[发明专利]一种四维剂量计算系统及存储介质

说明书

本发明涉及一种四维剂量计算方法、系统及存储介质，其特征在于，包括以下步骤：1)建立靶区运动和动态束流配送过程精确的相互作用模型，生成特定治疗计划的动态束流配送时间序列；2)对不同呼吸时相中的体素位置关系进行计算，得到所有扫描点在参考时相上的剂量贡献矩阵；3)将步骤1)得到的动态束流配送时间序列按照步骤2)计算得到的参考时相上的剂量贡献矩阵，按照每个扫描点的权重计算其对参考时相每个体素的剂量贡献，将所有扫描点对参考时相体素的剂量贡献进行累加得到最终的四维剂量分布。本发明可以广泛应用于离子束治疗技术领域。

技术领域

本发明属于离子束放射治疗领域，特别是关于一种离子束放射治疗中基于动态束流配送时间序列的四维剂量计算方法、系统及存储介质。

背景技术

离子束由于其在物理学和生物学上表现出的倒转的深度剂量分布(Bragg峰)特性以及高的相对生物学效应(RBE)，使其在高效杀死肿瘤细胞的同时正常组织得到有效保护，被誉为最理想的放疗用射线。

放射治疗中，首先，通过CT扫描获得患者三维的组织解剖结构信息(3D影像)；其次，医生在获得的3D影像数据中对肿瘤靶区和危及器官进行轮廓勾画；再次，通过设计合理的照射野方向并进行射野照射参数的优化，从而计算得到肿瘤靶区及危及器官的剂量分布；最后，通过评估后的照射计划发送给加速器控制系统，实施对患者肿瘤靶区的精准照射。可以看出剂量计算环节是起到连接患者到加速器控制系统的关键性桥梁作用。然而，对于胸腹部随患者呼吸运动而运动的肿瘤靶区，一方面靶区运动和动态束流配送过程相互作用会导致辐射场内剂量分布严重畸变；另一方面，靶区运动会造成束流入射通道上组织密度发生变化，从而造成束流射程的变化。为充分发挥离子束放射治疗的优势，进一步提高离子束放疗的疗效并减少对周围正常组织的辐射损伤，非常有必要在放射治疗中开展针对运动肿瘤靶区的四维剂量计算方法的研发，这也是目前放疗领域重要的发展方向和趋势。

目前，针对运动肿瘤靶区的剂量计算方法主要分为两种：第一种，在靶区勾画时将靶区轮廓进行外放，外放的标准可以按照医师的经验进行，也可以通过对患者进行四维CT扫描并在每个呼吸时相进行靶区的勾画，从而形成一个包含整个运动范围的肿瘤内靶区，进一步将患者摆位误差等因素考虑进去，形成最终的计划靶区，在该计划靶区上进行照射野的设计以及三维剂量分布的计算；第二种，同第一种方法类似，通过在四维CT扫描上生成计划靶区，并在该计划靶区上进行照射野的设计以及三维剂量分布的优化，区别在于将该三维优化照射参数(如：照射野权重或者照射点剂量权重) 平分在计划设计时每个呼吸时相上，并按照新的权重分布在每个呼吸时相上重新计算对应的局部剂量分布，最后通过形变配准的方法将这些局部剂量分布形变到参考呼吸时相并进行累加，从而形成最终的四维剂量分布。对于第一种方法，剂量计算过程和传统三维剂量计算方法完全一致，没有考虑靶区运动和束流配送的相互作用过程，没有考虑不同呼吸时相组织密度的变化；对于第二种方法，虽然将权重因子在不同呼吸时相进行平分，并重新计算了每个呼吸时相的局部剂量分布，最后在参考时相进行累加，但是同样没有考虑靶区运动和动态束流配送过程的相互作用。

影响四维剂量分布的因素有很多，从患者角度包括：呼吸运动周期、运动幅度、靶区形变等；从加速器角度包括：剂量率、扫描路径、扫描速度、束流时间结构、加速器运行模式等；从治疗计划角度包括：射野方向、处方剂量、分次照射方案、扫描点分布等。可以看出，靶区运动和动态束流配送过程是一个高维问题，任何影响时间线的因素都会对四维剂量分布产生影响。然而，目前的剂量计算方法没有考虑上述动态束流配送过程中的时间因素，没有考虑靶区运动和动态束流配送的相互作用过程，从而计算得到的剂量分布无法反映实际的剂量分布，也就无法对实际照射剂量进行评估并进行治疗计划的调整。因此，目前的剂量计算方法不适用于动态靶区的四维剂量分布计算。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于动态束流配送时间序列的四维剂量计算方法、系统及存储介质，从实际治疗计划出发，根据真实的动态束流配送过程和靶区运动参数，动态计算每个呼吸时相的扫描点位置和权重分布，从而真实再现实际照射的四维剂量分布，为临床治疗提供评价依据并指导放疗计划的调整，从而实现精准的离子束放射治疗。