在考慮目標(biāo)體積的運(yùn)動(dòng)的情況下粒子照射的照射規(guī)劃的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于照射規(guī)劃的方法和裝置以及具有粒子束的加速器設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用重離子的腫瘤治療在近數(shù)十年以來(lái)發(fā)展為一種已確立的用于治療組織、尤其 是腫瘤疾病的方法。然而在此獲得的經(jīng)驗(yàn)也在純技術(shù)領(lǐng)域中使用，如例如在研宄工作或產(chǎn) 品開(kāi)發(fā)的范圍內(nèi)使用，其中使用無(wú)生命的材料。
[0003] 在這里所有已知方法的共同特征是，由加速器設(shè)備提供的匯集的粒子束借助高能 束流輸送系統(tǒng)引導(dǎo)至一個(gè)或多個(gè)照射室或治療室。在所述照射室中定位并且用粒子束照射 要照射的目標(biāo)體積。
[0004] 已知的是，要照射的目標(biāo)體積可以運(yùn)動(dòng)。例如可以在目標(biāo)體積中設(shè)置有肺腫瘤，所 述肺腫瘤在病人呼吸時(shí)運(yùn)動(dòng)。例如為了研宄所述運(yùn)動(dòng)對(duì)粒子治療的治療結(jié)果的影響而可以 借助稱為模擬器的、非存活的模型體復(fù)制所述運(yùn)動(dòng)并且用粒子束照射這樣的模擬器。
[0005] 在粒子治療的范圍中的特別挑戰(zhàn)是，實(shí)現(xiàn)在組織中沉積的照射劑量的盡可能均一 的分布。之所以在目標(biāo)體積中的均一的劑量分布被特別關(guān)注是因?yàn)槿缦率聦?shí)，即，處于目標(biāo) 體積中的腫瘤的細(xì)胞從一定的閾值劑量才以足夠的安全性死亡，但同時(shí)應(yīng)該阻止對(duì)周圍的 健康組織施加過(guò)量負(fù)載。這樣始終困難的是，在許多單次照射劑量應(yīng)該連續(xù)地在目標(biāo)體積 中的不同目標(biāo)點(diǎn)上沉積的照射方法中、亦即在掃描的粒子束中實(shí)現(xiàn)在所述目標(biāo)體積中的該 希望的均一的劑量分布，如果目標(biāo)體積在照射期間運(yùn)動(dòng)的話。因此在目標(biāo)體積中的劑量分 布的均一性的改善始終是研宄的課題。
[0006]例如在掃描的粒子束中可能將要應(yīng)用的輻射劑量分布到多個(gè)通道上，這稱為"重 掃描"。在這里多重?fù)糁心繕?biāo)體積的目標(biāo)點(diǎn)，從而要應(yīng)用的總劑量連續(xù)地通過(guò)多個(gè)重復(fù)應(yīng)用 的單次劑量在重掃描通道期間形成。以單次劑量重復(fù)地?fù)糁心繕?biāo)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)：通過(guò)對(duì)單次 劑量的統(tǒng)計(jì)學(xué)平均來(lái)減少所述運(yùn)動(dòng)對(duì)目標(biāo)體積中的總劑量分布的影響。換句話說(shuō)，可能錯(cuò) 誤地沉積的劑量可以在統(tǒng)計(jì)學(xué)上看被平均并且目標(biāo)體積的運(yùn)動(dòng)在照射持續(xù)時(shí)間期間可以 至少部分地被補(bǔ)償。
[0007]當(dāng)然在此要考慮，正是目標(biāo)體積的邊緣區(qū)域無(wú)法那樣清楚地與包圍目標(biāo)體積的材 料（例如健康組織）分離。為了確保盡可能在全部的目標(biāo)體積中應(yīng)用希望的理論劑量，典型 地導(dǎo)入圍繞目標(biāo)體積的安全邊框，所述安全邊框顯著放大本來(lái)要照射的臨床目標(biāo)體積。但 由此可能必須照射健康組織，以便確保目標(biāo)體積中的可靠的劑量范圍。
[0008] 此外已知的是，在備選于重掃描方法使用的選通（Gating)方法的范圍中追蹤目 標(biāo)體積的運(yùn)動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 因此本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種方法，所述方法簡(jiǎn)化目標(biāo)體積的照射規(guī)劃并且在 此減小或消除現(xiàn)有技術(shù)的上面提到的缺點(diǎn)。
