于比較實時的射野形狀與目標射野形狀；
[0031]指示模塊，用于根據(jù)所述比較模塊的結(jié)果向所述葉片發(fā)送移動指示，使得所述葉片圍成的射野形狀與目標射野形狀相一致。
[0032]可選的，所述動態(tài)電子限光筒的上游具有鎢門，所述鎢門的開口大小與所述動態(tài)電子限光筒的射野形狀相對應；
[0033]所述鎢門和所述動態(tài)電子限光筒共同作用形成電子射束在病人體表的適形射野。
[0034]本發(fā)明還提供一種電子容積調(diào)強拉弧放射治療方法，包括:控制上述任一項所述的動態(tài)電子限光筒中葉片的移動以調(diào)整射野的形狀，使得調(diào)整后的射野與目標射野相一致。
[0035]可選的，還包括:
[0036]根據(jù)用戶的指定要素確定拉弧放射的各個控制點，所述控制點是電子射束的角度、強度以及所述動態(tài)電子限光筒的射野發(fā)生改變的點；
[0037]根據(jù)用戶的指定要素確定每相鄰兩個控制點之間的所述電子射束的射線強度和總劑量值。
[0038]可選的，還包括:
[0039]設(shè)定所述動態(tài)電子限光筒到病人體表的距離；
[0040]根據(jù)設(shè)定的距離調(diào)整所述動態(tài)電子限光筒的連接部在各個控制點伸長的長度。
[0041]可選的，所述指定要素包括:靶區(qū)形狀及危及器官的位置，靶區(qū)的目標劑量，危及器官的劑量約束，等中心點位置，電子容積調(diào)強拉弧放射治療模式，拉弧治療的起始、終止角度。
[0042]可選的，采用蒙特卡羅算法作為劑量計算方法，算出病人體內(nèi)的劑量分布；
[0043]采用逆向優(yōu)化方法調(diào)整所述動態(tài)電子限光筒在各個控制點的射野形狀、以及每兩相鄰控制點之間電子射束的射線強度和總劑量值，直到95%以上靶區(qū)達到所述目標劑量，且滿足所述危及器官的劑量約束。
[0044]可選的，所述逆向優(yōu)化方法為模擬退火算法，列產(chǎn)生算法，SQP算法中的一種。
[0045]可選的，所述動態(tài)電子限光筒的上游還設(shè)有鎢門，根據(jù)所述動態(tài)電子限光筒的射野形狀確定所述鎢門的開口大小。
[0046]可選的，所述鎢門開口大小的確定方法為:
[0047]在所述動態(tài)電子限光筒的最大射野和最小射野之間的范圍內(nèi)選取若干離散的射野值；
[0048]獲得每一離散射野值所需匹配的鎢門開口大小；
[0049]采用插值或者擬合方法，獲得所述動態(tài)電子限光筒的射野形狀與鎢門開口大小之間的關(guān)系曲線，以確定所述動態(tài)電子限光筒的每一實時射野所需匹配的鎢門開口大小。
[0050]可選的，獲得每一離散射野值所需匹配的鎢門開口大小的方法為:
[0051]將所述動態(tài)電子限光筒的射野固定于一離散射野值，使電子射束依次穿過所述鎢門和所述動態(tài)電子限光筒后照射在水模體中，獲得電子射束在水模體中的劑量分布；
[0052]調(diào)整所述鎢門開口大小，使得所述劑量分布的均整度、半影、光子污染、漏射滿足用戶設(shè)定的標準，并將得到的鎢門開口大小與對應的離散射野值相匹配。
[0053]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點:
[0054]動態(tài)電子限光筒的射野可以通過更換限束層，或者通過移動限束層的葉片來進行調(diào)節(jié)，使得動態(tài)電子限光筒的射野可以調(diào)節(jié)；相比于現(xiàn)有用鉛擋板的方式來調(diào)節(jié)射野的方式，調(diào)節(jié)方式簡單易行，可以顯著降低治療師的勞動量、節(jié)約治療時間。
[0055]進一步，動態(tài)電子限光筒中限束層的葉片材料的原子序數(shù)沿射線照射方向升高，原子序數(shù)較低的部分可以吸收射線中能量較低的電子，原子序數(shù)較高的部分可以吸收射線中的光子，減小射束中的低能電子和光子，使得照射到病人皮膚表面的射線具有較好的均整度，減小電子和光子污染；
[0056]進一步，動態(tài)電子限光筒的連接部可以在外力的作用下自動朝向主屏蔽體收縮，但不能自動伸長，因此在治療時，一旦限光筒碰到病人，則能夠自動縮短，而不會在重力或其他外部機械力的作用下朝向病人伸長，避免撞傷病人。
