【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及离子放射治疗，具体而言，尤其涉及一种离子束弧形调强放疗能量选择方法及系统。
技术介绍
1、离子放射治疗相较于光子放射治疗最显著的特征与优势是其独特的深度剂量分布，特定能量的离子束能在特定的深度产生一个局部高剂量区域，即所谓的布拉格(bragg)峰，利用这个高剂量区域可以将剂量集中在肿瘤靶区中。比质子重的离子(如碳离子)，还具有高的线性能量传递(linear energy transfer,let)、高相对生物效应(relativebiological effectiveness,rbe)和侧向散射小等优点。目前，离子束放射治疗一般采用点扫描照射技术，即肿瘤靶区按照离子入射深度被分割成若干个等能量断层，每个能量层再分割成若干个扫描点，利用笔形束束斑逐点扫描照射，完成一层照射后，加速器切换至下一个较低能量照射肿瘤靶区的下一等能量层，直到所有的扫描点与能量层被照射完。为了避开敏感或危险区域，同时获得靶区剂量更好的适形度，通常在制定治疗计划时，会预设使用多个(例如2-4个)射野的束流照射靶体，再利用治疗计划系统优化获得每个角度所需要的能量和各个扫描点的照射离子数。这种只有多个射野照射的剂量之和才满足计划目标的剂量分布的照射技术称为离子束调强放射治疗技术，简称“离子束impt(intensitymodulated particle therapy)技术”。离子束弧形调强放射技术(以下简称“离子束arc技术”)是离子impt技术的变体。它是一种基于旋转的放射治疗技术，在治疗头围绕患者旋转(或治疗头固定患者旋转)的过程中射束不间
2、然而，目前离子束arc技术的发展受到了一些技术挑战，其中包括治疗计划优化的效率，尤其对重离子束，其治疗计划优化更加困难。因为重离子束arc治疗计划需要使用可变rbe模型(质子治疗计划的rbe一般固定为1.1)优化生物有效剂量分布，需要计算及存储多种物理量或生物模型参数量的分布矩阵，再者，远超impt技术中的射野数量导致治疗计划的优化工作变得更加复杂，优化效率变得很慢，对计算机的内存压力也很大，甚至可能会超出承载能力。为了克服这个问题，提高离子arc治疗计划优化的可行性和效率，研究提出将每个角度的能量层数限制到一个角度一个能量，至于能量层减少对治疗计划造成的影响由多角度的扫描点权重调节来补偿。因此，如何选择每个角度的射束能量对于离子束arc治疗计划的可行性和实现临床可接受的靶区覆盖及剂量均匀性至关重要。
3、目前，研究已提出的确定各角度射野能量的方法有三类：①直接根据每个射野射束方向(bev)下肿瘤靶区最大水等效深度、中心处水等效深度或者平均水等效深度确定能量，此方法虽然简单易实现，但是没有考虑更好剂量分布的要求；②以某种方案确定的每个射野的能量为初始值，然后迭代地改善能量以达到改善剂量结果，此方法考虑了更好剂量分布的要求，但是运行时间长；③将能量和扫描点权重置于同一目标函数框架内进行优化，确定各射野所需能量，但是此方法目前只用于质子束arc技术中，在重离子束放疗中，使用该方法很容易导致治疗计划系统所需内存超出目前计算机所能提供的能力范围。
技术实现思路
1、本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提供了一种离子束弧形调强放疗能量选择方法，旨在针对目前离子束弧形调强放疗治疗计划选择每个射野下能量方法中存在的缺陷，提出预先限制能量的候选范围，再通过目标函数迭代优化加速筛选每个射野下对应能量的方法，即预选范围配合全局优化进行arc治疗计划的优化。
2、为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供了一种离子束弧形调强放疗能量选择方法，包括以下步骤：
4、基于患者ct数据计算各角度射野下肿瘤靶区的水等效深度和展宽布拉格峰范围；
5、从获取的展宽布拉格峰范围中预选出各角度射野的能量层候选范围；
6、在各角度射野的能量层候选范围中，通过目标函数的迭代优化进行剂量优化、能量选择和扫描点权重分配；
7、基于迭代优化结果制定离子束弧形调强放射治疗计划。
8、作为优选：所述患者ct数据的获取方法为：
9、对患者进行ct扫描，得到患者ct数据，并对患者ct数据进行肿瘤靶区和器官的勾画。
10、作为优选：所述的获取各角度射野下肿瘤靶区水等效深度具体为：
11、计算各角度射野下肿瘤靶区内每个笔形束的水等效深度：获得每个笔形束与皮肤第一个交点p1，肿瘤靶区第一个交点p2和最后一个交点p3，通过下式的原理分别计算p1点到p2及p3点之间的水等效距离：
