一种放射治疗中精确剂量分布调制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种放射治疗中精确剂量分布调制方法和系统，在分次治疗摆位时，获取病人的四维锥形束CT影像(4D CBCT)，结合呼吸运动信号构建靶区运动模型；在分次治疗中，通过光学定位系统实时监控病人呼吸运动信号和病人非自主性移动信号，借助靶区运动模型快速预测肿瘤移动位置，实时调整多叶准直器叶片位置，使射线束紧紧跟踪肿瘤进行精准治疗。整个治疗过程病人自由呼吸、加速器不间断出束，减少了治疗时间，同时克服了治疗中病人呼吸运动和非自主性移动带来的剂量误差，提高了放射治疗精度。

【技术实现步骤摘要】
一种放射治疗中精确剂量分布调制系统及方法
本专利技术涉及放射治疗仪器改进
，具体涉及一种放射治疗中精确剂量分布调制系统及方法。
技术介绍
放射治疗过程中病人的呼吸运动和非自主性移动会引起肿瘤位置的变化，造成肿瘤靶区接受剂量不足或正常组织器官过照射，增加了肿瘤复发率和放疗并发症发生率。为减少由于呼吸运动和非自主性移动给靶区剂量投放带来的不确定性，临床上普遍采用的方法一是靶区外扩法，通过勾画足够大的靶区边界以充分覆盖病人呼吸运动及非自主运动带来的肿瘤位移范围，但这会使病人正常组织接受更多的射线照射，进而增加病人出现不良反应的可能；二是呼吸门控技术，是在病人屏气、呼气吸气末或某个特定的呼吸周期的时候，对肿瘤区域进行放疗，由于此时肿瘤的运动较小，因此可以有效地减小靶区的边界.其缺点是对病人的呼吸和状态有严格的要求，很多癌症病人无法达到这种要求，同时，这种方法需要加速器不断的停束和出束，增加了加速器出束误差，也增加了放射治疗的时间。目前最先进的动态放疗技术，如射波刀，是在放疗过程中根据实时检测的肿瘤运动动态调整射束或病人的位置，使射束与肿瘤基本对齐，因而可有效地减少靶区的边界，大大减少对正常组织的伤害。然而，现有的动态放疗技术多采用内植标记物和X射线实时成像方法对肿瘤运动进行跟踪，对病人造成额外的成像剂量和侵入式伤害。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有放射治疗技术中无法通过一种快速、无创的方式解决由于病人呼吸运动和非自主性运动造成的肿瘤靶区剂量投放不精确的问题，提供了一种放射治疗中精确剂量分布调制系统及方法。本专利技术采用的技术方案为：一种放射治疗中精确剂量分布调制系统，其持征在于包括：医用加速器靶源、多叶准直器、治疗床、脉冲式KV级X射线机、X射线平板探测器、光学定位系统、PC服务器；医用加速器靶源为高能电子打靶通过轫致辐射效应产生的X射线光子源；多叶准直器作为射束准直装置，通过实时调整多叶光栅叶片序列的位置和整机移位的运动方式形成预定射束方向和射束形状治疗射束；脉冲式KV级X射线机和X射线平板探测器作为病人二维X射线投影影像采集装置，在加速器360°旋转空间内连续采集影像；光学定位系统，安装在加速器上前方，用于监控病人的呼吸运动信号和非自主性运动信号；PC服务器内配影像采集模块、影像处理模块、靶区运动实时监控模块、X射线机驱动接口、X射线影像采集驱动卡、光学定位信号采集驱动卡、治疗床驱动接口、多叶准直器驱动接口，其中影像采集模块与X射线机驱动接口、X射线影像采集驱动卡、光学定位信号采集驱动卡、影像处理模块连接，负责四维锥形束CT影像采集与重建；影像处理模块与影像采集模块、靶区运动实时监控模块、治疗床驱动接口连接，负责摆位纠正和靶区运动模型构建；靶区运动实时监控模块与影像处理模块、光学定位信号采集驱动卡、多叶准直器驱动接口连接，负责靶区运动的实时监控和多叶准直器的实时定位跟踪；X射线机接口与影像采集模块、脉冲式KV级X射线机连接，负责影像采集模块和脉冲式KV级X射线机间的信号转换；X射线影像采集驱动卡与影像采集模块、X射线平板探测器连接，负责影像采集模块和X射线平板探测器间的信号转换；光学定位信号采集驱动卡与影像采集模块、靶区运动实时监控模块、光学定位系统连接，负责光学定位系统与影像采集模块、靶区运动实时监控模块之间的信号转换；治疗床驱动接口与影像处理模块、治疗床连接，负责影像处理模块和治疗床间的信号转换；多叶准直器驱动接口与靶区运动实时监控模块、多叶准直器连接，负责靶区运动实时监控模块和多叶准直器间的信号转换。