[0057]進一步，將動態(tài)電子限光筒用于電子容積調(diào)強拉弧放射治療系統(tǒng)進行拉弧治療，一方面可以通過動態(tài)調(diào)節(jié)動態(tài)電子限光筒的長度來更好地適應病人的弧形身體輪廓，而不需要固定源皮距；另一方面，根據(jù)特定的靶區(qū)形狀，通過逆向優(yōu)化算法能夠精確地計算在相鄰兩控制點之間的射野形狀以及射線強度，以實現(xiàn)靶區(qū)劑量分布均勻，不需要用戶手動調(diào)難
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【專利附圖】

【附圖說明】
[0058]圖1示出現(xiàn)有電子放射治療系統(tǒng)中的組成部件；
[0059]圖2是現(xiàn)有電子放射治療系統(tǒng)中電子限光筒沿主視方向的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0060]圖3是現(xiàn)有電子放射治療中采用包絡(luò)進行電子調(diào)強的示意圖；
[0061]圖4示出了不同能量的電子在水模中的劑量曲線；
[0062]圖5是現(xiàn)有電子放射治療中采用多個不同電子能量射野拼接進行電子調(diào)強的示意圖；
[0063]圖6是本發(fā)明實施例中動態(tài)電子限光筒的立體示意圖；
[0064]圖7是本發(fā)明實施例的動態(tài)電子限光筒的限束器沿射線方向的俯視圖；
[0065]圖8是本發(fā)明實施例電子容積調(diào)強拉弧放射治療系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)示意圖；
[0066]圖9圖8的治療實施控制裝置中第一控制單元的模塊圖；
[0067]圖10是圖9中第一控制單元的工作流程圖；
[0068]圖11是圖8的治療實施控制裝置中第二控制單元的模塊圖；
[0069]圖12是圖11中第二控制單元的工作流程圖；
[0070]圖13是本發(fā)明實施例電子容積調(diào)強拉弧放射治療的示意圖。

【具體實施方式】
[0071]臨床實踐表明，從電子限光筒穿出的電子射線雖然可在水模中形成均勻的劑量分布，但由于病人體表輪廓為弧形，體內(nèi)組織密度不均勻，靶區(qū)形狀不規(guī)則，因此當電子射束照射在病人身上時，難以保證靶區(qū)劑量均勻。
[0072]為彌補上述不足，保證靶區(qū)的劑量均勻，醫(yī)學界提出了電子調(diào)強(即調(diào)整電子強度)放射治療。目前，電子調(diào)強放射治療有三種實現(xiàn)方式:
[0073]第一種是采用為病人定制的包絡(luò)(Bolus)實現(xiàn)電子調(diào)強。如圖3所示，包絡(luò)B由與人體組織等效的材料制成，治療時放置在病人體表S，通過讓電子束R穿過厚薄不均的包絡(luò)B來產(chǎn)生不均勻的電子強度分布，以此實現(xiàn)靶區(qū)T劑量均勻。這種方式的缺點在于必須使用較高的電子能量才能保證射線電子束能穿透包絡(luò)，意味著病人的皮膚以及靶區(qū)T附近的危及器官D會受到較高的照射劑量，有損病人的健康。
[0074]第二種是采用多個不同電子能量的射線射野拼接進行電子調(diào)強，參照圖4-5，圖4中，橫坐標代表水模深度，縱坐標代表深度劑量，各個曲線代表不同能量的電子在水模不同深度中的劑量。從圖4中可以看出，不同能量的射線電子能夠穿透的深度不同。利用這一特性，臨床采用多個不同電子能量的射線電子束的靜態(tài)射野進行拼接實現(xiàn)對靶區(qū)不同位置電子射線的調(diào)強(如圖5所示)。這種方式的缺點在于對于不同射野需要制作不同形狀的鉛擋板，然后在治療過程中手動更換鉛擋板，同樣會增加治療師的工作量和治療時間。而且，在不同能量的電子射束的拼接處，仍舊會出現(xiàn)劑量分布不均勻的情況。
[0075]第三種是采用專為電子射束設(shè)計的多葉光柵配合不同能量的電子射束進行調(diào)強。這種方式的缺點在于成本較高，能形成的射野范圍有限，無法覆蓋較大的靶區(qū)。
[0076]總之，目前對于電子放射治療，只能在靜態(tài)射野下，通過電子調(diào)強的方式來調(diào)節(jié)放射劑量，以適應病人身體的弧形輪廓，實現(xiàn)靶區(qū)劑量均勻。并且，目前主流的電子放射治療計劃多采用正向方法制定，即由用戶手動調(diào)整射束形狀和強度，誤差較大。
[0077]發(fā)明人經(jīng)過大量的研究和試驗，對現(xiàn)有的電子限光筒做了創(chuàng)造性的改進，并利用改進后的電子限光筒提出了一套新的電子放射治療系統(tǒng)和方法，以解決上述問題。