[0010] 本發(fā)明的另一個(gè)任務(wù)是，使照射結(jié)果相對(duì)于目標(biāo)體積的變化、尤其是運(yùn)動(dòng)較穩(wěn)定。
[0011] 本發(fā)明應(yīng)該還減少整個(gè)治療或劑量應(yīng)用的持續(xù)時(shí)間。
[0012] 最后本發(fā)明的任務(wù)是，較好地略過(guò)在目標(biāo)體積周圍相鄰的材料（如尤其是健康組 織或要保護(hù)的器官），并且照射較少的健康組織。
[0013] 本發(fā)明的任務(wù)通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的主題解決。本發(fā)明有利的進(jìn)一步構(gòu)成在從屬權(quán) 利要求中限定。
[0014] 在體中設(shè)置的目標(biāo)體積的照射規(guī)劃逐步構(gòu)建用于利用粒子束的后期照射的照射 計(jì)劃，并且利用本發(fā)明借助如下步驟限定：
[0015] 首先確定典型地設(shè)置在體中的目標(biāo)體積。所述目標(biāo)體積可以在此設(shè)置在無(wú)生命的 體中、例如材料樣本、模擬器或試驗(yàn)結(jié)構(gòu)中，亦或具有存活的材料、例如細(xì)胞樣本或?qū)嶒?yàn)用 動(dòng)物。尤其是腫瘤細(xì)胞處于目標(biāo)體積中。當(dāng)前使用的專業(yè)術(shù)語(yǔ)、例如目標(biāo)體積、目標(biāo)點(diǎn)、理論 劑量、劑量分布等在業(yè)內(nèi)經(jīng)常使用并且在作為手冊(cè)公認(rèn)的ICRU R印ort 50 (包括Addendum Report 62)中限定。
[0016] 目標(biāo)體積在體和/或目標(biāo)體積的運(yùn)動(dòng)的參考狀態(tài)中被確定。換句話說(shuō)，涉及運(yùn)動(dòng) 的目標(biāo)體積，其中在目標(biāo)體積的運(yùn)動(dòng)中可識(shí)別或可限定參考階段。具有參考階段的運(yùn)動(dòng)的 一個(gè)特別簡(jiǎn)單的示例是肺呼吸、亦即周期性呼吸運(yùn)動(dòng)。作為呼吸的參考階段可以例如確定 呼氣的結(jié)束或吸氣的開(kāi)始。例如呼吸周期對(duì)應(yīng)于目標(biāo)體積的運(yùn)動(dòng)的（要預(yù)先計(jì)劃的）運(yùn)動(dòng) 階段的總和。但也包括其他運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)體積，其中可限定運(yùn)動(dòng)的至少一個(gè)參考階段并且因 此利用粒子束的照射與運(yùn)動(dòng)可相互關(guān)聯(lián)。
[0017] 目標(biāo)體積分成多個(gè)單獨(dú)地可被粒子束擊中的目標(biāo)點(diǎn)。為了用粒子束單獨(dú)地?fù)糁心?標(biāo)體積的目標(biāo)點(diǎn)，粒子束優(yōu)選在將要從真空中排出時(shí)、亦即將要入射到目標(biāo)體積上時(shí)以小 的方向變化轉(zhuǎn)向。優(yōu)選可以為此使用轉(zhuǎn)向磁體、如本申請(qǐng)人的柵格掃描設(shè)備。
[0018] 換句話說(shuō)，由具有限定的點(diǎn)距的目標(biāo)點(diǎn)組成的點(diǎn)柵放置到目標(biāo)體積中。優(yōu)選地，點(diǎn) 距沿如下方向限定，所述方向?qū)?yīng)于粒子束的縱向的主傳播方向或橫向于主傳播方向的方 向。粒子束的主傳播方向在此是這樣的假想軸線，即，未轉(zhuǎn)向的粒子束在該假想軸線上行 進(jìn)。亦即點(diǎn)柵可以因而優(yōu)選對(duì)應(yīng)于笛卡爾坐標(biāo)系，其中方向x* 7對(duì)應(yīng)于關(guān)于粒子束的主 傳播方向水平或垂直的垂線，并且此外方向z對(duì)應(yīng)于粒子束在材料中的（縱向的）滲透深 度。
