CN111437520B - 一种在放射治疗中同步实时演算放疗射束角度的方法 - Google Patents

Abstract

一种在放射治疗中同步实时演算放疗射束角度的方法，该方法包括以下步骤：模拟定位机肿瘤靶区细胞位置，确定初始加速器射束角度；建立人体坐标系；得到与靶区细胞有关的加速器射束角度三维变换矩阵；通过三维三角函数来模拟肿瘤靶区细胞的挪移；由肿瘤靶区细胞的坐标变化相应调整加速器的射束角度，得到一个与靶区细胞运动有关的三维射束角度集合；建立一个危机细胞所受射线角度的禁忌表并进行判断；建立与肿瘤靶区细胞坐标位置有关的可用加速器射束角度数据库；利用IRIS系统实时监控肿瘤靶区细胞的位置，并反馈给计算机；计算机比对已有射束角度数据库，相应调整射束角度。

Description

一种在放射治疗中同步实时演算放疗射束角度的方法

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，具体为一种在放射治疗中根据肿瘤位置同步实时演算放疗射束角度的方法。

背景技术

随着目前环境污染日益严重，肿瘤逐渐成为人们健康及生命的最大威胁，放射治疗是治疗肿瘤的有效方法之一，包括体外照射和体内照射两种方式。它利用高能量的放射线束杀死癌细胞，从而达到治愈癌症，或减轻病人的痛苦、改善病人生活质量的目的。

放射治疗计划的要求通常包括如下几个方面：均匀(homogeneity)，适形(conformity)，简便(simplicity)以及避免对敏感组织的损伤(avoidable)，因此如何准确定位肿瘤细胞对其进行射束精准打击的同时，避开健康的重要器官对于有效治疗至关重要。

而发明人发现在实际放疗过程中，由于人体解剖结构的动态特性、病人的体位变化以及病人的呼吸，病人器官和胸部、腹部以及前列腺等部位的肿瘤靶区在治疗过程中发生一定挪移，这使得放射治疗时射束照射可能会不够准确，而没有精准定位到肿瘤细胞，无法进行有效治疗，更甚者射束可能会照射到健康细胞，对重要的健康器官造成不可磨灭的损失。

目前针对放疗过程中由体位和呼吸引起的肿瘤靶区挪移的解决技术有：在靶区内部植入信号应答器来实现磁场定位能够得到精确的靶区实时运动信息，但是增加了应用的复杂性；Berbeco提出了IRIS系统(Integrated radiotherapy imaging system)，即集成放射治疗成像系统来进行定位。系统由机架安装的诊断(kV)X射线管和快速可读平面非晶硅探测器组成，具有三个主要功能：三维(3D)X光探测，锥形束CT和实时肿瘤/标记物跟踪。但这些解决方案往往只是侧重于如何对肿瘤靶区进行实时定位，却没有考虑到如何在确定靶区实时位置后，调整相应的放疗射束角度来实时匹配移动的靶区，并且避免对病人其他重要健康部位造成损伤。

发明内容

为克服上述现有技术的不周到之处，本发明提供了一种在放射治疗中根据肿瘤位置同步实时演算放疗射束角度的方法，提高放疗射线的准确率，提高放射治疗效果，避免放疗射束伤害到健康细胞。

该方法包括以下步骤：

由模拟定位机定位病人的肿瘤靶区细胞位置，由有经验的医师确定初步放射治疗计划，确定初始加速器射束角度；

以肿瘤靶区几何中心点为原点，以人体前后、左右、上下三个方向建立人体坐标系；

建立起加速器坐标系为全局坐标系，定义患者坐标系为局部坐标系。若每次患者治疗时肿瘤靶区不存在挪移，则加速器坐标系和患者坐标系完全重合，则可得到与靶区细胞有关的加速器射束角度三维变换矩阵；