[0078]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細的說明。
[0079]本實施例提供一種動態(tài)電子限光筒，參照圖6，包括:
[0080]主屏蔽體10，具有供電子射束穿過的通孔(圖中未標注)；
[0081]限束器20，位于主屏蔽體10之外且沿通孔的軸向(即與電子射束平行的的方向)位于主屏蔽體10的一端,與主屏蔽體10之間通過連接部30連接；
[0082]安裝板40，位于主屏蔽體10相對于限束器20的另一端，安裝板40上開設(shè)有與主屏蔽體10的通孔相通的開口 40a。一般情況下，開口 40a的大小要大于通孔的口徑，使得能夠進入主屏蔽體10內(nèi)的電子射束的直徑足夠大。照射時，電子射束依次通過安裝板40的開口 40a、主屏蔽體10的通孔和限束器20到達病人體表。
[0083]本實施例中，參照圖7，限束器20具有多個葉片21，且圍繞形成一可供電子射束通過的射野20a，射野20a的形狀可通過葉片21的移動來調(diào)節(jié)。其中，射野20a的“形狀”包括射野的面積(或大小)和邊緣形狀(例如圓形、方形以及其他規(guī)則或不規(guī)則的形狀)。
[0084]在其他實施例中，可以設(shè)置成:限束器20具有與連接部30連接的框架，以及與框架可拆卸連接的限束層，限束層限定了一個射野，這個射野為固定射野。在需要更換射野時，只需要將限束層從框架上拆卸下來，然后換上具有合適射野的限束層，通過更換不同的限束層來實現(xiàn)對射野形狀的調(diào)節(jié)。
[0085]本實施例中，參照圖7所示，葉片21具有四個，分別分布于沿通孔的徑向方向的兩個徑向平面內(nèi)，每個徑向平面分別具有兩個葉片21。每個葉片21的葉面均與徑向平面平行，且在同一徑向平面中的葉片能夠相對于彼此平行移動，以調(diào)節(jié)射野20a的形狀。如圖7，兩葉片21a位于第一徑向平面，兩葉片21b位于第二徑向平面，四個葉片環(huán)繞形成一個射野20a。當葉片21a或葉片21b相對于彼此平行移動時，可以實現(xiàn)射野20a的放大或縮小，以此來實現(xiàn)射野可調(diào)。
[0086]需要注意的是，為了避免漏射，葉片21的外邊緣沿徑向伸出通孔所覆蓋的區(qū)域。這樣可以避免葉片21在移動過程中，由于葉片21的外邊緣與通孔內(nèi)壁之間形成徑向空隙而造成漏射。
[0087]在其他實施例中，葉片的數(shù)量不限于上述值，葉片也可以分布于多個徑向平面中，只要能夠環(huán)繞形成一射野，并可相對于彼此移動來調(diào)節(jié)射野的形狀即可。
[0088]進一步地，沿射線照射方向，葉片21材料對應的原子序數(shù)升高。本實施例中，葉片21具有沿射線照射方向排列的兩層，其中靠近安裝板40 —側(cè)為上層葉片，另一側(cè)的為下層葉片，上層葉片材料的原子序數(shù)要低于下層葉片的原子序數(shù)。這樣設(shè)置的目的是:通過原子序數(shù)較低的材料(即上層葉片)來吸收電子(主要是低能電子)，并慢化電子，減少韌致輻射光子，原子序數(shù)較高的材料(即下層葉片)來吸收光子，這樣可以減小射束中的低能電子和光子，使得照射到病人皮膚表面的射線具有較好的均整度，減小電子和光子污染。相反，如果上層的原子序數(shù)高于下層或者只有一層原子序數(shù)較高的材料，則由于電子直接打到原子序數(shù)較高的材料會產(chǎn)生較多的韌致輻射光子以及散射電子，而韌致輻射光子射程達將增加病人正常組織損傷，散射電子則導致病人體表受到照射增加，因此會降低治療效果，增加風險，因此該方案是次優(yōu)方案，但仍然是本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0089]進一步地，連接部30可相對于主屏蔽體10伸長或縮短。本實施例中，連接部30能夠在外力作用下朝向主屏蔽體10收縮，并在收縮后處于伸長方向鎖止狀態(tài)。這樣設(shè)置的目的在于，在治療過程中，如果動態(tài)電子限光筒的限束器20與病人體表發(fā)生接觸，則連接部30能夠在人體的作用力下向上收縮，使得限束器20朝向遠離病人體表的方向運動，避免撞傷病人。
