粒子射線治療計劃裝置、及粒子射線照射的仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明包括：副射束近似步驟，所述副射束近似步驟使用分別具有高斯分布的多個副射束的集合對粒子射線進(jìn)行近似；以及副射束劑量分布運算步驟，所述副射束劑量分布運算步驟通過對利用掃描裝置將多個副射束的各自的副射束偏轉(zhuǎn)而前進(jìn)的狀態(tài)進(jìn)行仿真，從而運算各自的副射束在患者內(nèi)部形成的各自的副射束劑量分布，通過將運算出的各自的副射束劑量分布進(jìn)行累計，從而求出粒子射線在患者內(nèi)部形成的劑量分布。
【專利說明】
粒子射線治療計劃裝置、及粒子射線照射的仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種粒子射線治療計劃裝置，所述粒子射線治療計劃裝置決定對患部照射粒子射線來對癌癥等進(jìn)行治療的粒子射線治療裝置的照射參數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]粒子射線治療是通過使用加速器等設(shè)備將質(zhì)子或碳離子等帶電粒子加速到核子幾百兆電子伏特程度，對患者照射加速后的帶電粒子射線即粒子射線，從而對體內(nèi)腫瘤賦予劑量，來對腫瘤進(jìn)行治療的方法。實際照射中，對腫瘤形成與醫(yī)生指示的劑量分布盡量接近的劑量分布很重要。將醫(yī)生指示的劑量分布稱為目標(biāo)劑量分布。多數(shù)情況下，目標(biāo)劑量分布是腫瘤內(nèi)劑量均勻且腫瘤外劑量與腫瘤內(nèi)相比盡量低的分布。
[0003]通常，對物體(包括人體)照射用加速器加速后的粒子射線時，具有物體內(nèi)的三維劑量分布在某一點擁有劑量最大峰的特性。將該劑量最大峰稱為布拉格峰。此外，三維空間中擁有一點的劑量最大峰時，將該峰位置定義為該粒子射線的“照射位置”。為了使用擁有這種峰結(jié)構(gòu)的粒子射線，形成三維的目標(biāo)劑量分布，需要采取某些措施。
[0004]形成目標(biāo)劑量分布的方法之一是掃描照射法。為了實施該方法，需要如下兩種功能，即:使用電磁鐵等，將粒子射線的照射方向朝與粒子射線的前進(jìn)方向即Z方向垂直的方向即XY的二維方向任意偏轉(zhuǎn)的功能；以及通過調(diào)節(jié)粒子能量，將形成布拉格峰的位置即照射位置在Z方向上任意調(diào)節(jié)的功能。通常，粒子射線發(fā)生裝置即加速器還包括能量調(diào)節(jié)功能。然后，在腫瘤內(nèi)設(shè)定多個照射位置(也稱為照射點)，使用上述2個功能，對各自的照射位置依次照射粒子射線。掃描照射法中，通過事先規(guī)定向各照射位置照射的粒子射線的照射量的平衡，將向各照射位置照射時形成的各自的劑量分布進(jìn)行合計，從而最終形成目標(biāo)劑量分布。
[0005]因此，為了決定應(yīng)對各照射位置照射的粒子射線的量(粒子的個數(shù))，以使合計后的三維劑量分布變成為了對腫瘤進(jìn)行治療而覆蓋腫瘤范圍的分布，需要通過仿真求出向各照射位置照射時形成的劑量分布。
[0006]過去的計算劑量分布的仿真裝置中，有的仿真裝置通過將射束分割成脈沖函數(shù)狀的子射束，使各子射束的照射重合，從而計算患者體內(nèi)的劑量分布(例如參照專利文獻(xiàn)1、專利文獻(xiàn)2)。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開2011-217880號公報(圖4、圖5等)
