重离子放射治疗多功能三维适形调强装置及方法.pdf

本发明涉及重离子放射治疗多功能三维适形调强方法及装置。一种重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，其主要特点在于：包括有准直模块由相对运动的左合金叶片与右合金叶片，根据肿瘤靶区在束流方向上的投影轮廓，在横向上调整各叶片与轮廓的径向距离，构造适形的照射野；补偿模块由相对运动的左矩形长条与右矩形长条堆叠构成，根据束流能量以及肿瘤靶区三维外形参数，调整左右矩形长条相对径向距离，组成内凹腔表面与肿瘤靶区后沿曲面相共轭的适形模块，其中相互吻合的矩形长条形成其外廓基底。本发明的优点是实现了准直和补偿功能的自动化，在线变换准直构型和适形补偿构型的时间间隔非常短，提高了工作效率。通过准直和补偿两种不同功能的整合，去掉了离线手工加工补偿器的环节，节省了物料，降低成本。

1.  一种重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，其特征在于：包括有准直模块由相对运动的左合金叶片与右合金叶片，根据肿瘤靶区在束流方向上的投影轮廓，在横向上调整各叶片与轮廓的径向距离，构造适形的照射野；补偿模块由相对运动的左矩形长条与右矩形长条堆叠构成，根据束流能量以及肿瘤靶区三维外形参数，调整左右矩形长条相对径向距离，组成内凹腔表面与肿瘤靶区后沿曲面相共轭的适形模块，其中相互吻合的矩形长条形成其外廓基底。

2.  如权利要求1所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，其特征在于：所述的准直模块中准直合金叶片横向宽度为1-5毫米；所述补偿模块中补偿矩形长条横向宽度为1-5毫米，纵向厚度为1-5毫米。

3.  如权利要求1所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，其特征在于：所述的准直模块和补偿模块由固定框固连于绕束流轴线(B)旋转运动的旋转底座上。

4.  如权利要求1所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，其特征在于：所述的准直模块的合金叶片和所述的补偿模块的矩形长条均能沿垂直束流轴线(B)方向独立径向运动。

5.  如权利要求1所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，其特征在于：所述的准直模块和补偿模块构型的形状是内凹开口与照射野相一致，内凹表面与肿瘤靶区后沿曲面相共轭,外廓从准直模块上表面任意一点到肿瘤靶区后沿的水等效厚度相同的基底的筒状适形调强模体。

6.  如权利要求1所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，其特征在于：所述的准直模块，独立驱动电机通过驱动丝杆驱动所述左合金叶片与右合金叶片独立径向位移。

7.  如权利要求1所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，其特征在于：所述的补偿模块，独立驱动电机通过驱动丝杆驱动所述左矩形长条与右矩形长条独立径向位移。

8.  如权利要求1所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，其特征在于：所述的准直模块叶片的材料为钨合金；补偿模块矩形长条材料为组织等效材料，包括固体水或PMMA或聚四氟乙烯。

9.  一种重离子放射治疗多功能三维适形调强方法，其特征在于步骤为：
(1)利用重离子放射治疗计划系统，获取所用实体肿瘤计划靶区参数，包括束流能量及对应的水等效贯穿深度，束流方向最大靶区投影，即射野投影，入射路径水等效贯穿厚度分布，即肿瘤靶区后沿曲面分布；
(2)获取适形调强装置设备配置参数，包括准直模块分辨率和叶片数量；补偿模块分辨率以及矩形长条数量；
(3)判断是否需要旋转以更好适形；如需旋转，则确定旋转角度后进行束流坐标系转换，否则，进入步骤(4)；
(4)依据束流方向、水等效贯穿深度及靶区贯穿厚度分布参数，计算射野中束流补偿路径厚度分布，并依据适形调强装置设备配置分辨率等参数计算出照射野轮廓和补偿网格；
(5)判断是否需要优化以适应设备配置，如需优化，则通过向下取整的方法优化计算最佳补偿曲面分布；否则进入三维适形调强装置的构型步骤(6)；
(6)三维适形调强装置的构型：准直模块中叶片顺着滑轨径向运动，端面与照射野轮廓相切时停止运动，所有叶片的组合即构造出射野投影相适形的照射野；补偿模块中，驱动器驱动矩形长条沿滑轨径向运动，当其末端与组织补偿网格相切时停止运动；两组矩形长条最终形成一个内凹的腔体，即形成了组织补偿块；
(7)最终完成最佳三维适形及调强形态。