[0090]為了實現(xiàn)連接部30在收縮后處于伸長方向的鎖止狀態(tài)，連接部30上設(shè)有機械鎖(圖中未示出)，允許連接部30朝向主屏蔽體10收縮，并將連接部30沿伸長方向鎖止。本實施例中，連接部30由多根連接桿組成，如圖6所示，多根連接桿分布于限束器20的外周。[0091 ] 進一步地，限束器20上設(shè)有狀態(tài)反饋裝置22，用于實時監(jiān)測限束器20與病人體表之間的距離以及限束器20的射野20a的形狀信息，并用于將監(jiān)測到的信息反饋給一信息接收端。
[0092]其中，可以用距離傳感器來監(jiān)測限束器20與病人體表之間的距離，用形狀識別傳感器來監(jiān)測限束器20的射野20a的形狀信息。這兩類傳感器可以集成在一個同一個狀態(tài)反饋裝置中，也可以分別置于兩個狀態(tài)反饋裝置內(nèi)。參照圖8，本實施例還提供一種電子容積調(diào)強拉弧放射治療系統(tǒng)，其中圖8示出了本實施例中電子容積調(diào)強拉弧放射治療系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)包括CT模擬機、治療計劃裝置、治療實施控制裝置、直線加速器以及上述動態(tài)電子限光筒。其中各部件的功能如下:
[0093]CT模擬機用于獲得病人的初始三維圖像。
[0094]治療計劃裝置用于接收CT模擬機所生成的初始三維圖像。醫(yī)生根據(jù)初始三維圖像和病人的病情制定治療計劃，并將治療計劃導入治療計劃裝置。治療計劃的內(nèi)容一般包括:靶區(qū)形狀及危及器官的位置，靶區(qū)各個位置的目標劑量，等中心點位置(作為動態(tài)電子限光筒旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)中心)，電子容積調(diào)強拉弧計劃的模式(也就是動態(tài)電子限光筒的旋轉(zhuǎn)軌跡)，拉弧治療的起始、終止角度，在拉弧的各個位置所對應的動態(tài)電子限光筒的射野形狀(也就是目標射野)和限束器20距離病人體表的距離等。治療計劃裝置中配備有電子容積調(diào)強拉弧優(yōu)化算法引擎，該算法引擎能夠根據(jù)醫(yī)生給定的靶區(qū)的目標劑量來計算出下列參數(shù):電子射束照射的角度、需要的射線強度等。
[0095]治療實施控制裝置用于接收并執(zhí)行治療計劃裝置中的治療計劃。該裝置中設(shè)有若干控制單元，分別用于對動態(tài)電子限光筒和直線加速器進行控制。其中，包括對葉片21的移動進行控制的第一控制單元、對連接部30的伸縮進行控制的第二控制單元，以及對直線加速器進行控制的第三控制單元。
[0096]第一控制單元能夠?qū)討B(tài)電子限光筒的葉片21的移動進行控制:動態(tài)電子限光筒將實時的射野形狀信息傳輸給第一控制單元，第一控制單元控制動態(tài)電子限光筒中葉片21的移動、并使得葉片21移動后形成的射野20a與目標射野相一致。
[0097]參照圖9，第一控制單元包括:
[0098]第一信息存儲模塊，用于儲存目標射野形狀信息；
[0099]第一信息接收模塊，作為信息接收端，用于接收動態(tài)電子限光筒中狀態(tài)反饋裝置所傳輸?shù)膶崟r射野形狀信息；
[0100]第一比較模塊，用于比較實時的射野形狀與目標射野形狀；
[0101]第一指示模塊，用于根據(jù)第一比較模塊的結(jié)果向葉片21發(fā)送移動指示，使得葉片21圍成的射野形狀與目標射野形狀相一致。
[0102]參照圖10，第一控制單元對葉片21的控制過程如下:
[0103]第一信息接收模塊接收狀態(tài)反饋裝置所反饋的限束器20的實時射野形狀信息，并將該實時射野形狀信息傳遞給第一比較模塊；
[0104]第一比較模塊通過對實時的射野形狀與目標射野形狀進行比較，并根據(jù)比較得出的結(jié)果來判定是否需要控制葉片21進行移動:如果比較的結(jié)果顯示實時的射野形狀與目標射野形狀不一致，則第一指示模塊向限束器20發(fā)出指示，控制葉片21移動，使得實時射野形狀與目標射野形狀一致；如果第一比較模塊的結(jié)果顯示實時的射野形狀與目標射野形狀一致，則第一指示模塊向限束器20發(fā)出指示，控制葉片21停止移動，射野調(diào)節(jié)完畢。
[0105]參照圖11，第二控制單元的組成與第一控制單元類似，包括:
[0106]第二信息存儲模塊，用于儲存用戶設(shè)定限束器與病人體表的距離大小信息；
[0107]第二信息接收模塊，用于接收動態(tài)電子限光筒中狀態(tài)反饋裝置所傳輸?shù)膶崟r距離大小信息；
