精确放射治疗计划系统

摘要

本发明公开一种精确放射治疗计划系统，主要包括：再现人体器官与肿瘤靶区的三维医学图像重建模块、高精确度光子束三维剂量计算模块、高精确度电子束三维剂量计算模块、光子束和电子束常规照射方案设计模块、光子束和电子束适形照射方案设计模块、光子束调强治疗的逆向计划方案设计模块；独立解决了放射治疗计划系统的主要和关键技术，发展了光子束和电子束在非匀均人体介质中三维剂量分布的高精确度算法和快速精确的调强优化方法，大大提高了对病人体内肿瘤靶区投放剂量的准确度，由于大大提高了计算剂量速度，使先进的适形和调强放射治疗计划系统投入临床使用成为可能，为提高放射治疗疗效和改进病人的生存质量作出了重要贡献。

主权项

1、一种精确放射治疗计划系统，主要包括：再现人体器官与肿瘤靶区的三维医学图像重建模块、高精确度光子束三维剂量计算模块、高精确度电子束三维剂量计算模块、光子束和电子束常规照射方案设计模块、光子束和电子束适形照射方案设计模块、光子束调强治疗的逆向计划方案设计模块、以及机器参数和放射治疗计划输出模块，其特征在于：a)再现人体器官与肿瘤靶区的三维医学图像重建模块，主要包括对CT扫描图像进行断层图像分割；通过基于切片级表面三维重建，生成肿瘤靶区和紧要器官的重建三维医学图像；b)高精确度光子束三维剂量计算模块，主要包括高精确度地确定光子束在人体内各点处产生的剂量，它由以下步骤组成：第一步：将光子束离散化为一系列微小矩形截面的微束光子；第二步：应用基于特征线算法的光子笔束模型，计算每一微束光子在人体内各空间点处产生的剂量；第三步：计入医用加速器光子束能谱对计算点微束光子剂量的影响，对该点剂量进行修正；第四步：计入人体密度对计算点微束光子剂量的影响，对该点剂量进行修正；第五步：计入皮肤表面弯曲对计算点微束光子剂量的影响，对该点剂量进行修正；第六步：确定一个光子束中所有微束光子在计算点所产生的剂量；第七步：确定全部光子束在计算点所产生的剂量；c)高精确度的电子束三维剂量计算模块，是高精确度地确定电子束在人体内产生的三维剂量分布，包括以下步骤：第一步：将电子束离散化为一系列微小矩形截面的微束电子；第二步：应用混合电子笔束模型，计算微束电子在人体各点处产生的剂量；第三步：应用医用加速器的电子束能谱对计算点的剂量进行修正；第四步：计入皮肤表面弯曲性对计算点的微束电子剂量进行修正；第五步：在计入了电子束能谱、皮肤表面弯曲和电子束非规则射野的强度矩阵影响后，计算电子束在被照射人体中的三维剂量分布；第六步：在多束电子适形照射情况下，计算全部电子束在人体内各空间点处产生的剂量，得到多束电子适形照射在人体中产生的剂量分布：d)光子束或电子束适形照射方案设计模块，包括以下步骤：第一步：获取被照射病人的人体密度矩阵信息；第二步：获取与光子束或电子束相关的医用加速器的机器参数数据；第三步：完成光子束或电子束照射野的适形照射设计，包括：①确定加速器出口处光子束截面至肿瘤的投影区域，或加速器出口处电子束截面至肿瘤的投影区域；②依据该投影区域决定适形照射野的形状与大小；③安排多叶准直器钨片或挡铅，遮挡适形照射野以外的区域；④精确计算适形照射野在病人肿瘤区内的剂量分布：对采用光子束照射，调用高精确度光子束三维剂量计算模块，计算光子束在人体中的三维剂量分布，或者对采用电子束照射，调用高精确度电子束三维剂量计算模块，计算电子束在人体中的三维剂量分布；⑤依据计算得到的精确剂量，调整与控制加速器，使之从加速器发射出的射束直接照射在肿瘤区域内；第四步：计算光子束或电子束适形放射治疗的剂量；e)光子束调强治疗的逆向计划方案设计模块，主要包括有如下内容：第一步，设置光子束：包括设置光子束射束数目，对每一光子束都确定一个射束方向，将确定方向的每束光子射束在参照截面上的射野划分成很多微束光子，称为光子射束元，同时将肿瘤区域和附近的紧要器官划分成很多体积元，再确定要计算剂量的肿瘤和附近紧要器官的全部空间点的总数和这些空间点的位置坐标；第二步，调用高精确度光子束三维剂量计算模块，应用基于特征线算法的光子笔束模型，计算标号为i的单位强度光子射束元，在肿瘤靶区与紧要器官上标号为j的计算点处所产生的剂量d(i，j)，当该光子射束元i的强度为I(i)时，计算该光子射束元i在计算点j处产生的