【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種質量評估(qa)方法，用于確保已根據治療計劃系統(tps)所確定的計劃裝置設計令人滿意地制造出實際的束整形裝置，以在包括腫瘤細胞的治療區內沉積計劃劑量分布(pdd)。本方法不需要使用粒子加速系統。本方法的優點還在于，在許多情況下，它可以識別出實際的束整形裝置中潛在地導致與計劃劑量分布(pdd)有所偏差的幾何缺陷或密度缺陷。這些由于制造而引起的缺陷可以在隨后的制造過程改進中得到校正。
技術介紹
0、專利技術背景
1、用粒子或波(比如電子束、質子束、重離子束、x射線、γ射線等)的輻射療法已成為治療腫瘤患者的必要工具。
2、由于某一區內所包括的腫瘤細胞和健康細胞都會被輻照，因此癌癥治療中的第一個挑戰是限定治療計劃，從而確保將所限定的劑量沉積到腫瘤細胞中以有效地破壞或殺死腫瘤細胞，同時限制沉積到健康細胞中的劑量以盡可能不傷害健康細胞。第二個挑戰是將所限定的劑量實際沉積到腫瘤細胞中，而按計劃將有限的劑量實際沉積到健康細胞中。
3、不同的輻射模態以不同的模式沉積它們的能量。例如，x射線將其大部分能量沉積在皮膚水平附近，并且沉積的能量隨著穿透到組織中的深度增加而降低。因此，位于腫瘤細胞治療區上游的健康組織接受到的劑量高于位于該治療區中的細胞接受到的劑量。相比之下，帶電粒子束(比如質子和碳離子)將其大部分能量沉積在其束路徑末端附近，從而形成所謂的布拉格峰(bragg?peak)。
4、從粒子加速器的噴嘴出來的帶電粒子形成窄的筆形束。為了覆蓋實際大小的治療區，必須將筆形束經箔片散射
5、筆形束掃描(pbs)是一種主動掃描技術，包括將帶電粒子的pbs束(或細束)沿著對應的束軸(xi)朝向束斑矩陣的各個束斑轉向，束斑矩陣限定包括腫瘤細胞的治療區。因此，預定目標劑量被沉積到由各個束斑覆蓋的細胞中。pbs束沿著對應的束軸(xi)轉向，并且劑量沉積根據治療計劃進行，該治療計劃限定了要沉積到由沿著束軸(xi)的給定束斑覆蓋的每個細胞中的劑量(dij)、以及束斑輻照的掃描順序。pbs通過對被治療的區域進行整形以反映腫瘤的幾何形狀，減少對周圍非癌細胞的不必要的輻射暴露。除了靶區的幾何形狀外，pbs還允許對每個pbs束的強度進行局部調諧，以實現靶區內所需的劑量分布。
6、pbs是非常有利的，因為它優化了劑量沉積的幾何分布而使之與包圍腫瘤的治療區(v)的幾何形狀相匹配。然而，pbs治療時間可能很長，因為pbs束必須掃描每個束斑(sij)和每個能量層(tj)。將pbs束從束軸(xi)移動到不同的束軸(x(i+1))需要幾毫秒的時間。改變平行于給定束軸(xi)的給定pbs束的能量以將期望劑量(dij)沉積到不同層(tj)的細胞(cij)中更加耗時，大約需要500ms。因此，層(tj)數量對治療持續時間有很大影響。
7、節省治療時間會減少每個患者對粒子加速器的占用時間。對患者來說也更舒適。還有利的是，治療計劃包括flash輻照，其中，劑量以至少1gy/s或甚至上至至少40gy/s的高劑量率(hdr)被沉積到細胞中。相對于以較低的常規劑量率(cdr)沉積的給定劑量，以hdr沉積的相同劑量已顯示出不傷害健康細胞。flash輻照特別要關注的是，沉積到腫瘤細胞中的給定劑量無論是以hdr還是以cdr沉積都具有相同的殺死效果。
8、通過pbs將預定劑量(dij)沉積到治療區中可以通過使用脊形濾波器和單個能量層的pbs束來實現。脊形濾波器要求每層的束斑沿著對應的束軸(xi)對準。在本領域中已經描述了包括呈平滑銷或階梯金字塔或波峰形式的能量降級單元的脊形濾波器。例如，ep21208699描述了一種脊形濾波器，該脊形濾波器包括呈在支撐基底中根據束斑陣列并排布置的孔口或銷形式的多個能量降級單元。每個能量降級單元由一個或多個子降級單元形成，該一個或多個子降級單元呈具有截面面積(ai)的廣義柱形幾何形狀的孔口或銷形式、并且沿著對應的束軸(xi)從支撐塊延伸。例如，同一能量降級單元的子降級單元可以沿著對應的輻照軸線(xi)彼此上下堆疊。子降級單元疊加而形成每個能量降級單元允許沿著對應的束軸(xi)對擴展布拉格峰(sobp)進行整形并增加其寬度。
