[发明专利]使用异质性补偿迭加进行用于放射疗法的剂量计算

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年9月29日提交的美国临时申请第61/540,773号的优先权，其全部公开内容通过引用的方式并入本文。

背景技术

1.发明领域

本发明涉及放射治疗系统，更具体而言，涉及放射物质非匀质分布的放射治疗系统。

2.相关技术的讨论

放射治疗是医学使用放射来治疗恶性的细胞，例如癌细胞。这种放射可以具有电磁的形式，例如高能光子，或者具有微粒的形式，例如电子、质子、中子或者阿尔法粒子。

迄今为止，在现今实践中使用得最普遍的放射形式是高能光子。光子在人体组织中的吸收是由放射的能量及相关组织的原子结构所确定的。在放射肿瘤学中采用的能量的基本单位是电子伏特(eV)；10³eV＝1keV,10⁶eV＝1MeV。在治疗性能量的光子和组织之间的三个主要的相互作用是：光电效应、康普顿效应(Compton effect)和电子偶的产生(pair production)。

在光电效应中，传入的光子将能量传递给被紧密束缚着的电子。光子几乎将它所有的能量传递给电子，然后不复存在。电子利用来自光子的大部分能量而脱离，并且开始使周围的分子离子化。这种相互作用取决于传入的光子的能量以及组织的原子数量；能量越低且原子数量越高，则光电效应越有可能发生。使光电效应在组织中占优势的能量范围约为10keV到25keV。

康普顿效应是用于癌症治疗的最重要的光子与组织的相互作用。在这种情况下，光子与“自由电子”(即没有被紧密束缚到原子的电子)碰撞。与光电效应不同，在康普顿相互作用中，光子与电子都被散射。虽然能量较低，但光子之后仍可以继续承受另外的相互作用。电子利用光子给它的能量开始离子化。康普顿相互作用的概率与传入的光子的能量成反比，并且独立于材料的原子数量。康普顿效应在25keV到25MeV的范围内占优势，并且因为大多数放射治疗在大约6MeV到20MeV的能量下执行，所以康普顿效应是临床上最经常发生的相互作用。

在电子偶的产生中，光子与原子核相互作用。光子把能量给原子核，并且在此过程中创造粒子的正电子-电子偶。正的电子(正电子)离子化直到其在正电子-电子湮没中与自由电子结合。这种正电子-电子湮没产生在相反方向上运动的两个光子。电子偶产生的概率与传入的光子的能量的对数成正比，并且取决于材料的原子数量。使电子偶占优势的能量范围为大于等于25MeV。这种相互作用在某种程度上在使用高能光子射束的常规放射治疗中发生。

随着高能线性加速器的出现，在治疗深度达到大约5cm的浅表肿瘤方面电子变为可行的选择。电子深度剂量特性的独特之处在于其产生高皮肤剂量，但是仅在几厘米后就表现出衰减。

电子在人体组织中的吸收极大的受到存在气孔(air cavities)和骨骼的影响。电子射束最通常的临床使用包括对皮肤病变(比如基底细胞癌，以及先前接收过光子放射的面积(比如乳癌病人在乳房肿瘤切除术或乳房切除术后的伤疤)的增大，以及在头部和颈部选择的结节区域)的治疗。

快速、精确的剂量计算算法对于放射疗法计划而言十分重要，因为该放射疗法计划是确保对特定病人给予所希望的剂量的唯一可用的方法。剂量计算包括两部分：源模型和传输模型。源模型提供入射流量。传输模型计算由入射流量产生的剂量，并且目前是性能瓶颈。三个主要的传输算法以增加的精确性/减少的性能的次序依次是笔状射束、迭加/卷积和蒙特卡洛(Monte Carlo)。迭加/卷积是计算外部射束放射疗法的放射剂量的当前临床标准方法。

近年来，通过使用强度调节提高了治疗质量。这种技术使用多叶准直器限定根据单一射束方向的多孔径，以提供改变穿过射束的放射强度的能力。这种技术允许使放射治疗符合目标的形状，并且在射束参数的数量急剧增长时避免临界的结构。为了确定多叶准直器最佳的一组设置，治疗计划系统必须通过剂量计算的多次迭代使射束参数的数量急剧增长的目标函数最优化。在实践中，为了对病人达到可能的最好结果，治疗计划者多次重复该最优化。因此，当对一组五个射束的单一最优化可能需要五分钟时，整个过程可能需要几小时来产生临床可接受的计划。这就限制了在临床工作流程中强度调节计划的数量和质量。