專利文獻(xiàn)2:國際公開W000/015299號

【發(fā)明內(nèi)容】

發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0008]分割成子射束來計算劑量分布的計算方法中，為了正確計算通過照射I個射束點從而在患者體內(nèi)形成的三維劑量分布，需要產(chǎn)生多個子射束。因此，將分割成子射束的計算方法運用于利用多個射束點照射整個患部的掃描照射法時，存在計算時間冗長的問題。
[0009]本發(fā)明為了解決上述問題開發(fā)而成，其目的在于得到一種粒子射線治療計劃裝置，所述粒子射線治療計劃裝置能夠高效率高精度地計算通過在用粒子射線掃描患部的同時依次對照射點進(jìn)行照射從而在患者體內(nèi)形成的三維劑量分布。
解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案
[0010]本發(fā)明的粒子射線治療計劃裝置包括運算單元，所述運算單元求出粒子射線治療裝置的向各照射位置照射的粒子射線的各自的照射量，所述粒子射線治療裝置使用將粒子射線朝與所述粒子射線的前進(jìn)方向垂直的兩方向即XY方向偏轉(zhuǎn)來進(jìn)行掃描的掃描裝置，以使粒子射線反復(fù)進(jìn)行移動和停留的方式進(jìn)行掃描，將粒子射線每次停留時與照射對象即患者患部的粒子射線的能量對應(yīng)的深度的位置作為各照射位置分別形成照射點，并且變更粒子射線的能量來變更照射點的深度方向的位置，從而在包括患部在內(nèi)的所述患者內(nèi)部形成三維的劑量分布，其中，運算單元包括:副射束近似部，所述副射束近似部使用分別具有高斯分布的多個副射束的集合對粒子射線進(jìn)行近似;副射束劑量分布運算部，所述副射束劑量分布運算部運算利用掃描裝置將多個副射束的各自的副射束偏轉(zhuǎn)而在患者上形成的副射束劑量分布，通過將運算出的副射束劑量分布進(jìn)行累計，從而求出照射各照射位置的粒子射線在患者內(nèi)部形成的各自的劑量分布；以及照射量優(yōu)化部，所述照射量優(yōu)化部利用優(yōu)化計算求出向各照射位置照射的粒子射線的各自的照射量，以使將照射各照射位置的粒子射線在患者內(nèi)部形成的各自的劑量分布進(jìn)行累計而求出的在患者內(nèi)部形成的總劑量分布成為治療計劃中設(shè)定的目標(biāo)劑量分布。
[0011 ]此外，本發(fā)明的粒子射線照射的仿真方法包括:副射束近似步驟，所述副射束近似步驟使用分別具有高斯分布的多個副射束的集合對粒子射線進(jìn)行近似；以及副射束劑量分布運算步驟，所述副射束劑量分布運算步驟通過對利用掃描裝置將多個副射束的各自的副射束偏轉(zhuǎn)而前進(jìn)的狀態(tài)進(jìn)行仿真，從而運算各自的副射束在患者內(nèi)部形成的各自的副射束劑量分布，通過將運算出的各自的副射束劑量分布進(jìn)行累計，從而求出粒子射線在患者內(nèi)部形成的劑量分布。
發(fā)明效果
[0012]根據(jù)本發(fā)明，可得到一種粒子射線治療計劃裝置，所述粒子射線治療計劃裝置能夠高效率高精度地計算利用掃描照射法照射粒子射線時在患者體內(nèi)形成的三維劑量分布。
【附圖說明】
[0013]圖1是表示本發(fā)明的實施方式I所述的粒子射線治療計劃裝置的要部結(jié)構(gòu)的框圖。圖2是說明本發(fā)明的實施方式I所述的粒子射線治療計劃裝置的仿真中的副射束剖面的概念的示意圖。