[0108]第二比較模塊，用于比較實時的距離大小與用戶設(shè)定的距離大小；
[0109]第二指示模塊，用于根據(jù)第二比較模塊的結(jié)果向連接部30發(fā)送移動指示，控制連接部30伸長或縮短，以使得限束器與病人體表之間的實時距離大小與用戶設(shè)定的距離大小相一致。
[0110]參照圖12，第二控制單元對連接部30的控制過程如下:
[0111]第二信息接收模塊接收狀態(tài)反饋裝置所反饋的限束器與病人體表的實時距離大小信息，并將該實時距離大小信息傳遞給第二比較模塊；
[0112]第二比較模塊通過對實時的距離大小與用戶設(shè)定的距離大小進行比較，并根據(jù)比較得出的結(jié)果來判定是否需要控制連接部30進行伸長或縮短:如果比較的結(jié)果顯示實時的距離大小與用戶設(shè)定的距離大小不一致，則第二指示模塊向連接部30發(fā)出伸長或縮短的指示，連接部30進行相應的伸縮，使得實時距離大小與設(shè)定的距離大小一致；如果第二比較模塊的結(jié)果顯示實時的距離大小與用戶設(shè)定的距離大小一致，則第二指示模塊向連接部30發(fā)出指示，連接部30停止伸縮，連接部30的長度調(diào)節(jié)完畢。
[0113]第三控制單元能夠根據(jù)治療計劃中指定的目標劑量來判定所需要的射線的強度，并向直線加速器的放射源發(fā)出指令，使其產(chǎn)生符合強度要求的射線。
[0114]直線加速器為電子直線加速器，其中集成有準直器。本實施例的直線加速器可以產(chǎn)生兩種或兩種以上能量的射線，不同能量的射線經(jīng)過準直器后能夠形成不同能量的電子射束，以滿足不同的照射要求。
[0115]另外，直線加速器中還集成有錐束CT裝置，用于在治療前對病人進行掃描，以獲得重建的三維圖像，并提供給醫(yī)生。醫(yī)生可以根據(jù)初始三維圖像和重建的三維圖像比較的結(jié)果，來判定是否實施治療計劃。如果重建的三維圖像與初始三維圖像相差較大，則需要停止本次治療，并重新制定治療計劃。
[0116]進一步地，繼續(xù)參照圖8，在本實施例的系統(tǒng)中，動態(tài)電子限光筒的上游、直線加速器的下游具有鎢門，鎢門的開口大小與動態(tài)電子限光筒的射野形狀相匹配。該系統(tǒng)通過鎢門和動態(tài)電子限光筒共同作用形成電子射束在病人體表的適形射野。
[0117]本實施例還提供一種電子容積調(diào)強拉弧放射治療方法，包括以下步驟:
[0118]S1:獲得病人的初始三維圖像。
[0119]S2:醫(yī)生根據(jù)初始三維圖像和病人的具體病情制定治療計劃。
[0120]S3:醫(yī)生將動態(tài)電子限光筒安裝在直線加速器的下游，根據(jù)治療計劃，開始對病人進行治療。
[0121]下面參照圖13對各步驟進行詳細說明:
[0122]步驟S1:獲得病人的初始三維圖像。
[0123]該步驟一般用CT模擬機來完成，即用CT模擬機對病人進行掃描，然后獲得初始三維圖像。
[0124]步驟S2:醫(yī)生根據(jù)初始三維圖像和病人的具體病情制定治療計劃。
[0125]治療計劃中包含醫(yī)生根據(jù)初始三維圖像以及病人的病情而設(shè)定的多個指定要素，結(jié)合圖13，指定要素包括:靶區(qū)T的形狀及危及器官的位置，靶區(qū)T中各個位置的目標劑量，等中心點I的位置，電子容積調(diào)強拉弧放射治療模式，拉弧治療的起始、終止角度等。
[0126]其中電子容積調(diào)強拉弧放射治療模式包括:拉弧治療時動態(tài)電子限光筒的旋轉(zhuǎn)軌跡，拉弧放射的控制點C，以及每相鄰兩個控制點C之間的照射條件(包括電子射束的角度、強度、總劑量值以及動態(tài)電子限光筒的射野)。
[0127]需要注意的是，靶區(qū)的目標劑量僅針對射線照射在靶區(qū)的劑量值，照射條件中的總劑量值不僅包括靶區(qū)的劑量值，還包括照射在靶區(qū)(例如危及器官)之外的劑量值。
[0128]其中控制點C是照射條件發(fā)生改變的點?？刂泣cC是位于動態(tài)電子限光筒旋轉(zhuǎn)軌跡上的若干個虛擬的點，當動態(tài)電子限光筒E運行到控制點C所在的位置時，照射條件發(fā)生改變，而在相鄰兩控制點C之間的區(qū)域內(nèi)，照射條件不變。本實施例中，各控制點C沿動態(tài)電子限光筒旋轉(zhuǎn)軌跡均勻分布。