[0019] 在其中目標(biāo)體積的目標(biāo)點(diǎn)由粒子照射設(shè)施的粒子束以單次劑量照射的每個(gè)單次 照射過(guò)程中，粒子束的整個(gè)進(jìn)入通道在目標(biāo)體積所在的體中以稱為預(yù)先劑量的劑量數(shù)照 射。在耗費(fèi)的照射規(guī)劃方法中，必須考慮所有產(chǎn)生的預(yù)先劑量并且將其考慮用于計(jì)算總劑 量。這樣例如可以有利的是，首先照射目標(biāo)體積的遠(yuǎn)側(cè)端部，其中目標(biāo)體積的較鄰近的部分 已經(jīng)被預(yù)先劑量加載。隨后目標(biāo)體積可以例如從反向被照射，從而目標(biāo)體積的從該側(cè)出發(fā) 的遠(yuǎn)側(cè)部分獲得另一個(gè)部分劑量。備選地可以在其他的重掃描通道中從相同的方向進(jìn)一步 照射目標(biāo)體積并且對(duì)較鄰近的部分以較弱的劑量、亦即尤其是以較小的粒子數(shù)照射，從而 最后實(shí)現(xiàn)每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的理論劑量并且目標(biāo)體積中的總劑量盡可能均一地分布。在理想情況 中，在目標(biāo)體積上的總劑量分布對(duì)應(yīng)于階躍函數(shù)。這當(dāng)然在實(shí)際情況中只可困難地實(shí)現(xiàn)。
[0020] 目標(biāo)點(diǎn)分別配置有理論劑量、即在相應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)上要沉積的照射劑量的計(jì)劃或理 論值。換句話說(shuō)，照射規(guī)劃計(jì)算在相應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)上要沉積的理論劑量并且將結(jié)果寫(xiě)入照射 計(jì)劃中。
[0021] 理論劑量此外分到一定數(shù)量的重掃描通道上，在這些重掃描通道中分別擊中至少 一部分目標(biāo)點(diǎn)。優(yōu)選地，在粒子束的每個(gè)重掃描通道中擊中所有目標(biāo)點(diǎn)，必要時(shí)重掃描通道 也關(guān)于擊中目標(biāo)點(diǎn)而彼此相同。特別是當(dāng)在每個(gè)重掃描通道中擊中相同的目標(biāo)點(diǎn)時(shí)或在相 同的重掃描通道中以有利的方式出現(xiàn)重掃描方法的統(tǒng)計(jì)學(xué)平均效果時(shí)。
[0022] 亦即換句話說(shuō)，已經(jīng)在照射規(guī)劃中確定一定數(shù)量的重掃描通道，在這些重掃描通 道中分別擊中目標(biāo)體積的目標(biāo)點(diǎn)。將理論劑量分到各重掃描通道上的顯著的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)在 應(yīng)用劑量的后期過(guò)程中在其中一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)上例如發(fā)生目標(biāo)體積的出乎意料的運(yùn)動(dòng)，由此要 應(yīng)用的劑量不是在目標(biāo)點(diǎn)上沉積而是錯(cuò)誤地沉積時(shí)，則可以在統(tǒng)計(jì)學(xué)上通過(guò)先前的或后續(xù) 的重掃描通道至少部分地對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。
[0023] 在簡(jiǎn)單的情況中，運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)體積的目標(biāo)點(diǎn)方向相同地在體中運(yùn)動(dòng)，從而目標(biāo)體 積基本上未變形地執(zhí)行平移并且目標(biāo)點(diǎn)的點(diǎn)柵格保持統(tǒng)一。但目標(biāo)體積的目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)也 可以相對(duì)于彼此進(jìn)行。例如目標(biāo)體積可以延伸、擠壓、伸展或以其他方式變形，并且目標(biāo)體 積或周圍的材料中的密度起伏也可能對(duì)于粒子束的滲透深度是重要的，從而目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)移 動(dòng)。也考慮平移與目標(biāo)體積的變形的疊加并且其同樣理解為目標(biāo)體積的運(yùn)動(dòng)。