所述光学定位系统是激光扫描定位系统、红外激光定位系统或其他光学定位系统。影像处理模块根据摆位时采集的四维锥形束CT影像和光学定位系统探测的呼吸运动信号来构建靶区运动模型，数学表达式如下：其中，TM(x,y,z,t,ISO)：在放射治疗中，肿瘤靶区中心相对于医用加速器治疗等中心的运动偏移量；NI(t)：病人非自主性运动偏移量；a，b：靶区运动模型初始化参数；摆位时记录的与计划CT同呼吸时相下光学定位系统坐标，为参考坐标；治疗中，与计划CT同呼吸时相下光学定位系统坐标；△t：系统响应延时时间，包括光学定位系统定位和多叶准直器位移的总响应延时；系统响应延时修正后的光学定位系统预测呼吸运动信号；R(t)：光学定位系统实时监测的呼吸运动信号；R(△t)：系统响应延时时间内呼吸运动信号变化量。所述靶区运动模型以与计划CT同呼吸时相下光学定位系统的起始坐标作为参考坐标，在放射治疗中，通过对比在该特定呼吸时相下光学定位系统实时反馈的坐标值计算病人非自主性运动造成的肿瘤靶区偏移量。放射治疗中精确剂量分布调制系统，实现过程为：对病人在治疗床上进行摆位时，影像采集模块针对不同的肿瘤部位设定合理的采集参数，通过脉冲式X射线机、X射线平板探测器和光学定位系统采集并重建四维锥形束CT影像；影像处理模块首先通过计划CT与同时相四维锥形束CT影像配准，计算病人摆位偏移量，并由治疗床驱动接口转换为治疗床驱动信号驱动治疗床调整病人位置，同时记录此时光学定位系统坐标作为起始参考坐标；然后根据四维锥形束CT影像和光学定位系统监测的呼吸运动信号构建靶区呼吸运动模型；在出束治疗中，靶区运动实时监控模块通过光学定位系统实时探测运动信号，结合靶区呼吸运动模型和光学定位系统起始参考坐标，实时计算肿瘤靶区位移量和病人非自主性运动偏移量，并将这些偏移量转换为多叶准直器移动量，控制多叶准直器快速作出相应的位移响应，实现射束对肿瘤靶区的实时跟踪照射。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术一种放射治疗中精确剂量分布调制方法和系统，可以同时对放射治疗中由于病人的呼吸运动和非自主性运动造成的肿瘤靶区运动偏移量进行实时监控，并且加入了系统响应延时修正，实现了多叶准直器对肿瘤靶区的实时跟踪照射。(2)采用本专利技术后，无需对病人靶区边界外扩，无需植入标记物，无需在放射治疗过程中进行对病人额外的X射线实时成像，整个治疗过程病人可以自由呼吸，加速器不间断出束，提高了病人舒适度，减少了治疗时间。(3)本专利技术不仅可以实时监控由于呼吸运动导致的肿瘤靶区位置变化，同时还可定量监测补偿由于病人非自主性移动带来的肿瘤位移，根据肿瘤靶区的运动偏移量实时控制多叶准直器调整射束方向，对病人的肿瘤运动进行补偿，从而实现精确的剂量分布。附图说明图1是精确剂量分布调制系统配置示意图；图2是精确剂量分布调制方法实现流程示意图图3是精确剂量分布调制系统和方法工作原理示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步描述：如图1所示，本专利技术的放射治疗中精确剂量分布调制系统，包括医用加速器靶源1、多叶准直器2、脉冲式KV级X射线机3、X射线平板探测器4、光学定位系统5、治疗床6、高性能PC服务器7；其中医用加速器靶源1为高能电子打靶通过轫致辐射效应产生的X射线光子源；多叶准直器2作为射束准直装置，可通过实时调整多叶光栅叶片序列的位置和整机移位的运动方式形成预定射束方向和射束形状治疗射束；脉冲式KV级X射线机3和X射线平板探测器4作为病人二维X射线投影影像采集装置，可在加速器360°旋转空间内连续采集影像；光学定位系统5可以是激光扫描定位系统、红外激光定位系统或其他光学定