[0129]如上所述，確定好控制點之后，需要根據(jù)目標劑量獲得每相鄰兩個控制點之間所需要的照射條件。獲得方法如下:
[0130](I)采用蒙特卡羅算法作為劑量計算方法，算出病人體內(nèi)(至少包括靶區(qū)和危及器官所在的位置)的劑量分布。具體為:
[0131](a)獲取病人的初始三維圖像，利用閾值算法將初始三維圖像的灰度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電子密度數(shù)據(jù)，并建立相應的三維密度體積模型，其中視病人左右為X方向，上下為Y方向，前后為Z方向。將體積模型劃分為一個三維矩形網(wǎng)格矩陣，每一網(wǎng)格為一個體兀；
[0132](b)將經(jīng)過適形的模擬射線作為照射源對體積模型進行模擬照射，這里的模擬射線的射線強度稱為模擬射線強度；
[0133](C)根據(jù)模擬射線在體積模型中的傳輸過程，記錄射線粒子在每個體元中所沉積的劑量；
[0134](d)根據(jù)(C)中的記錄得到體積模型中的劑量分布。
[0135](2)采用逆向優(yōu)化方法獲得每相鄰兩個控制點之間的動態(tài)電子限光筒的射野形狀(稱為目標射野)以及電子射束的射線強度(稱為目標射線強度)，直到95%以上靶區(qū)達到目標劑量，且滿足危及器官的劑量約束，即危及器官的劑量應當符合臨床要求。具體為:根據(jù)蒙特卡羅算法得到的劑量分布，計算出在模擬射線強度下，靶區(qū)各個位置獲得的劑量與目標劑量之間的差值，并根據(jù)差值大小來確定:在每相鄰兩控制點之間的拉弧區(qū)域中，動態(tài)電子限光筒的射野所需要放大或縮小的幅度，以及射線所需要加強或減弱的幅度。然后對射野和射線強度進行相應的調(diào)整，直至95%以上的靶區(qū)達到目標劑量，危及器官劑量符合臨床要求，由此得到每相鄰兩控制點之間的所需的射野形狀(即目標射野)，以及射線強度(及目標射線強度)。
[0136]其中，上述逆向優(yōu)化方法為模擬退火算法，列產(chǎn)生算法，SQP算法中的一種。
[0137]其中，用戶可以給定或者不給定危及器官的劑量限制，如果用戶不給定，則默認盡量降低靶區(qū)之外的劑量。
[0138]步驟S3:醫(yī)生將動態(tài)電子限光筒安裝在直線加速器的下游，根據(jù)治療計劃，開始對病人進行治療。
[0139]將動態(tài)電子限光筒安裝在直線加速器的下游后，需要設(shè)定動態(tài)電子限光筒到病人體表的距離，并根據(jù)設(shè)定的距離調(diào)整動態(tài)電子限光筒的連接部在各個控制點伸長的長度。一般情況下，如圖13,該設(shè)定距離默認為3-5cm,優(yōu)選為5cm。
[0140]需要注意的是，由于病人的體表輪廓會發(fā)生變化，因此在每次治療前，需要利用與直線加速器中集成的錐束CT裝置對病人進行掃描，得到重建的三維圖像，將重建的三維圖像與初始三維圖像進行比較，觀察病人體表輪廓是否改變，判定動態(tài)電子限光筒有沒有撞到病人的危險。
[0141]如果在個別控制點處，動態(tài)電子限光筒的限束器距離病人體表過近，則手動進行調(diào)整；如果病人體表的整體輪廓改變較大，為保證治療質(zhì)量，則應終止此次治療，重新對病人進行CT掃描、獲得新的初始三維圖像，并重新制定治療計劃。
[0142]在執(zhí)行治療計劃之前，步驟S2中產(chǎn)生的治療計劃中的各項信息經(jīng)醫(yī)生批準后，需要將治療計劃以DICOM-RT格式導出，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到治療實施控制裝置，由治療實施控制裝置來執(zhí)行治療計劃。
[0143]治療計劃的執(zhí)行包括:
[0144](I)控制直線加速器產(chǎn)生一適用于整個拉弧過程的基礎(chǔ)能量電子束；
[0145]在每兩相鄰控制點所在的拉弧區(qū)域，根據(jù)治療計劃中對應的目標射線能量，控制直線加速器產(chǎn)生一針對該拉弧區(qū)域的疊加能量電子束，使得該拉弧區(qū)域的射線能量與對應的目標射線能量一致；
[0146](2)根據(jù)治療計劃中獲得的目標射野，控制上述動態(tài)電子限光筒中葉片的移動以調(diào)整每兩個控制點之間的射野的形狀，使得調(diào)整后的射野與對應的目標射野相一致。