9、脊形濾波器的原理是，沿著對應的束軸(xi)定向的、具有給定能量的束(100.i)的各部分穿過濾波器的不同材料厚度，從而產生射程不同的布拉格峰，這些布拉格峰疊加而產生均勻的sobp，該sobp沿著對應的束軸(xi)從治療區(v)的上游邊界延伸到該區的下游邊界，從而沿著xi跨越該區的整個深度。脊形濾波器可以與包括射程移位器和射程補償器的其他束整形裝置集成或組合。
10、雙重散射質子療法是一種被動散射技術，其中，寬束穿過均勻的第一散射體并在第二散射體上產生高斯束剖面，該第二散射體在某種程度上必須是不均勻的，從而修改高斯分布以及束能量。雙重散射技術中所使用的束整形裝置包括射程補償器(以控制能量剖面)和孔徑(以控制輻照截面的形狀)。后續，除非另有明確定義，否則術語“束”用于指針對pbs應用的pbs束(或細束)和針對雙重散射應用的寬束兩者。
11、產生患者的ct掃描圖像，其值被轉換為質子阻止本領。通過治療計劃系統(tps)產生一個或多個束整形裝置的計劃裝置設計，計劃裝置設計對束進行整形而使之與包括腫瘤細胞(3t)的治療區(v)的幾何形狀相匹配，以將特定劑量(dij)沉積到治療區(v)內的特定位置中。因此，可以生成計劃劑量分布(pdd)，從而滿足由醫生設定的、治療區和周圍健康組織中劑量沉積的目標。
12、根據對應的計劃裝置設計制造一個或多個束整形裝置。可以使用不同的技術，包括機加工，但如今，3d打印在成本效益、快速性及其生成精細且復雜的幾何形狀的能力方面具有優勢，而且適合于此技術的材料種類繁多。
13、然而，無論是機加工還是3d打印，都無法保證完全根據計劃裝置設計生成束整形裝置?？赡軙霈F若干個制造誤差，可能包括束整形裝置的塔狀部或腔部的寬度和高度上的誤差，或者脊形濾波器的能量降級單元的軸線可能會偏離對應的束軸。材料的密度在裝置的整個體積中可能是不均勻的，而且裝置的主體中可能會存在氣泡，束整形裝置的被設計為平坦基底的表面可能會從3d打印機中翹曲或彎曲。
14、取決于其大小，這些打印誤差可能會導致劑量分布不同于tps試圖實現的計劃劑量分布。例如，蒙特卡羅模擬(monte?carlo?simulation)已經示出，塔狀部的標稱寬度或高度與所打印的寬度或高度之間的偏差應小于1mm，以避免劑量分布的顯著偏差。因此，在制造出束整形裝置之后，需要進行質量控制程本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種用于評估根據計劃裝置設計(11d)制造的束整形裝置(11)的質量的方法，所述束整形裝置用于對粒子加速器系統所發射的一個或多個加速粒子束(100.i)進行整形，所述方法包括：
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述參考劑量分布(rDD)是：
3.根據前一項權利要求2所述的方法，其中，所述參考劑量分布(rDD)是以下任一個：
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述束整形裝置(11)的CT掃描以不超過0.5mm、優選地不超過0.2mm的CT體素大小進行。
5.根據前一項權利要求4所述的方法，其中，所述計劃裝置設計(11d)是使用TPS、優選地使用與根據權利要求1所述的步驟(f)中的相同的TPS根據所述治療計劃(TP)以類似于或小于所述CT體素大小的體素大小創建的。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，將所述計算所得劑量分布(cDD)與所述參考劑量分布(rDD)進行比較使用γ評價進行，并且其中，如果在所述參考劑量分布(rDD)的預定百分比的體素中獲得了低于或等于參考γ值(γr)的γ值(γ)(即，γ