考虑病人每次治疗时体位发生变化以及病人的呼吸运动，提出一个三维三角函数来模拟肿瘤靶区细胞随时间的移动；

由肿瘤靶区细胞的坐标变化相应调整加速器的射束角度，得到一个与靶区细胞运动有关的三维射束角度集合；

建立一个会波及到肿瘤靶区细胞周边的危机细胞所受射线角度的禁忌表，判断上一步所得射束角度是否属于禁忌表；

建立与肿瘤靶区细胞坐标位置有关的加速器射束角度数据库；

进行实际放射治疗时，通过加速器上安装的IRIS系统实时监控肿瘤靶区细胞的位置，并反馈给计算机；

计算机不断与训练得到的射束角度数据库比对，确认肿瘤靶区细胞位置，确定与之对应的加速器射束角度，对当前角度进行实时调整。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种在放射治疗中根据肿瘤位置同步实时演算放疗射束角度的方法，根据已知的病人体位和呼吸引起的器官轻微挪移，肿瘤靶区出现一定移动，实时调整放疗射束的角度，提高了放疗过程中对于肿瘤靶区发出射线的准确率，提高了放射治疗效果，通过设置禁忌搜索表，最大限度避免放疗射束照射重要部位的健康细胞，将放射治疗对病人的伤害降到最低。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本方法的具体实施流程图；

图2为以病人肿瘤靶区几何中心为原点建立的人体坐标系以及对应射束角度；

图3为模拟的肿瘤靶区细胞由于体位和呼吸而出现的挪移轨迹。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种在放射治疗中根据肿瘤位置同步实时演算放疗射束角度的方法，具体实施步骤结合附图1阐释如下：

步骤1：通过模拟定位机对肿瘤进行定位，建立器官模型并确定肿瘤靶区，确定初步放射治疗计划，包括布野方式，射野方向等。

步骤2：在实际射束治疗前使用KV射线成像获取一组二维图像信息，根据所得信息，以患者肿瘤靶区的几何中心O为原点，建立空间直角坐标系作为人体坐标系，该坐标系包含相互垂直的三个坐标轴分别为X轴、Y轴和Z轴，其中，X轴沿人体手臂展开左右方向，Y轴沿人体前后方向，Z轴沿人体头脚方向，如图2；

步骤3：将患者的摆位误差考虑为刚体问题，则建立全局加速器坐标系，定义患者坐标系为局部坐标系。若每次患者治疗时肿瘤靶区不存在挪移，则加速器坐标系和患者坐标系完全重合。射束角度三维坐标变换矩阵K可依据沿X，Y，Z方向上的θ_x，θ_y，θ_z获得，如下：

步骤4：在人体坐标系中，将可能出现的人体体位和呼吸引起的肿瘤靶区的移动模拟为如下三个方向的运动：

三个维度都为正弦函数，运动周期为4s。运动幅度分别为6mm、20mm和10mm，x方向与y、z方向的运动之间存在的

相位差，来描绘呼吸运动中常见的驰豫现象，同时在三个方向上均加上独立的方差为1mm的高斯噪声，以解释不同呼吸运动周期之间的差异，(x₀，y₀，z₀)表示了运动轨迹的平移向量，在该模拟中设为(1，1，1)，模拟出的靶区细胞运动轨迹如图3所示。

步骤5：根据前述步骤中建立的坐标系及靶区运动轨迹，确定没有体位变化和呼吸运动的初始时刻T₀时，射束矢量初始值

此时对应三维射束角(θ_x0，θ_y0，θ_z0)。由于步骤5中肿瘤靶区细胞的移动，T_i时刻靶区中心坐标O₁(x_i,y_i,z_i)，此时射束矢量应调整为OO_i，则由步骤3中的变换矩阵：

可以求出K_i中对应的三维角度(θ_xi，θ_vi，θ_zi)。重复多次上述步骤，得到一个与肿瘤靶区细胞坐标有关的射束角度集合。

步骤6：基于蚁群算法的思想，将肿瘤靶区附近重要的健康器官的坐标确定出来，同时换算成其对应的射束角度，建立一个禁忌表，

步骤7：判断步骤5中所得射束角度是否属于禁忌表，若是则对其进行调整，避开重要健康细胞，若否，则直接将数据加入可用的射束角度库。

步骤8：在实际治疗时，由安装于加速器机架上并随机架旋转的IRIS系统实时测量肿瘤靶区细胞的位置。IRIS系统能够忽视病人体位和呼吸运动的影响，实时监测肿瘤靶区细胞的空间位置，得到靶区中心点移动后的x、y、z三维坐标，通过换算得到射束角度。

