放射治疗装置的剂量验证系统的制作方法
【专利说明】放射治疗装置的剂量验证系统
[0001] 所属技术领域： 本发明属于医疗设备领域，具体涉及一种放射治疗装置的剂量验证系统。
[0002]
【背景技术】： 随着放疗技术和设备的发展，放射治疗向着"精确放疗"的目标前进，即要求放射治疗 过程中要进行精确诊断、精确定位、精确计划和精确治疗。因此，加强对于放疗的质量控制 和质量保证至关重要，其中剂量验证技术为其中的一个手段。常规放疗中已经在使用拍片 验证手段，但是只能进行二维的拍片剂量验证，还不能实现三维剂量分布实时验证。一些 图像引导放射治疗（Image-guided Radiotherapy，IGRT)设备，采用锥形束X线断层扫描 (CBCT)作为影像设备，实现肿瘤靶区的实时引导追踪治疗，但在后续治疗中，肿瘤的形态会 发生改变，比如肿瘤萎缩、组织形态消退等，若继续开始的治疗计划，则会造成照射剂量不 均匀，而若重新制定计划，则需重新进行CT扫描，延长时间，增加成本。
[0003] 因此，运动肿瘤的精确适形放射治疗是当前肿瘤放射治疗领域面临的主要问题之 一。近年来，多种肿瘤追踪治疗技术被提出用来解决该问题并取得了比较好的效果。肿瘤 追踪治疗技术通过对肿瘤的运动规律进行建模，在治疗过程中实时预测肿瘤的位置并依此 动态调整准直系统（比如MLC叶片位置、机器人准直器的位置等)进行追踪治疗。此外，肿瘤 追踪治疗设备还会在治疗过程中将治疗相关的信息按照一定的频率写入治疗日志文件中， 用于后续治疗质量的验证。记录的治疗相关信息包括但不局限于射线出数、追踪到的肿瘤 位置、准直系统的位置等。然而常规基于CBCT图像的剂量验证方法没有考虑治疗过程中肿 瘤的运动以及治疗过程中准直系统位置的变化，因此不能适用于肿瘤追踪治疗技术的剂量 验证。
[0004] 基于影像引导的立体定向手术/放疗是一种新型的放射治疗技术。相比于常规的 立体定向手术/放疗技术，基于影像引导的立体定向手术/放疗在治疗过程中不使用骨性 定位（skeletal fixation)装置限制患者的运动，而是利用影像手段周期性的检测患者体 位的变化。如果监测到患者的体位变化且变化在可以补偿的范围之内，则动态调整准直系 统的位置来实现肿瘤的准确照射。如果患者体位变化超出了可以补偿的范围，则暂停治疗 并对患者进行重新摆位后继续治疗。在治疗过程中，影像引导的立体定向手术/放疗设备 会将治疗相关的信息按照一定的频率写入治疗日志文件中，用于后续治疗质量的验证。记 录的治疗相关信息包括但不局限于射线出数、追踪到的肿瘤位置、准直系统的位置等。然而 常规基于CBCT图像的剂量验证方法没有考虑治疗过程中患者体位的变化以及准直系统位 置的调整，因此不能适用于基于影像引导的立体定向手术/放疗技术的剂量验证。
[0005]
【发明内容】
： 本发明的目的是为了克服现有放射治疗装置会因患者靶区变化而导致处方剂量失准， 延长治疗时间，增加治疗成本的缺陷，为人们提供一种放射治疗装置的剂量验证系统，可根 据治疗过程中采集的有关图像信息，分析靶区和正常器官实际承受的照射剂量，提供患者 组织器官变化分析功能以及照射剂量重建功能，为放射治疗装置实现治疗计划在线和离线 自适应调整提供依据。
[0006] 本发明的目的是通过下述技术方案来实现的： 本发明的放射治疗装置的剂量验证系统，其特征在于剂量验证系统主要由数据传输模 块、图像配准模块、轮廓映射模块、组织变化分析模块、四维图像建模模块、剂量重建模块和 剂量评估模块组成，其中，数据传输模块与数据服务器相连，数据传输模块还分别与图像配 准模块、轮廓映射模块、四维图像建模模块和剂量重建模块相连；图像配准模块分别与轮廓 映射模块、四维图像建模模块和剂量评估模块相连；轮廓映射模块经患者在线组织轮廓分 别与组织变化分析模块和剂量评估模块相连；组织变化分析模块与数据传输模块和四维 (4D)放射治疗计划系统相连；四维图像建模模块与剂量重建模块相连；剂量重建模块与剂 量评估模块相连；剂量评估模块与数据传输模块和4D放射治疗计划系统相连。
[0007] 上述方案中，所述数据传输模块通过网络连接与数据服务器通信，获取剂量验证 所需的相关数据，将验证结果存储到数据服务器。
[0008] 上述方案中，所述图像配准模块提供刚体和形变配准方法，用于四维图像建模模 块中四维CT/CBCT不同呼吸时相三维图像的配准；用于轮廓映射模块中计划CT图像与 CBCT图像的形变配准。