7.根據權利要求6所述的方法，其中，如果在所述參考劑量分布(rDD)中的預定數量的體素中，所述γ值(γ)高于所述參考γ值(γr)(即，γ>γr)，則所述束整形裝置(11)不合格，并且將根據所述實際CT圖像(11a)確定的所述尺寸和局部材料密度與所述計劃裝置設計(11d)或與根據權利要求2所述的計算所得高分辨率計劃裝置設計(11hrd)進行比較，以識別所述束整形裝置(11)的尺寸和局部材料密度與所述計劃裝置設計(11d)的偏差。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，
9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，通過所述束整形裝置(11)的CT掃描獲得的、所述裝置的實際CT圖像(11a)呈由CT亨氏單位(HU)表征的灰度圖像的形式，并且其中，通過將所述HU變換成對應的密度來確定所述局部材料密度。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，通過3D打印或機加工以選自聚合物、或金屬、或其任意組合的材料來生產所述束整形裝置(11)。
11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述束整形裝置(11)是脊形濾波器(11f)，所述脊形濾波器包括一組能量降級單元(11.i)，其中，每個能量降級單元(11.i)被配置成將對應的帶電粒子束(100.i)的初始能量(E0)降低到降低的能量(Ei)，使得劑量根據所述計劃劑量分布(pDD)沉積到所述治療區(V)中。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述能量降級單元(11.i)呈以下任一形式：
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述能量降級單元(11.i)由一個或多個子降級單元(11.ij)形成。
...【技術特征摘要】
1.一種用于評估根據計劃裝置設計(11d)制造的束整形裝置(11)的質量的方法，所述束整形裝置用于對粒子加速器系統所發射的一個或多個加速粒子束(100.i)進行整形，所述方法包括：
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述參考劑量分布(rdd)是：
3.根據前一項權利要求2所述的方法，其中，所述參考劑量分布(rdd)是以下任一個：
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述束整形裝置(11)的ct掃描以不超過0.5mm、優選地不超過0.2mm的ct體素大小進行。
5.根據前一項權利要求4所述的方法，其中，所述計劃裝置設計(11d)是使用tps、優選地使用與根據權利要求1所述的步驟(f)中的相同的tps根據所述治療計劃(tp)以類似于或小于所述ct體素大小的體素大小創建的。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，將所述計算所得劑量分布(cdd)與所述參考劑量分布(rdd)進行比較使用γ評價進行，并且其中，如果在所述參考劑量分布(rdd)的預定百分比的體素中獲得了低于或等于參考γ值(γr)的γ值(γ)(即，γ≤γr)，則認為所述束整形裝置(11)與所述計劃裝置設計(11d)一致，其中，γ被定義為以下函數的最小值：
7.根據權利要求6所述的方法，其中，如果在所述參考劑量分布(rdd)中的預定數量的體素中，所述γ值(γ)高于所述參考γ值(γr)(即，γ>γr)，則所述束整形裝...
【專利技術屬性】
技術研發人員：盧西恩·霍托尤，R·拉巴比，弗朗索瓦·范德斯塔彭，朱莉婭·帕可拉，文慶·凱文·張，薇·鄒，
申請(專利權)人：離子束應用股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
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