重离子放射治疗多功能三维适形调强装置及方法
技术领域
本发明涉及重离子放射治疗多功能三维适形调强方法及装置。
背景技术
恶性肿瘤(癌症)是一种常见病、多发病,也是对人类健康危害极大的疾病，并一直是困扰世界各国的难题。据1995年世界卫生组织出版的“国家癌症控制内容”资料，1990年全世界因癌症死亡的人数约为600万,新增病例1000万。我国肿瘤防治办公室的调查资料也显示，全国每年因癌症死亡人数约140万，占我国死亡总人数的20％，居各种死亡原因的第二位，并且仍在以每年1.3％的速度增加。因此，癌症预防和治疗新方法研究是国家“人口与健康”战略目标的主要内容之一。据统计，经不同方法治疗的癌症患者五年存活率已达45％以上，其中，有四成是经过放射治疗的。近年来，癌症放射治疗的治愈率和有效控制率明显提高，放射治疗使某些早期局部性肿瘤获得根治。同时放射治疗对癌症所在部位的器官及其功能的保留有重要意义。
很久以来，放射治疗都采用常规治疗(电子、X和g-射线等)方法，它们对某些肿瘤虽然具有较好的疗效，但由于其物理和生物特性的缺陷，在杀死癌细胞的同时，使周围健康组织也受到较大损伤，造成明显的毒副作用，甚至出现一些并发症。尽管对放射治疗设备进行非常严密的设计，但癌瘤周围的正常组织和器官仍然受到相当剂量的照射。为了避免肿瘤周围的正常组织(特别是对放射线敏感的重要组织和器官)受到不必要的损伤，有时不得不减少总剂量，致使肿瘤靶区得不到足够的照射剂量，因此极大地降低了肿瘤的治愈率。据统计，在所有的常规放疗病人中，约有1/3病人局部肿瘤未能得到控制；另有报告称，在美国每年有10万个癌症病人由于局部肿瘤未控而导致治疗失败。
质子和重离子是重带电粒子，不同于常规射线：由于它们的质量很大，进入人体内的运动可近似看成是直线，质子和重离子在射程的末端能量损失最大，在人体内形成尖锐的“Bragg”峰，离子越重，此峰越窄，形成峰之前是低平坦的坪，峰后是陡直的尾。因而它们在人体内有确定的射程，射程的大小决定于它们能量的大小。利用质子和重离 子能量损失集中于射程末端的性质，在治疗肿瘤时，根据肿瘤的深度来调节质子和重离子能量的大小，使“Bragg”峰位于肿瘤位置，达到对肿瘤的最大程度的杀伤，而且到达肿瘤所必需穿过的正常组织的损伤非常小，肿瘤后面的正常组织几乎不受任何影响。
测量重离子剂量分布一般都是在射线束垂直入射到表面平坦、均匀的水体模中进行的，由于射程一致，获得的深度剂量分布一般都是规整的。将重离子束应用到患者体内，目的是使重离子高剂量区(Bragg峰)包裹照射肿瘤靶区而使正常组织受照射区域最小；在使用重离子束照射肿瘤靶区时，由于人体曲面和组织的不均匀性，重离子束经过的水等效厚度不一致，导致重离子布拉格峰在人体靶区的位置不一致，从而造成高剂量区的照射偏差，伤害到正常组织或危急器官。
为了解决这一问题，一方面需要进行辐射场的横向适应，采用准直器对辐射场进行构形，使辐射场横截面边缘与肿瘤靶区在束流方向最大投影相吻合，即经过束流准直器形成照射野，保护横向的正常组织；一方面要进行组织补偿，在束流方向上调整Bragg峰的深度位置，使之与肿瘤靶区后沿形状相符合，保护肿瘤靶区后沿的正常组织。
目前的束流准直器多为多叶准直器(multi-leaf collimator)，当叶片构形后，在横向上截取与肿瘤靶区在束流方向上的投影轮廓相适形的照射野，射野内的束流可顺利通过，在射野外的束流被叶片阻挡不能通过，从而可实施适形照射治疗。
补偿器是根据患者病灶形状及大小制作的个体设备，其设计参数应由治疗计划软件系统依据靶区重建图像及束流入射路径等因素给出，原理为：沿束流入射方向，确保从补偿器表面任意一点到病灶后沿的水等效厚度相同。目前一般情况下补偿器由轻质组织等效材料如有机玻璃(PMMA)经数控机床加工而成。