圖3是表示本發(fā)明的實施方式I所述的粒子射線治療計劃裝置的仿真中的利用副射束進(jìn)行近似的示例的示意圖。
圖4是說明本發(fā)明的實施方式I所述的粒子射線治療計劃裝置的仿真的概念的示意圖。 圖5是表示本發(fā)明的實施方式I所述的粒子射線治療計劃裝置的仿真的步驟的流程圖。 圖6是表示本發(fā)明的實施方式I所述的粒子射線治療計劃裝置的仿真中的利用副射束進(jìn)行近似的其他示例的示意圖。
圖7是表示本發(fā)明的實施方式2所述的粒子射線治療計劃裝置的仿真的步驟的流程圖。 圖8是表示本發(fā)明的實施方式2所述的粒子射線治療計劃裝置的要部結(jié)構(gòu)的框圖。
圖9是表示利用掃描照射法向患部照射粒子射線的方法的概念的示意圖。
圖10是用于說明利用掃描照射法照射時在粒子射線的前進(jìn)方向即深度方向(Z方向)形成的劑量分布的曲線圖。
圖11是用于說明利用掃描照射法照射時在與粒子射線的前進(jìn)方向垂直的一個方向(X方向)形成的劑量分布的曲線圖。
圖12是表示向患部照射粒子射線時的狀態(tài)的概念的示意圖。
【具體實施方式】
[0014]實施方式1.首先，參考圖9?12，對利用掃描照射法向腫瘤等患者患部照射粒子射線而在患者體內(nèi)形成粒子射線的劑量分布的方法進(jìn)行說明。使用掃描照射法的粒子射線治療裝置中，如圖9所示，利用掃描裝置2將由粒子射線發(fā)生裝置I產(chǎn)生的粒子射線朝與前進(jìn)方向正交的橫向XY二維偏轉(zhuǎn)進(jìn)行掃描。被偏轉(zhuǎn)的粒子射線呈細(xì)筆形射束狀。圖9中，用粒子射線B1、B2、B3表示被掃描的粒子射線。各粒子射線從患者的體表面6入射，在患部7的規(guī)定深度位置停止。以覆蓋患部7的整個區(qū)域的方式配置粒子射線的照射位置，向各照射位置照射時形成的各劑量分布(體內(nèi)吸收的劑量的分布)的合計為患者體內(nèi)形成的劑量分布。治療計劃中制定計劃，以使該合計的劑量分布與患部7的區(qū)域基本一致。治療計劃中使向各照射位置照射的粒子射線的照射量優(yōu)化，以使得向患部賦予治療所需的高劑量，向患部以外的正常組織照射盡量低的劑量。
[0015]圖10和圖11分別用一維方式表示利用掃描患部的粒子射線形成三維劑量分布的情況。圖10表示粒子射線的前進(jìn)方向即深度方向(Z方向)的劑量分布的示例。a?f所示曲線表示各自粒子射線的能量不同時的深度方向的劑量分布的示例。如圖10所示，粒子射線的能量不同導(dǎo)致吸收劑量的峰位置即布拉格峰的位置不同，通過改變粒子射線的能量能夠改變深度方向的照射位置。照射能量不同的a?f粒子射線時，向各照射位置照射時的劑量分布的合計、即將a?f曲線所示劑量累計形成的劑量分布為向患者照射的劑量分布。圖10中用虛線表示向患者照射的劑量分布。如圖10所示，通常以合計的劑量分布在患者患部區(qū)域呈平坦分布的方式照射。
[0016]另一方面，圖11表示與粒子射線的前進(jìn)方向正交的一個方向的某個深度例如布拉格峰位置的劑量分布的示例。此處，表示掃描照射法中，使照射位置階梯狀移動照射的點掃描照射法的示例。點掃描照射法中，使粒子射線停留在某個照射位置進(jìn)行照射，照射劑量達(dá)到目標(biāo)劑量后，使粒子射線向相鄰的照射位置移動，并停留照射。通過反復(fù)執(zhí)行該工序，將粒子射線向患部的橫向整個區(qū)域移動，從而在患部的橫向整個區(qū)域形成劑量分布。圖11的g?I曲線表示分別利用在各照射位置停留照射的粒子射線形成的劑量分布，虛線表示將利用在各照射位置停留照射的粒子射線形成的劑量分布合成得到的合計劑量分布。圖11中表示X方向的分布，但是Y方向也相同。