[0147]需要注意的是，動態(tài)電子限光筒的上游還設(shè)有鎢門，鎢門的作用是用于調(diào)整射野的均整度、半影、光子污染、漏射，并使這些參數(shù)能夠滿足用戶的要求。其中鎢門的開口大小與動態(tài)電子限光筒的射野形狀相關(guān)，即需要根據(jù)動態(tài)電子限光筒的射野形狀來確定鎢門的開口大小，以獲得上述參數(shù)均能滿足要求的適形射野。
[0148]具體地，鎢門開口大小的確定方法為:
[0149]在動態(tài)電子限光筒的最大射野和最小射野之間的范圍內(nèi)選取若干離散的射野值；
[0150]獲得每一離散射野值所需匹配的鎢門開口大??；
[0151]采用插值或者擬合方法，獲得動態(tài)電子限光筒的射野形狀與鎢門開口大小之間的關(guān)系曲線，以確定動態(tài)電子限光筒的每一實時射野所需匹配的鎢門開口大小。
[0152]其中，獲得每一離散射野值所需匹配的鎢門開口大小的方法為:
[0153]將動態(tài)電子限光筒的射野固定于一離散射野值，使電子射束依次穿過鎢門和動態(tài)電子限光筒后照射在水模體中，獲得電子射束在水模體中的劑量分布；
[0154]調(diào)整鎢門開口大小，使得劑量分布的均整度、半影、光子污染、漏射、能譜滿足用戶設(shè)定的標準，并將得到的鎢門開口大小與對應的離散射野值相匹配。
[0155]綜上可知，本實施例的治療方法中，在各相鄰控制點之間的區(qū)域，可以疊加不同能量的電子束以實現(xiàn)沿射束深度方向的劑量均勻。并且，在不同的控制點之間的射野和射線強度由逆向優(yōu)化方法得到，不需要用戶手動調(diào)整。相比于現(xiàn)有技術(shù)的電子調(diào)強方式，更加精準和便捷，同時由于動態(tài)電子限光筒的制造成本遠低于轉(zhuǎn)為電子射束設(shè)計的多葉光柵，因而也能夠較好地控制成本。
[0156]雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權(quán)利要求所限定的范圍為準。
【權(quán)利要求】
1.一種動態(tài)電子限光筒，包括: 主屏蔽體，具有通孔，所述通孔供電子射束穿過； 限束器，位于所述主屏蔽體之外且沿所述通孔的軸向位于所述主屏蔽體的一端，與所述主屏蔽體之間通過連接部連接； 其特征在于，所述限束器具有葉片，所述葉片圍繞形成一可供電子射束通過的射野，所述射野的形狀可通過所述葉片的移動來調(diào)節(jié)； 或者，所述限束器具有與所述連接部連接的框架，以及與所述框架可拆卸連接的限束層，所述限束層限定了一射野。
2.如權(quán)利要求1所述的動態(tài)電子限光筒，其特征在于，所述葉片具有多個，沿所述通孔的徑向方向，多個葉片分布于多個徑向平面中； 每一葉片能夠相對于同一徑向平面內(nèi)的其他葉片平行移動，以調(diào)節(jié)所述射野的形狀。
3.如權(quán)利要求2所述的動態(tài)電子限光筒，其特征在于，所述葉片與所述徑向平面平行。
4.如權(quán)利要求1所述的動態(tài)電子限光筒，其特征在于，沿射線照射方向，葉片材料對應的原子序數(shù)升高。
5.如權(quán)利要求1所述的動態(tài)電子限光筒，其特征在于，所述連接部可相對于所述主屏蔽體伸長或縮短。
6.如權(quán)利要求5所述的動態(tài)電子限光筒，其特征在于，所述連接部能夠在外力作用下朝向所述主屏蔽體收縮，收縮后處于伸長方向鎖止狀態(tài)。
7.如權(quán)利要求6所述的動態(tài)電子限光筒，其特征在于，所述連接部上設(shè)有機械鎖，允許所述連接部朝向所述主屏蔽體收縮，并將所述連接部沿伸長方向鎖止。
8.如權(quán)利要求1所述的動態(tài)電子限光筒，其特征在于，所述限束器上設(shè)有狀態(tài)反饋裝置，用于監(jiān)測所述限束器與病人體表之間的距離以及所述射野的形狀信息，并用于將監(jiān)測到的信息反饋給一信息接收端。
9.一種電子容積調(diào)強拉弧放射治療系統(tǒng)，其特征在于，包括: 權(quán)利要求1-8任一項所述的動態(tài)電子限光筒。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括控制單元，用于控制所述動態(tài)電子限光筒中葉片的移動，使得葉片移動后形成的射野與目標射野相一致。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述動態(tài)電子限光筒能夠?qū)崟r的射野形狀信息傳輸給所述控制單元，所述控制單元包括: 信息存儲模塊，用于儲存目標射野形狀信息； 信息接收模塊，作為信息接收端，用于接收所述動態(tài)電子限光筒傳輸?shù)膶崟r射野形狀信息； 比較模塊，用于比較實時的射野形狀與目標射野形狀； 指示模塊，用于根據(jù)所述比較模塊的結(jié)果向所述葉片發(fā)送移動指示，使得所述葉片圍成的射野形狀與目標射野形狀相一致。
