一种离子束快速扫描照射系统技术方案

本发明专利技术涉及一种离子束快速扫描照射系统，包括：靶区设计模块，用于基于预先获取的4DCT扫描和运动曲线数据以及设计要求，得到照射靶区；扫描序列生成模块，用于根据照射靶区生成治疗计划文件，并对扫描点权重分布进行优化，得到对应于照射靶区各能量断层的扫描点序列；离子束照射模块，用于将生成的扫描点序列发送至加速器治疗控制系统，由加速器治疗控制系统产生相应离子束流。本发明专利技术将重复扫描均匀的分布在运动时相上，使得每个时相(或门控窗内运动时相)都能够得到有效照射，保证靶区均匀的高剂量覆盖，可以广泛应用于离子束放射治疗领域。域。域。

【技术实现步骤摘要】
一种离子束快速扫描照射系统


[0001]本专利技术属于离子束放射治疗领域，具体涉及一种离子束快速扫描照射系统。

技术介绍

[0002]离子束(质子、重离子等)由于其倒转的深度剂量分布(Bragg峰)特性，放射治疗中在提高靶区剂量覆盖度的同时正常组织得到有效保护。放射治疗中，靶区通常由医师在CT影像上进行勾画，并设计其放射治疗计划，在实施束流照射之前通过治疗室影像引导设备将靶区的等中心点放置在束流等中心点处，并假设治疗过程中靶区位置始终保持不变，从而实施精准的束流照射。
[0003]然而，对于运动靶区，即使治疗前利用影像引导设备进行了精确的摆位，在束流照射过程中靶区处于运动状态，导致束流实际照射位置和先前治疗计划设计的照射位置发生偏移，致使靶区内剂量分布不均匀，以及剂量冷点和热点的出现，影响照射的效果。对于运动靶体，一方面靶区运动会造成离子束路径上组织密度发生变化，导致离子束射程的改变；另一方面，靶区运动会造成离子束扫描点实际照射位置与预设位置发生偏移，导致靶区内剂量分布严重畸变，同时对周围组织造成损伤，严重影响了离子束放射治疗的效果。因此，发展运动管理技术，提高靶区剂量分布均匀性、降低周围组织辐射损伤，充分发挥离子束放射治疗的优势，是国际上离子束放疗领域的难点和热点。
[0004]目前，国际上采用较多的靶区运动管理技术包括：增大靶区外轮廓、呼吸门控、以及随机暂停重复扫描方法等。其中，增大靶区外轮廓的主要目的是将所有时刻靶区的运动范围全部包含进照射野范围，这样可以保证每个时刻靶区都能够得到有效照射。然而，离子束放射治疗中通常采用点扫描的束流配送方式，将靶区在束流方向上分为多个等能量间隔断层，再在每个能量断层上设置扫描点，通过逐点照射的方式实现靶区的高剂量均匀覆盖。因此，即使扩大靶区外轮廓，由于靶区运动会引起扫描点实际照射位置和预设位置发生偏离，造成靶区内剂量分布形变，因此不能解决剂量分布形变的问题。对于呼吸门控技术，通过在运动曲线上设置适当大小的门控窗，从而减小束流照射时靶区的运动幅度，试图改善由运动造成的剂量分布不均匀性。然而，呼吸门控技术只是减小了束流照射时靶区的运动幅度，并没有完全消除运动，门控窗内靶区的残余运动同样会造成离子束辐射场内剂量分布形变。对于随机暂停重复扫描方法，主要原理是将每个能量断层扫描点的单次照射分成多次照射，相邻扫描次数之间设置一个随机的暂停时间，试图通过重复扫描的方式在统计上消除靶区内剂量分布冷点和热点的出现。然而，该方法通过在相邻扫描次数之间设置随机的暂停时间，会导致整体的照射时间成倍增长，同时需要15～20次甚至更多的扫描次数才能达到预期的效果，严重影响了离子束的照射效率。因此，发展精准、高效的靶区运动管理技术是目前离子束放疗领域迫切需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有靶区运动管理技术存在照射精度差和效率低的问题，本专利技术的目的是提
供一种离子束快速扫描照射系统，该系统不但可以解决离子束照射时靶区内剂量分布不均匀的问题，同时可以在减少扫描次数的情况下提高离子束的照射效率，实现精准、高效的运动靶区离子束放射治疗。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0007]一种离子束快速扫描照射系统，包括：
[0008]靶区设计模块，用于基于预先获取的4DCT扫描和运动曲线数据以及设计要求，得到照射靶区；
[0009]扫描序列生成模块，用于根据照射靶区生成治疗计划文件，并对扫描点权重分布进行优化，得到对应于照射靶区各能量断层的扫描点序列；
[0010]离子束照射模块，用于将生成的扫描点序列发送至加速器治疗控制系统，由加速器治疗控制系统产生相应离子束流。
[0011]进一步，所述靶区设计模块包括：
[0012]靶区轮廓绘制模块，用于基于4DCT扫描和运动曲线数据，重建得到各个运动时相的3DCT影像数据，并对各个运动时相进行靶区轮廓绘制；
[0013]照射模式选择模块，用于根据设计要求确定照射模式，并基于确定的照射模式和各个运动时相的靶区轮廓计算得到几何内靶区和射程内靶区；
[0014]照射靶区确定模块，用于根据不确定性因素对计算得到的几何内靶区和射程内靶区进行修正，形成照射靶区。
[0015]进一步，所述靶区轮廓绘制模块包括：
[0016]影像数据重建模块，用于基于获取的4DCT扫描数据进行重建，得到各个运动时相的3DCT影像数据；