[0017]如以上所示，通過深度方向改變粒子射線的能量，橫向利用掃描裝置2使粒子射線移動，來照射患部的各照射位置，從而在三維的患部形成劑量分布。粒子射線治療中，在治療計劃裝置上決定照射的粒子射線的各種參數(shù)，以使該劑量分布成為目標(biāo)的劑量分布。為了在治療計劃裝置上決定各種參數(shù)，需要通過運算求出被患部吸收的吸收劑量，即對被患部吸收的吸收劑量進(jìn)行仿真。仿真需要盡量高精度地進(jìn)行。本發(fā)明為提供一種治療計劃裝置而完成，所述治療計劃裝置能夠盡量高精度且高效率地進(jìn)行該仿真。
[0018]圖12是概括性表示向患部7實際照射粒子射線時的狀態(tài)的圖。圖12中表示被掃描的粒子射線3的剖面尺寸向著照射位置8按A、B、C、D逐漸變化的情況。圖12中，粒子射線3的一部分在到達(dá)患部7之前通過骨區(qū)域22的附近。將粒子射線作為I根射束對待時，無法對粒子射線的一部分通過不同組織的狀態(tài)高精度地進(jìn)行仿真。
[0019]因此，使用分別具有高斯分布的多個副射束的集合對筆形射束即粒子射線進(jìn)行近似。圖1是表示本發(fā)明的實施方式I所述的粒子射線治療計劃裝置的要部結(jié)構(gòu)的框圖。圖2?圖4是表示本發(fā)明的實施方式I所述的粒子射線治療計劃裝置的仿真的概念的示意圖。圖2是表示粒子射線的剖面的示意圖，實線表示筆形射束即粒子射線(以后稱為實際射束)的剖面的輪廓。使用虛線所示的多個副射束的集合對這種實際射束進(jìn)行近似。圖2所示的X軸上配置的副射束#1?#5的強度分布如圖3所示。圖3中，能夠?qū)嵕€所示的實際射束的強度分布分解成剖面尺寸小于實際射束的剖面尺寸且分別具有高斯分布的強度分布的副射束#1?#5的集合，而對實線所示的實際射束的強度分布進(jìn)行近似。
[0020]使用N個副射束f(x-xi，y_yi)(i = l?N)對實際射束的分布F(x，y)進(jìn)行近似。將f(a，b)設(shè)為高斯分布的函數(shù)時，f(X-Xl，y-yi)是以位置(Xl，yi)為中心的高斯分布的函數(shù)。即，f(X-Xl，y-yi)表示第i個副射束即副射束#i的分布。如圖3所示，將峰強度不同的副射束合成，而對實際射束的分布進(jìn)行近似。即，對高斯分布的函數(shù)即副射束料加權(quán)W1，將全部副射束合成，決定副射束的集合，使其滿足以下計算式。
F(x,y)^(χ —Xi,y — yi) (I)
[0021]本發(fā)明所述的粒子射線治療計劃中，使用計算式(I)右邊的各自的副射束對由向各照射位置照射的粒子射線形成的患者體內(nèi)的各劑量分布進(jìn)行仿真。計算三維劑量分布時，按圖5所示的流程進(jìn)行仿真。首先，準(zhǔn)備治療計劃中所需的患者三維CT圖像、以及照射方向等其他照射所需的照射參數(shù)(步驟STl)。接著，設(shè)定掃描間距、優(yōu)化計算用條件等計算條件(步驟ST2)。然后，使用剖面中具有更小剖面尺寸的高斯分布的N個副射束對實際射束進(jìn)行近似。通過優(yōu)化計算求出各自的副射束的中心位置(Xl，yi)、以及其權(quán)重計數(shù)1(1 = 1、2、3……N)，決定副射束的集合，以使其合成的分布形狀以近似方式重現(xiàn)實際射束3的分布形狀，即滿足計算式(I)(步驟ST3)。該近似保障基于后述副射束的劑量分布計算的實際射束的三維劑量分布的精度，是本發(fā)明的重要特征。特別是如圖3所示，將副射束的強度分布設(shè)為具有高斯分布的強度分布，并將其高斯分布的分布范圍設(shè)為小于實際射束的分布范圍的分布范圍很重要。
