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技术

本发明专利技术公开了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，属于核医学影像领域，该方法基于质子或重离子放射治疗系统和瞬发伽马光子成像系统，根据所探测瞬发伽马光子的时间序列信息提取各个肿瘤靶区点扫描过程所产生的瞬发伽马光子的投影序列，根据瞬发伽马光子的先验信息重建各个肿瘤靶区点扫描过程的瞬发伽马光子空间分布，进而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，从而实现对质子或重离子放射治疗过程的实时剂量监测；本发明专利技术剂量监测方法有效利用了瞬发伽马光子空间分布的先验信息，可简化瞬发伽马光子成像系统的设计，能降低瞬发伽马光子计数统计噪声的影响，并提高质子或重离子剂量监测的精确性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的特点及有益效果：本专利技术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是本专利技术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是本专利技术实施例采用本专利技术方法的平台组成示意图。具体实施方式本专利技术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：本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，该方法根据由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。

【技术特征摘要】
1.一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，该方法根据由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。2.如权利要求1所述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，该方法包括以下步骤：(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；(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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚强，马天予，范鹏，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11