剂量d(i，j)×I(i)；第三步，假定每一光子射束元的强度为I(i)，计算全部光子束的所有射束元在肿瘤靶区与紧要器官上标号为j的计算点处所产生的剂量然后再逐一对肿瘤靶区和紧要器官上的全部计算点进行剂量求和计算，这里的求和符号上的标记n，表示对全部光子束的所有射束元数目求和；第四步，根据医生对肿瘤靶区确定的处方剂量和紧要器官上的容忍剂量，要求对全部光子射束元的强度进行设计，使得在靶区和紧要器官全部计算点上计算出的投放总剂量，正好为医生想要赋于的处方剂量p(j)，其数学表达式为：$p\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}d(i,j)\times I\left(i\right)$        j＝1，2，3，....n该方程的矩阵形式为：$D\overrightarrow{I}=\overrightarrow{P}$D为光子射束元剂量矩阵，其矩阵元为d(i，j)；是光子射束元的强度向量，其向量表达式为$\overrightarrow{I}=[I_1,I_2.....I_n];$是医生对肿瘤靶区和紧要器官确定的处方剂量向量，其向量表达式为$\overrightarrow{P}=[p_1,p_2.....p_n];$鉴于依据医生给出的处方剂量向量从该矩阵方程求解出所需要的光子射束元强度向量的实际困难，提供一种K空间投影算子算法来解决，具体作法是：①事先要求所解得的光子射束元强度向量，应满足如下精度条件：$\left|\right|D\overrightarrow{I}-\overrightarrow{P}\left|\right|<ϵ,$ 这里ε是医生给出的精度指标，②用光子射束元剂量矩阵D与处方剂量向量构造K空间的向量基底：${\overrightarrow{\zeta }}_1=D^1\overrightarrow{P}$${\overrightarrow{\zeta }}_2=D^2\overrightarrow{P}$…………其中D^(m)代表用光子射束元剂量矩阵D自乘m次，这样就构成了一个m维的K^(m)空间的基底向量$W=\left[\begin{array}{ccccc}{\overrightarrow{\zeta }}_1,& {\overrightarrow{\zeta }}_2,& ···& {\overrightarrow{\zeta }}_{m-1},& {\overrightarrow{\zeta }}_m\end{array}\right],$③将处方剂量向量投影到K^(m)空间基底上，得到在K^(m)空间中的投影向量${\overrightarrow{I}}^m=W^{*}{\left(W^{T}W\right)}^{-1}{W}^T\overrightarrow{P}$其中，$W=\left[\begin{array}{ccccc}{\overrightarrow{\zeta }}_1,& {\overrightarrow{\zeta }}_2,& ···& {\overrightarrow{\zeta }}_{m-1},& {\overrightarrow{\zeta }}_m\end{array}\right],$$W^{*}=[\overrightarrow{P},{\overrightarrow{\zeta }}_1,.....{\overrightarrow{\zeta }}_{m-2},{\overrightarrow{\zeta }}_{m-1}],$W^T是W的转置矩阵，(W^TW)^-1为(W^TW)的逆矩阵；④当计算次数推维到m次时得到的计算误差${\Delta }_m=\left|\right|D{\overrightarrow{I}}^{\left(m\right)}-\overrightarrow{P}\left|\right|<ϵ$第一次成立，完成扩维计算过程，将此時得到的作为满足医生设定处方剂量需要的可用光子射束元强度第五步，在获得了光子束的强度分布数据后，将光子束强度分布数据，转化为实施调强放射治疗的多叶准直器叶片的运动参数，或者依据该数据设计一组厚度能满足病人调强放射治疗需要的由铅合金板制成的补偿器。