[0022]然后，如下所示對被掃描的粒子射線3的患者體內(nèi)的三維劑量分布進(jìn)行計算?；颊唧w內(nèi)的三維劑量分布能夠通過以下方式求出，即對各自的副射束在體內(nèi)形成的三維劑量分布的各自的計算結(jié)果乘以各自的權(quán)重計數(shù)1(? = 1、2、3……N)，然后進(jìn)行合計(加權(quán)卷積計算)算出。例如，如圖4所示，形成三維劑量分布，以使被掃描的粒子射線3的第5個副射束#5通過骨區(qū)域22，在骨區(qū)域22與照射位置8之間停止。另一方面，副射束#3通過骨區(qū)域22以外的部分，在其軌跡上形成三維劑量分布，直至在照射位置8停止。然后，副射束#1也同樣，沿骨區(qū)域22以外的其他軌跡，向照射位置8形成規(guī)定的三維劑量分布。
[0023]對全部副射束計算各自的三維劑量分布，對其結(jié)果乘以各自的權(quán)重計數(shù)Wi，將其合計作為實際射束的三維劑量分布(步驟ST4)。步驟ST4中，對照射各照射點的實際射束的各自的實際射束實施該計算。步驟ST4中，計算例如以單位照射量照射各照射點時的各自的三維劑量分布。通過使用以單位照射量照射各照射點時的各自的三維劑量分布，將向各照射點照射的粒子射線的照射量設(shè)為MUj(j = 1、2、3……M，M為點掃描照射的點的個數(shù))，將向各照射點照射時的三維劑量分布進(jìn)行累計，從而能夠算出整個患部的三維劑量分布。此處，通過優(yōu)化計算決定各MU」。通過使用步驟STl和步驟ST2中與其他參數(shù)一起輸入的優(yōu)化算法來決定各MUj，以使整個患部的劑量分布成為接近目標(biāo)劑量分布的劑量分布，從而執(zhí)行優(yōu)化計算(步驟ST5)。輸出決定的照射量MUj (j = 1、2、3……M)的列表、以及患者體內(nèi)的劑量分布等(步驟ST6)。實際的粒子射線治療中，基于此處輸出的各點的粒子射線的照射量MUj (j =1、2、3……M)，向患者照射粒子射線。
[0024]以上流程如圖1的框圖所示，在粒子射線治療計劃裝置10的運算單元20中執(zhí)行。步驟STl中準(zhǔn)備的照射參數(shù)、步驟ST2中設(shè)定的計算條件等被儲存到治療計劃數(shù)據(jù)儲存部。步驟ST3在副射束近似部11中、步驟ST4在副射束劑量分布運算部12中、步驟ST5在照射量優(yōu)化部13中分別執(zhí)行。
[0025]如此，為了利用掃描照射法照射粒子射線，在患部區(qū)域形成三維的規(guī)定劑量分布，而使粒子射線的強度分布與高斯形狀近似，進(jìn)而利用具有高斯分布的多個副射束的集合對該高斯形狀進(jìn)行近似。通過對利用掃描裝置將該多個副射束的各自的副射束偏轉(zhuǎn)而前進(jìn)的狀態(tài)進(jìn)行仿真，從而計算在患者體內(nèi)形成的三維劑量分布。因此，在通過患者體內(nèi)存在的骨區(qū)域22等附近時，能夠正確考慮骨區(qū)域的影響，而計算粒子射線的三維劑量分布。此外，通過優(yōu)化計算求出各自的副射束的位置(Xi，y i)、以及其權(quán)重計數(shù)Wi (i = l、2、3......N)，使其合成的形狀以近似方式重現(xiàn)實際射束的分布。因此，實際射束的近似具有保障精度、能夠以高精度計算被掃描的實際射束的三維劑量分布的效果。該近似中將副射束的強度分布設(shè)為高斯分布，并將其高斯分布的分布范圍設(shè)為小于實際射束的分布范圍很重要。如此，能夠以高精度對實際射束的強度分布進(jìn)行近似，得到高計算精度。