位系统，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种放射治疗中精确剂量分布调制系统，其持征在于包括：医用加速器靶源、多叶准直器、治疗床、脉冲式KV级X射线机、X射线平板探测器、光学定位系统、PC服务器；医用加速器靶源为高能电子打靶通过轫致辐射效应产生的X射线光子源；多叶准直器作为射束准直装置，通过实时调整多叶光栅叶片序列的位置和整机移位的运动方式形成预定射束方向和射束形状治疗射束；脉冲式KV级X射线机和X射线平板探测器作为病人二维X射线投影影像采集装置，在加速器360°旋转空间内连续采集影像；光学定位系统，安装在加速器前上方，用于监控病人的呼吸运动信号和非自主性运动信号；PC服务器内配影像采集模块、影像处理模块、靶区运动实时监控模块、X射线机驱动接口、X射线影像采集驱动卡、光学定位信号采集驱动卡、治疗床驱动接口、多叶准直器驱动接口，其中影像采集模块与X射线机驱动接口、X射线影像采集驱动卡、光学定位信号采集驱动卡、影像处理模块连接，负责四维锥形束CT影像采集与重建；影像处理模块与影像采集模块、靶区运动实时监控模块、治疗床驱动接口连接，负责摆位纠正和靶区运动模型构建；靶区运动实时监控模块与影像处理模块、光学定位信号采集驱动卡、多叶准直器驱动接口连接，负责靶区运动的实时监控和多叶准直器的实时定位跟踪；X射线机接口与影像采集模块、脉冲式KV级X射线机连接，负责影像采集模块和脉冲式KV级X射线机间的信号转换；X射线影像采集驱动卡与影像采集模块、X射线平板探测器连接，负责影像采集模块和X射线平板探测器间的信号转换；光学定位信号采集驱动卡与影像采集模块、靶区运动实时监控模块、光学定位系统连接，负责光学定位系统与影像采集模块、靶区运动实时监控模块之间的信号转换；治疗床驱动接口与影像处理模块、治疗床连接，负责影像处理模块和治疗床间的信号转换；多叶准直器驱动接口与靶区运动实时监控模块、多叶准直器连接，负责靶区运动实时监控模块和多叶准直器间的信号转换。...

【技术特征摘要】
1.一种放射治疗中精确剂量分布调制系统，其持征在于包括：医用加速器靶源、多叶准直器、治疗床、脉冲式KV级X射线机、X射线平板探测器、光学定位系统、PC服务器；医用加速器靶源为高能电子打靶通过轫致辐射效应产生的X射线光子源；多叶准直器作为射束准直装置，通过实时调整多叶光栅叶片序列的位置和整机移位的运动方式形成预定射束方向和射束形状治疗射束；脉冲式KV级X射线机和X射线平板探测器作为病人二维X射线投影影像采集装置，在加速器360°旋转空间内连续采集影像；光学定位系统，安装在加速器前上方，用于监控病人的呼吸运动信号和非自主性运动信号；PC服务器内配影像采集模块、影像处理模块、靶区运动实时监控模块、X射线机驱动接口、X射线影像采集驱动卡、光学定位信号采集驱动卡、治疗床驱动接口、多叶准直器驱动接口，其中影像采集模块与X射线机驱动接口、X射线影像采集驱动卡、光学定位信号采集驱动卡、影像处理模块连接，负责四维锥形束CT影像采集与重建；影像处理模块与影像采集模块、靶区运动实时监控模块、治疗床驱动接口连接，负责摆位纠正和靶区运动模型构建；靶区运动实时监控模块与影像处理模块、光学定位信号采集驱动卡、多叶准直器驱动接口连接，负责靶区运动的实时监控和多叶准直器的实时定位跟踪；X射线机接口与影像采集模块、脉冲式KV级X射线机连接，负责影像采集模块和脉冲式KV级X射线机间的信号转换；X射线影像采集驱动卡与影像采集模块、X射线平板探测器连接，负责影像采集模块和X射线平板探测器间的信号转换；光学定位信号采集驱动卡与影像采集模块、靶区运动实时监控模块、光学定位系统连接，负责光学定位系统与影像采集模块、靶区运动实时监控模块之间的信号转换；治疗床驱动接口与影像处理模块、治疗床连接，负责...

【专利技术属性】
技术研发人员：任强，贾婧，王玉，裴曦，吴宜灿，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34