[0024] 以有利的方式提供一種運(yùn)動(dòng)模型，其允許推斷目標(biāo)體積的預(yù)期運(yùn)動(dòng)和/或目標(biāo)體 積的目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。作為用于確定運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)可以考慮病人模型、數(shù)學(xué)（運(yùn)動(dòng)）函數(shù)、 4D計(jì)算機(jī)X射線斷層術(shù)和/或呼吸研宄。呼吸研宄可以在單個(gè)目標(biāo)體積或整列目標(biāo)體積、 例如以病人調(diào)查的形式確定，從而可預(yù)先計(jì)算目標(biāo)體積（例如肺腫瘤）的目標(biāo)點(diǎn)的平均預(yù) 期運(yùn)動(dòng)。用于確定運(yùn)動(dòng)模型的其他基礎(chǔ)也允許預(yù)先計(jì)算目標(biāo)體積的目標(biāo)點(diǎn)的平均預(yù)期運(yùn) 動(dòng)。尤其是為了確定運(yùn)動(dòng)模型，由預(yù)期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)考慮劑量數(shù)的加權(quán)平均。
[0025] 預(yù)告目標(biāo)體積的目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模型可以考慮用于在照射規(guī)劃的范圍中檢 測(cè)無(wú)運(yùn)動(dòng)的理論劑量與在考慮運(yùn)動(dòng)的情況下預(yù)期的劑量沉積的偏差。這意味著：運(yùn)動(dòng)模 型的評(píng)估已經(jīng)在照射的準(zhǔn)備階段、亦即在照射規(guī)劃的范圍中，可以在利用掃描的粒子束的 重掃描方法的情況中提高劑量沉積的均一性和/或統(tǒng)一性、即劑量沉積的邊緣銳度。以有 利的方式，也在識(shí)別運(yùn)動(dòng)階段方面考慮運(yùn)動(dòng)模型并且利用粒子束的照射與至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)階 段、尤其是參考階段在時(shí)間上相互關(guān)聯(lián)。這樣可以保持重掃描方法相對(duì)于備選方法的優(yōu)點(diǎn)、 即時(shí)間節(jié)省，其方式為照射的時(shí)間段至少具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)階段或甚至具有目標(biāo)體積的整個(gè)運(yùn) 動(dòng)過(guò)程。借助重掃描可取得的劑量分布的均一性以及目標(biāo)體積邊緣區(qū)域中的劑量沉積的銳 度、統(tǒng)一性能夠此外得以顯著改善，從而可以減小或甚至可以完全取消圍繞目標(biāo)體積的安 全邊框，所述安全邊框在必要時(shí)必須安放在健康組織中或甚至在風(fēng)險(xiǎn)器官（OAR，Organs At Risk)中。
[0026] 通過(guò)將照射與目標(biāo)體積的目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，可以考慮目標(biāo)體積的目標(biāo)點(diǎn)的預(yù) 期平均運(yùn)動(dòng)，其方式為，基于發(fā)現(xiàn)的偏差校正在每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)上的理論劑量。詳細(xì)而言，理論 劑量能夠例如通過(guò)改變?cè)谀繕?biāo)點(diǎn)上要沉積的粒子數(shù)來(lái)設(shè)定，其中，總粒子數(shù)分到各