[0026]本發(fā)明中對利用掃描裝置將多個副射束的各自的副射束偏轉(zhuǎn)而前進(jìn)的狀態(tài)進(jìn)行仿真。即，由于能夠通過各自分別運算副射束的軌跡來進(jìn)行仿真以使各自的副射束在不同位置前進(jìn)，因而具有能夠高精度地重現(xiàn)射束尺寸隨著實際射束沿前進(jìn)方向前進(jìn)而逐漸變大的現(xiàn)象的效果。特別是射束的媒介不均勻時，能夠高精度地重現(xiàn)射束尺寸隨著射束的前進(jìn)而逐漸變大的過程根據(jù)位置而不同的現(xiàn)象。進(jìn)而，已知通常在媒介中前進(jìn)的粒子射線的XY方向的分布能夠使用高斯分布高精度地近似(例如High land計算式。[參考文獻(xiàn):V.L.Highland,uSome practical remarks on multiple scattering”，Nucl.Instrum&Methodb，74,497，1993])，通過使用高斯分布作為副射束的分布，能夠以更高精度計算利用被掃描的粒子射線在患者體內(nèi)形成的三維劑量分布。從這點出發(fā)能夠得到高精度的粒子射線治療計劃裝置。
[0027]上文以實際射束的強度分布能夠與高斯分布近似的情況為例進(jìn)行了說明，但是實際的實際射束的分布未必是高斯分布。特別是粒子射線是碳射線時，在實際射束的軸附近能夠使用高斯分布近似，但是在距軸較遠(yuǎn)的位置存在被稱為“大角度成分”的末端展開較大的分布，該影響可能導(dǎo)致使用高斯分布對實際射束進(jìn)行近似的方法中無法高精度地計算最終的劑量分布。此時也如圖6所示，通過導(dǎo)入與大角度成分對應(yīng)的I個以上的高斯分布的副射束，能夠重現(xiàn)實際射束的末端的分布，能夠使用上述方法計算在患者體內(nèi)形成的劑量分布。
[0028]實施方式2.圖7是表示本發(fā)明的實施方式2所述的粒子射線治療計劃裝置的仿真的步驟的流程圖，圖8是表示本發(fā)明的實施方式2所述的粒子射線治療計劃裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。以下基于圖7及圖8對本發(fā)明的實施方式2進(jìn)行說明。首先，準(zhǔn)備治療計劃中所需的患者三維CT圖像、以及照射方向等其他參數(shù)(步驟STl)。接著，設(shè)定掃描間距、優(yōu)化計算用條件等計算條件(步驟ST2)。接著，將副射束的個數(shù)設(shè)為例如NI個(NI = 1、3、5、7、9……的任意一個)，如圖2所示使用實際射束的剖面中具有剖面尺寸小于實際射束(但Nl = I時剖面尺寸與實際射束相同)的高斯形狀的分布的副射束對圖1所示粒子射線3(實際射束)進(jìn)行近似(步驟ST11)。即，通過優(yōu)化計算求出各自的副射束的中心位置(Xl，yi)、以及其權(quán)重計數(shù)1(1 = 1、2、3……NI)，決定副射束的集合，以使其合成的形狀以近似方式重現(xiàn)實際射束3的分布，即滿足計算式(I)。將該NI個副射束的集合作為第一副射束的集合。