目前的准直器和补偿器都是独立的单个设备。尤其是补偿器加工方式仍属于离线加工方法，需要在治疗提前加工出来，时效性不强。且需要为每一各射野加工一个适形块，且材料不能重复利用，成本较高，耗时长，效率不高。因此在适形调强技术层面存在改进的必要性和可行性。
在现有重离子放射治疗中，照射野的横向准直适形和束流纵向的组织补偿(被动的束流强度调节)功能分别由准直器(光阑，多叶光栅等)和组织补偿器(楔形块，铅块等)两个独立的设备来实现。而目前除了准直器这一类别出现了电动多叶光栅准直器之外，组织补偿器(包括楔形块，铅块等)还只能依靠人工加工，手动摆位，并且无法实现组织补偿器的重复利用。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种重离子放射治疗多功能三维适形调强装置。
本发明的又一目的在于提供一种重离子放射治疗多功能三维适形调强方法。
提供一种兼具束流准直功能和组织补偿功能的重离子放射治疗三维适形调强装置，多功能适形调强装置驱动能相向运动的矩形长条相互靠拢，组成一个内凹开口与照射野相一致，内凹表面与肿瘤靶区后沿形状(曲线)相共轭,外廓具有基底的筒状适形调强模体,可直接应用于加速器治疗头，实时自动地完成特异化的束流三维适形调强功能，实现功能整合、自动化和设备的快速循环利用，提高效率，节约成本。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，其主要特点在于：包括有准直模块由相对运动的左合金叶片与右合金叶片构成，根据肿瘤靶区在束流方向上的投影轮廓，在横向上调整各叶片与轮廓的径向距离，构造适形的照射野；补偿模块由能相对运动的左矩形长条与右矩形长条规则地堆叠构成，根据束流能量以及肿瘤靶区三维外形参数，调整左右矩形长条相对径向距离(即调整矩形长条与肿瘤靶区边界的径向距离)，组成内凹腔表面与肿瘤靶区后沿曲面相共轭的适形模块，其中相互吻合的矩形长条形成其外廓基底。
所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，所述的准直合金叶片横向宽度通常为1-5毫米；补偿矩形长条横向宽度通常为1-5毫米，纵向厚度通常为1-5毫米。
所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，所述的准直模块和补偿模块由固定框固连于绕束流轴线(B)旋转运动的旋转底座上。
所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，所述的准直模块的合金叶片和所述的补偿模块的矩形长条均能沿垂直束流轴线(B)方向独立径向运动。。
所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，所述的准直模块和补偿模块构型的形状是内凹开口与照射野相一致，内凹表面与肿瘤靶区后沿曲面相共轭,外廓从准直模块上表面任意一点到肿瘤靶区后沿的水等效厚度相同的基底的筒状适形调强模体。
所述的准直模块叶片的材料为钨合金，补偿模块矩形长条材料为组织等效材料，包括固体水或PMMA或聚四氟乙烯。
所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，所述的准直模块，独立驱动电机通过驱动丝杆驱动所述左合金叶片与右合金叶片独立径向位移。
所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，所述的补偿模块，独立驱动电机通过驱动丝杆驱动所述左矩形长条与右矩形长条独立径向位移。
一种重离子放射治疗多功能三维适形补偿调强方法，其主要特点在于步骤为：