[0009] 上述方案中，所述轮廓映射模块利用患者的计划轮廓信息、数据配准模块提供的 计划CT和在线CBCT图像之间的形变向量场，计算计划轮廓向CBCT图像的映射；对轮廓映 射结果进行修改后，得到患者在线组织轮廓；轮廓映射模块包括以下子模块：a)三维网格 构建子模块：根据组织三维轮廓线，构建组织的三维网格表面模型；具体为：首先利用组织 的原始三维轮廓线重建出组织的三维网格表面，然后利用形变场插值技术，从配准得到的 形变向量场中得到每个三维网格顶点处的形变向量，并对网格顶点进行坐标变换，得到轮 廓映射目标图像坐标系下的三维网格表面模型；b)三维模块剖切子模块：利用形变后的三 维网格表面模型剖切出任意平面上的三维轮廓线；具体为：根据目标图像切片所在平面， 对三维网格表面模型进行剖切，计算剖切与每个三维网格的剖切位置，并通过有序连接网 格剖切点，得到对应的轮廓线；c)轮廓距离变换子模块：利用组织三维轮廓线得到其对应 的三维距离图；具体为：首先根据原始轮廓线计算轮廓二值图以及轮廓距离图，轮廓距离 图的图像坐标系与用于勾画轮廓线的图像一致，距离图像中位于轮廓内部的体素值为正， 轮廓外部的体素值为负，其绝对值为该点到三维轮廓表面的最近距离；然后利用形变向量 场对三维距离图进行形变变换，得到轮廓映射目标图像空间坐标下的轮廓距离图；最后提 取距离图中每个断层图像上像素值为0的等值线，该等值线即为三维轮廓线的映射结果。
[0010] 上述方案中，所述组织变化分析模块通过定量比较患者计划轮廓以及患者在线组 织轮廓来分析组织器官在位置、体积和形状方面的变化，并通过数据传输模块将患者在线 组织轮廓保存到数据服务器；还可同时查看和分析在多个分次下组织的形态，直观显示组 织随着治疗过程的变化情况。
[0011] 上述方案中，所述四维图像建模模块利用图像配准模块提供的四维CT影像不同 时相之间的形变向量场，建立患者的四维图像模型；主要包括图像配准和四维运动建模两 个子模块：a)图像配准子模块对4DCT/4DCBCT中各组三维图像按照呼吸时相的顺序进行两 两配准，得到相邻两组三维图像之间的形变向量场；b)四维运动建模子模块综合利用图像 配准子模块得到的各组形变向量场，依据呼吸运动的连续性、周期性特点，构建B样条运动 模型或者基于PCA (主成分分析）的运动模型，从而改善运动信息的准确度。
[0012] 上述方案中，所述剂量重建模块利用四维图像模型或者三维CBCT图像重建出当 前分次患者承受的剂量，主要包括电子密度标定子模块和剂量计算子模块： a) 电子密度标定子模块通过将计划CT图像配准到CBCT图像上，得到CBCT图像中体 素f在计划CT图像上的对应位置,，然后利用,处的HU值代替CBCT图像中体素f处的HU 值，最终生成一组模拟的HU图像用于组织电子密度的确定以及剂量计算； b) 剂量计算子模炔基于已标定电子密度的CBCT进行剂量计算，估计患者在分次治疗 中实际接受的剂量； 对于静止靶区的分次剂量重建，剂量计算子模块考虑了治疗过程中患者体位变化对接 受剂量的影响； 对于运动靶区的分次剂量重建，剂量计算子模块考虑了靶区和其他有关组织在治疗过 程中的实际运动情况、靶区追踪治疗的情况，从而估计出更准确的患者接受剂量，具体为： 针对每一个射野，从治疗过程文件中分析针对每个射野运动补偿时准直器的运动轨迹和 运动范围，并将运动轨迹分成等距离间隔的N个子弧；获取每个子弧平均位置处靶区中心 的位置，并根据靶区中心位置从四维图像模型中插值获取对应的三维图像数据，最后根据 该数据进行剂量计算；每个子弧的射线照射机器跳数(MU)，为治疗头往返多个周期运动过 程中，在该子段间MU数之和；通过分别对每一个子弧进行上述剂量计算流程，得到N组三 维剂量场i|，对_进行加权求和得到对于每一个射野的三维剂量场；然后针对所有射野进 行上述剂量计算、累加，最终得到整个治疗计划的剂量场；其中，从四维图像模型中插值获 取对应的三维图像数据的操作流程为：首先根据靶区中心位置对靶区四维运动模型进行插 值，得到在四维图像模型中对应的呼吸时相P i ;然后根据％与相邻两个三维图像对应时相 的距离确定插值权重-;最后利用这两组三维图像之间运动向量场对参考时相进行形变变 换，最终得到用于该治疗子弧对应的三维图像。
[0013] 上述方案中，所述剂量评估模块利用剂量重建结果分析患者计划剂量与分次治疗 剂量、多个分次累加剂量之间的差异；包括剂量映射子模块和剂量分析子模块：a)剂量映 射子模块利用图像配准模块获取的计划CT图像与CBCT图像之间的形变向量场，将剂量重 建模块计算的分次剂量场映射到计划CT图像坐标系下，得到分次映射剂量场；利用多个分 次的映射剂量场来计算患者的累积承受剂量，用于与计划剂量进行比较；b)剂量分析子模 块对计划剂量场和重建剂量场下有关组织的照射受量进行分析和比较，对治疗计划进行调 整，修正患者实际受量与计划受量的偏差；通过比较模体计划的计划剂量和重建剂量来对 系统进行QA (质量保证）；提供的功能包括：等剂量线、等剂量面的对比显示，DVH (剂量体 积直方图）的对比显示，剖面剂量的对比显示和差值显示，剂量场3D Gamma (伽马）分析。
[0014] 上述方案中，所述放射治疗装置的剂量验证系统用于在线剂量验证的步骤如下： A. 利用非刚体配准方法将用于患者摆位的3D CBCT图像配准到计划CT，得到计划CT 到3D CBCT的形变向量场，其中形变向量场记录了计划CT中每一点尸,到3D CBCT中对应 点的形变向量； B. 利用上述形变向量场将计划CT上的有关组织轮廓映射到3D CBCT上，得到患者在 线组织轮廓信息： a)针对每一个有关组织，构建在空间中包括该组织的三维蒙版图像；蒙版图像的中每 一个体素的值表示轮廓包容关系，