[0029]然后，如下所示對被掃描的粒子射線3的患者體內(nèi)的三維劑量分布進(jìn)行計算。患者體內(nèi)的三維劑量分布能夠通過以下方式求出，即對各自的副射束在體內(nèi)形成的三維劑量分布的各自的計算結(jié)果乘以各自的權(quán)重計數(shù)1(? = 1、2、3……N)，然后進(jìn)行合計(加權(quán)卷積計算)算出。例如，如圖4所示，形成三維劑量分布，以使被掃描的粒子射線3的第5個副射束#5通過骨區(qū)域22，在骨區(qū)域22與照射位置8之間停止。另一方面，副射束#3通過骨區(qū)域22以外的部分，在其射程上形成三維劑量分布，以使其在照射位置8停止。然后，副射束#1也同樣，沿骨區(qū)域22以外的其他軌跡，向照射位置8形成規(guī)定的三維劑量分布。
[0030]如此，對第一副射束的集合的全部副射束計算各自的三維劑量分布，對其結(jié)果乘以各自的權(quán)重計數(shù)Wi，將其合計作為實際射束3的三維劑量分布(步驟ST12)。步驟ST12中，對照射各點的實際射束的各自的實際射束實施該計算。步驟STl2中，計算例如以單位照射量照射各照射點時的各自的三維劑量分布。通過使用以單位照射量照射各照射點時的各自的三維劑量分布，將向各照射點照射的粒子射線的照射量設(shè)為MUj(j = 1、2、3……M，M為點掃描照射的點的個數(shù))，將向各照射點照射時的三維劑量分布進(jìn)行累計，從而能夠算出整個患部的三維劑量分布。此處，通過優(yōu)化計算決定各MUj。通過使用步驟STl和步驟ST2中與其他參數(shù)一起輸入的優(yōu)化算法來決定各MUj，以使整個患部的劑量分布成為接近目標(biāo)劑量分布的劑量分布，從而執(zhí)行優(yōu)化計算(步驟ST13)。
[0031]至此基本上與實施方式I所示的粒子射線治療計劃裝置的動作流程相同。本實施方式2中，接著，將副射束的個數(shù)設(shè)定為大于NI的N2，利用個數(shù)多于NI個副射束的集合即第一副射束的集合的N2個副射束的集合即第二副射束的集合對實際射束進(jìn)行近似(步驟ST14)。然后，與步驟12相同，對第二副射束的集合計算各自的三維劑量分布，對其結(jié)果乘以各自的權(quán)重計數(shù)Wi(i = l、2、3……N2)，將其合計作為實際射束3的三維劑量分布。對照射各點的實際射束的各自的實際射束實施該計算(步驟ST15)。然后，步驟ST16中，與步驟ST13相同，通過優(yōu)化計算算出各實際射束的照射量。步驟ST16中，使用步驟ST13中得到的MUlXj =1、2、3……Μ)作為優(yōu)化計算的各實際射束的初始照射量。將利用優(yōu)化計算得到的照射量設(shè)為MU2j (j = 1、2、3……M)，輸出MU2j的列表、以及整個患部的劑量分布等(步驟ST17)。實際的粒子射線治療中，基于此處輸出的各點的粒子射線的照射量MU2j (j = 1、2、3……Μ)，向患者照射粒子射線。
[0032]以上流程如圖8所示，在粒子射線治療計劃裝置10的運算單元20中執(zhí)行。步驟STl中準(zhǔn)備的照射參數(shù)、步驟ST2中設(shè)定的計算條件等被儲存到治療計劃數(shù)據(jù)儲存部15。步驟STll及步驟ST14在副射束近似部11中、步驟ST12及步驟ST15在副射束劑量分布運算部12中、步驟STl3及步驟ST16在照射量優(yōu)化部13中分別執(zhí)行。