(1)利用重离子放射治疗计划系统，获取所用实体肿瘤计划靶区参数，包括束流方向最大靶区投影，即射野投影，束流能量及对应的水等效贯穿深度，入射路径水等效贯穿厚度分布，即肿瘤靶区后沿曲面分布。
(2)获取适形调强装置设备配置参数，包括准直模块分辨率(矩形叶片横向宽度)和叶片数量；补偿模块分辨率(矩形长条横向宽度和纵向厚度)以及矩形长条数量。
(3)判断是否需要旋转以更好适形，如需旋转，则确定旋转角度后进行束流坐标系转换。否则，进入步骤(4)。
(4)依据束流方向、水等效贯穿深度及靶区贯穿厚度分布参数，计算射野中束流补偿路径厚度分布，并依据适形调强装置设备配置分辨率等参数计算出照射野轮廓和补偿网格；
(5)判断是否需要优化以适应设备配置。如需优化，则通过向下取整的方法优化计算最佳补偿曲面分布；否则进入三维适形调强装置的构型步骤(6)；
(6)三维适形调强装置的构型：准直模块中叶片顺着滑轨径向运动，端面与照射野轮廓相切(或达到规定的距离)时停止运动，所有叶片的组合即构造出射野投影相适形的照射野；补偿模块中，驱动器驱动矩形长条沿滑轨径向运动，当其末端与组织补偿网格相切(或达到规定的距离)时停止运动；两组矩形长条最终形成一个内凹的腔体，即形成了组织补偿块；
(7)最终完成最佳三维适形及调强形态。
本发明的有益效果：
1.实现了准直和补偿功能的自动化，在线变换准直构型和适形补偿构型的时间间隔非常短，提高了工作效率。
2.通过准直和补偿两种不同功能的整合，去掉了离线手工加工补偿器的环节，节省了物料，降低成本。
3.本发明技术方案不再需要对不同模块进行手工离线准直的环节，降低了摆位误差，提高了准直和补偿适形的精度。
4.本发明兼具准直器和补偿器功能，结构紧凑，响应迅速，能快速直接完成重离子适 形调强治疗任务。
5.本发明具有绕束流轴向旋转功能，以适应最佳准直补偿角度。
6.本发明具有开机自动位移校准功能。
附图说明：
图1重离子三维适形调强装置剖面示意图；
图2重离子三维适形调强装置顶视图；
图3靶区照射野投影轮廓及后沿曲面；
图4重离子三维适形调强方法流程图；
图5束流射野下的靶区投影轮廓以及靶区后沿曲面；
图6照射野及补偿网格；
图7重离子三维适形调强装置实际准直补偿构型示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下面对本发明的内容进行详细的说明。
实施例1：见图1、图2和图3，一种重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，包括有准直模块1和补偿模块2；准直模块1由能相对运动的左合金叶片1-1与右合金叶片1-2构成，根据肿瘤靶区在束流方向上的投影轮廓3，在横向上调整各叶片与轮廓的径向距离，构造适形的照射野；补偿模块2由能相对运动的左矩形长条2-1与右矩形长条2-2规则地堆叠构成，根据束流能量以及肿瘤靶区三维外形参数，调整左右矩形长条相对径向距离(即调整矩形长条与肿瘤靶区边界的径向距离)，组成内凹腔表面与肿瘤靶区后沿曲面4相共轭的适形模块，其中相互吻合的矩形长条形成其外廓基底5。
见图1，所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，所述的准直模块1中准直合金叶片1-1,1-2横向宽度通常为1-5毫米；所述补偿模块2中补偿矩形长条2-1,2-2横向宽度通常为1-5毫米，纵向厚度通常为1-5毫米。
见图2，所述的重离子放射治疗多功能三维适形调强装置，所述的准直模块1和补偿模块2由固定框6固连于绕束流轴线(B)旋转运动的旋转底座7上。。
所述的准直模块的合金叶片和所述的补偿模块的矩形长条均能沿垂直束流轴线(B)方向独立径向运动。