12.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述動態(tài)電子限光筒的上游具有鎢門，所述鎢門的開口大小與所述動態(tài)電子限光筒的射野形狀相對應； 所述鎢門和所述動態(tài)電子限光筒共同作用形成電子射束在病人體表的適形射野。
13.一種電子容積調(diào)強拉弧放射治療方法，其特征在于，包括:控制權(quán)利要求1-8任一項所述的動態(tài)電子限光筒中葉片的移動以調(diào)整射野的形狀，使得調(diào)整后的射野與目標射野相一致。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括: 根據(jù)用戶的指定要素確定拉弧放射的各個控制點，所述控制點是電子射束的角度、強度以及所述動態(tài)電子限光筒的射野發(fā)生改變的點；根據(jù)用戶的指定要素確定每相鄰兩個控制點之間的所述電子射束的射線強度和總劑量值。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括: 設(shè)定所述動態(tài)電子限光筒到病人體表的距離； 根據(jù)設(shè)定的距離調(diào)整所述動態(tài)電子限光筒的連接部在各個控制點伸長的長度。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述指定要素包括:靶區(qū)形狀及危及器官的位置，靶區(qū)的目標劑量，危及器官的劑量約束，等中心點位置，電子容積調(diào)強拉弧放射治療模式，拉弧治療的起始、終止角度。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，采用蒙特卡羅算法作為劑量計算方法，算出病人體內(nèi)的劑量分布； 采用逆向優(yōu)化方法調(diào)整所述動態(tài)電子限光筒在各個控制點的射野形狀、以及每兩相鄰控制點之間電子射束的射線強度和總劑量值，直到95 %以上靶區(qū)達到所述目標劑量，且滿足所述危及器官的劑量約束。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述逆向優(yōu)化方法為模擬退火算法，列產(chǎn)生算法，SQP算法中的一種。
19.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述動態(tài)電子限光筒的上游還設(shè)有鎢門，根據(jù)所述動態(tài)電子限光筒的射野形狀確定所述鎢門的開口大小。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述鎢門開口大小的確定方法為: 在所述動態(tài)電子限光筒的最大射野和最小射野之間的范圍內(nèi)選取若干離散的射野值； 獲得每一離散射野值所需匹配的鎢門開口大小； 采用插值或者擬合方法，獲得所述動態(tài)電子限光筒的射野形狀與鎢門開口大小之間的關(guān)系曲線，以確定所述動態(tài)電子限光筒的每一實時射野所需匹配的鎢門開口大小。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，獲得每一離散射野值所需匹配的鎢門開口大小的方法為: 將所述動態(tài)電子限光筒的射野固定于一離散射野值，使電子射束依次穿過所述鎢門和所述動態(tài)電子限光筒后照射在水模體中，獲得電子射束在水模體中的劑量分布； 調(diào)整所述鎢門開口大小，使得所述劑量分布的均整度、半影、光子污染、漏射滿足用戶設(shè)定的標準，并將得到的鎢門開口大小與對應的離散射野值相匹配。
【文檔編號】A61N5/10GK104307115SQ201410609158
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】李貴, 周婧劼, 劉艷芳 申請人:上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司