12、dweq＝d1ρ11+d2ρ12+d3ρ22+d4ρ23+d5ρ33...+dnρxy
13、上式中，dweq为水等效深度；ρxy为体素网格中坐标为(x，y)处的体素的水等效系数；dn为射束穿过对应体素时的几何距离。
14、作为优选：所述的获取各角度射野下的展宽布拉格峰范围具体为：
15、将患者ct数据转换至每个射野对应视角的坐标系下；
16、将患者ct数据投影到垂直于对应射野方向的肿瘤靶区等中心平面上，得到各个角度治疗头到肿瘤靶区的笔形束的方向位置坐标；
17、首先计算每个笔形束入射路径上的累积水等效深度，然后根据累积水等效深度计算该笔形束方向下，肿瘤靶区的最浅位置和最深位置，即为对应的可用最小能量布拉格峰位置和最大能量布拉格峰位置。
18、作为优选：所述的从获取的展宽布拉格峰范围中预选出各角度射野的能量层候选范围具体为：
19、预先将展宽布拉格峰范围进行分割，提前缩小能量候选范围，再在缩小后的能量候选范围内选择所需能量。
20、作为优选：所述的通过目标函数的迭代优化进行剂量优化、能量选择和扫描点权重分配具体为：
21、建立迭代优化使用的目标函数：
22、
23、该目标函数由三部分组成，第一项||dw-d0||2是放疗优化中的剂量准确性项，通过计算实际剂量和处方剂量差的平方和来使计划的剂量在迭代中不断接近处方剂量；其中d为dij矩阵，dij为第j个笔形束在第i个体素沉积的剂量；w是每个笔形束的权重解向量，正比于该笔形束中的离子数目；dw为整个肿瘤靶区每个体素处的实际照射剂量；d0为处方剂量；
24、第二项用来限制解的范数；其中b为所有角度射野的数目；e表示每个角度射野下的等能量层数目；wbe为第b个角度射野下第e个等能量层上每个笔形束的权重；αbe为超参数，通过调整本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种离子束弧形调强放疗能量选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的离子束弧形调强放疗能量选择方法，其特征在于，所述患者CT数据的获取方法为：
3.根据权利要求2所述的离子束弧形调强放疗能量选择方法，其特征在于，所述的获取各角度射野下肿瘤靶区水等效深度具体为：
4.根据权利要求3所述的离子束弧形调强放疗能量选择方法，其特征在于，所述的获取各角度射野下的展宽布拉格峰范围具体为：
5.根据权利要求4所述的离子束弧形调强放疗能量选择方法，其特征在于，所述的从获取的展宽布拉格峰范围中预选出各角度射野的能量层候选范围具体为：
6.根据权利要求5所述的离子束弧形调强放疗能量选择方法，其特征在于，所述的通过目标函数的迭代优化进行剂量优化、能量选择和扫描点权重分配具体为：
7.根据权利要求6所述的离子束弧形调强放疗能量选择方法，其特征在于，所述的制定离子束弧形调强放射治疗计划具体为：
8.一种离子束弧形调强放疗能量选择系统，其特征在于，包括：
9.一种计算机存储介质，其上存储有
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任意一项所述的离子束弧形调强放疗能量选择方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种离子束弧形调强放疗能量选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的离子束弧形调强放疗能量选择方法，其特征在于，所述患者ct数据的获取方法为：
3.根据权利要求2所述的离子束弧形调强放疗能量选择方法，其特征在于，所述的获取各角度射野下肿瘤靶区水等效深度具体为：
4.根据权利要求3所述的离子束弧形调强放疗能量选择方法，其特征在于，所述的获取各角度射野下的展宽布拉格峰范围具体为：
5.根据权利要求4所述的离子束弧形调强放疗能量选择方法，其特征在于，所述的从获取的展宽布拉格峰范围中预选出各角度射野的能量层候选范围具体为：
6.根据权利要求5所述的离子束弧形调强放疗能量选择方法，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：许鹏辉，刘新国，马圆圆，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：
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