见图3，所述的准直模块1和补偿模块2构型的形状是内凹开口与照射野3相一致，内凹表面与肿瘤靶区后沿曲面4相共轭,外廓具有保证从调强装置表面任意一点到肿瘤靶区后沿的水等效厚度相同的基底5的筒状适形调强模体。
所述的准直模块叶片的材料为钨合金，补偿模块矩形长条材料为组织等效材料，包括固体水或PMMA或聚四氟乙烯。
实施例2：见图1、图2，所述的准直模块1，独立驱动电机8通过驱动丝杆9驱动所述左合金叶片1-1与右合金叶片1-2独立径向位移。
所述的准直模块叶片的材料为钨合金。
其余结构与实施例1相同。
实施例3：见图1、图2，所述的补偿模块2，独立驱动电机8通过驱动丝杆9驱动所述左矩形长条2-1与右矩形长条2-2独立径向位移。
所述的补偿模块矩形长条材料为组织等效材料，包括固体水或PMMA或聚四氟乙烯。
其余结构与实施例1相同。
实施例:4：见图4，一种重离子放射治疗多功能三维适形调强方法，其步骤为：
(1)利用重离子放射治疗计划系统，获取所用实体肿瘤计划靶区参数，包括束流能量及对应的水等效贯穿深度，束流方向最大靶区投影，即射野投影，入射路径水等效贯穿厚度分布，即肿瘤靶区后沿曲面分布。见流程S1、S2。
(2)获取适形调强装置设备配置参数，包括准直模块分辨率(矩形叶片横向宽度)和叶片数量；补偿模块分辨率(矩形长条横向宽度和纵向厚度)以及矩形长条数量。
(3)判断是否需要旋转以更好适形，见流程S3；如需旋转，则确定旋转角度后进行束流坐标系转换，见流程S4。否则，进入步骤(4)。
(4)依据束流方向、水等效贯穿深度及靶区贯穿厚度分布参数，计算射野中束流补偿路径厚度分布，并依据适形调强装置设备配置分辨率等参数计算出照射野轮廓3和补偿网格4。见流程S5、S6。
(5)判断是否需要优化以适应设备配置，见流程S7。如需优化，则通过向下取整的方法优化计算最佳补偿曲面分布，见流程S8；否则进入三维适形调强装置的构型步骤(6)；
(6)三维适形调强装置的构型：准直模块中叶片顺着滑轨径向运动，端面与照射野轮廓相切(或达到规定的距离)时停止运动，所有叶片的组合即构造出射 野投影相适形的照射野；补偿模块中，驱动器驱动矩形长条沿滑轨径向运动，当其末端与组织补偿网格相切(或达到规定的距离)时停止运动；两组矩形长条最终形成一个内凹的腔体，即形成了组织补偿块；见流程S9、S10。
(7)最终完成最佳三维适形及调强形态。
补偿模块内腔的形成以补偿厚度最低处为基准。允许最大开口处(最上游开口)超过规定厚度。原因在于尽量保证处于照射野中心的大面积的基底厚度符合要求，同时也能更符合三维曲面适形。见图3。
实验例：
基于中国科学院近代物理研究所自主开发的重离子放射治疗计划系统，结合某实体肿瘤CT数据，我们实施了本发明的应用实例，具体如下所述。
A.利用重离子放射治疗计划系统，获取所用实体肿瘤沿束流方向最大靶区投影，即射野投影。见图5,照射野大致为35mm*23mm矩形范围内的多边形，照射野中心坐标为(15，-10)。
B.依据靶区重建图像及束流入射路径等因素，计算射野中束流补偿路径厚度，给出补偿曲面，见图6，原理为：沿束流入射方向，确保从补偿器表面任意一点到病灶后沿的水等效厚度相同。然后依据矩形长条厚度(z轴步长)和宽度(y轴步长)计算出补偿网格。此时形成一个内凹的腔体，见图6。
C.准直模块中叶片顺着x轴径向运动，端面与射野投影相切时停止运动，即构造出射野投影相适形的照射野；补偿模块中，驱动器驱动矩形长条沿x轴径向运动，当其末端与组织补偿网格相切时停止运动；两组矩形长条最终形成以一个内凹的腔体，即形成了组织补偿块。三维适形调强设备最终准直补偿构型，见图7。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。