[0017]参考时相靶区轮廓绘制模块，用于从3DCT影像数据中筛选位置重复性满足预设要求的运动时相作为参考时相，并对参考时相进行靶区轮廓勾画；
[0018]剩余时相靶区轮廓绘制模块，用于对除参考时相外的其他剩余运动时相进行靶区轮廓勾画。
[0019]进一步，所述剩余时相靶区轮廓绘制模块对除参考时相外的其他剩余运动时相进行靶区轮廓勾画时，利用形变配准的方法将参考时相的靶区轮廓形变到其他运动时相上。
[0020]进一步，所述照射模式选择模块根据设计要求确定照射模式时，采用的照射模式包括门控治疗模式和自由运动模式；
[0021]当采用自由运动模式时，所述几何内靶区通过将所有运动时相的靶区轮廓取并集形成；所述射程内靶区通过计算考虑不同运动时相上组织密度变化导致的离子束射程的改变后形成；
[0022]当采用门控治疗模式时，所述几何内靶区和射程内靶区通过门控窗内的运动时相计算得到。
[0023]进一步，所述扫描序列生成模块包括：
[0024]扫描次数设置模块，用于将照射靶区每个能量断层的扫描点权重进行分割，使得原本的单次扫描变为m次扫描；
[0025]自由运动模式序列生成模块，用于确定自由运动模式下照射靶区各个能量断层所对应的m次扫描的扫描时刻，并结合分割后的扫描点权重生成扫描点序列；
[0026]门控模式扫描序列生成模块，用于确定门控模式下照射靶区内各个能量断层所对应的m次扫描的扫描时刻，并结合分割后的扫描点权重生成扫描点序列。
[0027]进一步，所述扫描次数设置模块中，将照射靶区每个能量断层的扫描点权重进行分割时，分割方式包括：
[0028]按比例分割，将每个扫描点权重除以扫描次数m得到每个扫描点的分割权重；
[0029]或按固定单次扫描的量进行分割，将每个扫描点的权重除以单次扫描的量，得到扫描次数。
[0030]进一步，自由运动模式序列生成模块，包括：
[0031]运动周期计算模块，用于计算自由运动模式下的平均运动周期t1；其中，平均运动周期的计算方法为本领域技术人员公知，本专利技术对此不做限制；
[0032]第一相邻扫描时间间隔计算模块，用于按照扫描次数将平均运动周期t1分割为m份，得到第一相邻扫描时间间隔t1/m；
[0033]第一能量断层重复扫描模块，用于选择一个时刻作为扫描起始时刻，根据第一相邻扫描时间间隔，得到等时间间隔排布的多个扫描时刻，并将照射靶区第一个能量断层所对应的第一次扫描到第m次扫描分配到各扫描时刻；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子束快速扫描照射系统，其特征在于，包括：靶区设计模块，用于基于预先获取的4DCT扫描和运动曲线数据以及设计要求，得到照射靶区；扫描序列生成模块，用于根据照射靶区生成治疗计划文件，并对扫描点权重分布进行优化，得到对应于照射靶区各能量断层的扫描点序列；离子束照射模块，用于将生成的扫描点序列发送至加速器治疗控制系统，由加速器治疗控制系统产生相应离子束流。2.如权利要求1所述的一种离子束快速扫描照射系统，其特征在于，所述靶区设计模块包括：靶区轮廓绘制模块，用于基于4DCT扫描和运动曲线数据，重建得到各个运动时相的3DCT影像数据，并对各个运动时相进行靶区轮廓绘制；照射模式选择模块，用于根据设计要求确定照射模式，并基于确定的照射模式和各个运动时相的靶区轮廓计算得到几何内靶区和射程内靶区；照射靶区确定模块，用于根据不确定性因素对计算得到的几何内靶区和射程内靶区进行修正，形成照射靶区。3.如权利要求2所述的一种离子束快速扫描照射系统，其特征在于，所述靶区轮廓绘制模块包括：影像数据重建模块，用于基于获取的4DCT扫描数据进行重建，得到各个运动时相的3DCT影像数据；参考时相靶区轮廓绘制模块，用于从3DCT影像数据中筛选位置重复性满足预设要求的运动时相作为参考时相，并对参考时相进行靶区轮廓勾画；剩余时相靶区轮廓绘制模块，用于对除参考时相外的其他剩余运动时相进行靶区轮廓勾画。4.如权利要求3所述的一种离子束快速扫描照射系统，其特征在于，所述剩余时相靶区轮廓绘制模块对除参考时相外的其他剩余运动时相进行靶区轮廓勾画时，利用形变配准的方法将参考时相的靶区轮廓形变到其他运动时相上。5.如权利要求2所述的一种离子束快速扫描照射系统，其特征在于，所述照射模式选择模块根据设计要求确定照射模式时，采用的照射模式包括门控治疗模式和自由运动模式；当采用自由运动模式时，所述几何内靶区通过将所有运动时相的靶区轮廓取并集形成；所述射程内靶区通过计算考虑不同运动时相上组织密度变化导致的离子束射程的改变后形成；当采用门控治疗模式时，所述几何内靶区和射程内靶区通过门控窗内的运动时相计算得到。6.如权利要求1所述的一种离子束快速扫描照射系统，其特征在于，所述扫描序列生成模块包括：扫描次数设置模块，用于将照射靶区每个能量断层的扫描点权重进行分割，使...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺鹏博，李强，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：