步骤9：将步骤8中得到的靶区细胞的实时位置坐标，与步骤7中建立的可用射束角度库进行对照分析，得到靶区细胞在该位置时的射束角度，再反馈到放疗设备对其射束角度进行实时调整。

Claims (5)

1.一种在放射治疗中同步实时演算放疗射束角度的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：由模拟定位机定位病人的肿瘤靶区细胞位置，确定初始加速器射束角度；

步骤2：以肿瘤靶区几何中心点为原点建立人体坐标系,其中以患者肿瘤靶区的几何中心O为原点，建立空间直角坐标系作为人体坐标系，X轴沿人体手臂展开左右方向，Y轴沿人体前后方向，Z轴沿人体头脚方向；

步骤3：定义加速器坐标系为全局坐标系，定义步骤二中所建立人体坐标系为局部坐标系，得到与靶区细胞有关的加速器射束角度三维变换矩阵，射束角度三维坐标变换矩阵K可依据沿局部人体坐标系中X，Y，Z方向上的θ_x，θ_y，θ_z获得，如下：

步骤4：肿瘤靶区细胞因体位和呼吸而随时间的移动，在人体坐标系中模拟为如下三个方向的运动：

其中(x₀，y₀，z₀)表示了肿瘤靶区细胞初始时刻在人体坐标系中的三维位置，t表示放疗进行的时间；

步骤5：由肿瘤靶区细胞的坐标变化来相应调整加速器的射束角度，使之有效与肿瘤细胞位置契合，得到一个与靶区细胞运动有关的三维射束角度；

步骤6：基于蚁群算法的思想，将肿瘤靶区附近重要的健康器官的坐标确定出来，同时换算成其对应的射束角度，建立一个禁忌表；

步骤7：判断步骤5中所得射束角度是否在禁忌表中，若否，则将所得射束角度加入数据库中；若是，则返回步骤5，得到新的射束角度重新与禁忌表中比对，最终得到完整的与肿瘤靶区细胞坐标位置有关的三维射束角度数据库；

步骤8：实际治疗时，通过IRIS系统实时监控靶区细胞的位置，并反馈给计算机；

步骤9：将步骤8中得到的靶区细胞的实时位置坐标，与步骤7中建立的可用射束角度库进行对照分析，得到靶区细胞在该位置时的可用射束角度，再反馈到放疗设备对其射束角度进行实时调整。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述人体坐标系建立过程为：在实际射束治疗前使用KV射线成像获取一组二维图像信息，根据所得信息，以患者肿瘤靶区的几何中心O为原点，建立空间直角坐标系作为人体坐标系，X轴沿人体手臂展开左右方向，Y轴沿人体前后方向，Z轴沿人体头脚方向。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，三个方向的运动函数为正弦函数，运动周期为4s，运动幅度分别为6mm、20mm和10mm，x方向与y、z方向的运动之间存在的

相位差，来描绘呼吸运动中常见的驰豫现象，同时在三个方向上均加上独立的方差为1mm的高斯噪声，以解释不同呼吸运动周期之间的差异。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，三维射束角度集建立的具体步骤为：确定没有体位变化和呼吸运动的初始时刻T₀时，射束矢量初始值

此时对应三维射束角(θ_x0，θ_y0，θ_z0)，由于肿瘤靶区细胞的移动，T_i时刻靶区中心坐标O₁(x_i,y_i,z_i)，此时射束矢量应调整为OO_i，则由变换矩阵：

可以求出K_i中对应的三维角度(θ_xi，θ_yi，θ_zi)，重复多次上述步骤，得到一个与肿瘤靶区细胞坐标有关的射束角度集合。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若根据肿瘤靶区细胞的坐标变化调整加速器得到契合靶区细胞位置的射束角角度属于禁忌表，则对其进行调整，避开重要健康细胞，得到新的射束角度集合。

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