[0033]如此，本實施方式2中，最初將副射束的數(shù)設(shè)定為相對較小的數(shù)NI，首先粗略計算各實際射束的照射量MUl j(j = 1、2、3……Μ)。然后，將副射束的數(shù)設(shè)定為相對較大的數(shù)Ν2，通過高精度地計算患部的三維劑量分布，從而能夠最終算出高精度的各粒子射線的照射量MU2j。此處，將NI設(shè)為例如I或3等相對較小的數(shù)，將N2設(shè)為例如21等相對較大的數(shù)。第一副射束的集合的數(shù)即NI較小。計算三維劑量分布所需的時間基本與NI成正比，因此能夠高速執(zhí)行最初的步驟STll?ST13。暫且以近似方式得到向各照射位置照射的粒子射線的照射量MUlj(j = l、2、3……M)后，步驟ST14中將副射束的數(shù)設(shè)為大于NI的N2來決定第二副射束的集合，步驟ST16中將各粒子射線的照射量MUl j (j = 1、2、3……Μ)作為初始值執(zhí)行優(yōu)化計算，從而能夠以較少的次數(shù)得到收斂的各粒子射線的照射量MU2」(j = l、2、3……M)。綜上所述，能夠?qū)崿F(xiàn)計算精度與計算速度的協(xié)調(diào)，能夠更高效且相對短時間地得到粒子射線的照射量MU2j (j = 1、2、3……M)。因此，根據(jù)本發(fā)明，能夠得到計算速度快、計算精度高的粒子射線治療計劃。
標(biāo)號說明
[0034]2掃描裝置 3實際射束
10粒子射線治療計劃裝置 11副射束近似部 12副射束劑量分布運算部 13照射量優(yōu)化部 20運算單元
【主權(quán)項】
1.一種粒子射線治療計劃裝置，包括運算單元，所述運算單元求出粒子射線治療裝置的向各照射位置照射的粒子射線的各自的照射量，所述粒子射線治療裝置使用將所述粒子射線朝與所述粒子射線的前進(jìn)方向垂直的兩方向即XY方向偏轉(zhuǎn)來進(jìn)行掃描的掃描裝置，以使所述粒子射線反復(fù)進(jìn)行移動和停留的方式進(jìn)行掃描，將所述粒子射線每次停留時與照射對象即患者患部的所述粒子射線的能量對應(yīng)的深度的位置作為各照射位置分別形成照射點，并且變更所述粒子射線的能量來變更所述照射點的深度方向的位置，從而在包括所述患部在內(nèi)的所述患者內(nèi)部形成三維的劑量分布，其特征在于， 所述運算單元包括: 副射束近似部，所述副射束近似部使用分別具有高斯分布的多個副射束的集合對所述粒子射線進(jìn)行近似； 副射束劑量分布運算部，所述副射束劑量分布運算部運算利用所述掃描裝置將所述多個副射束的各自的副射束偏轉(zhuǎn)而在所述患者上形成的副射束劑量分布，通過將運算出的所述副射束劑量分布進(jìn)行累計，從而求出照射所述各照射位置的所述粒子射線在所述患者內(nèi)部形成的各自的劑量分布；以及 照射量優(yōu)化部，所述照射量優(yōu)化部利用優(yōu)化計算求出向所述各照射位置照射的所述粒子射線的各自的照射量，以使將照射所述各照射位置的粒子射線在所述患者內(nèi)部形成的各自的劑量分布進(jìn)行累計而求出的在所述患者內(nèi)部形成的總劑量分布成為治療計劃中設(shè)定的目標(biāo)劑量分布。2.如權(quán)利要求1所述的粒子射線治療計劃裝置，其特征在于， 所述副射束近似部中，使用數(shù)量相對較小的副射束的集合即第一副射束的集合、以及數(shù)量相對較大的副射束的集合即第二副射束的集合這2種副射束的集合分別對所述粒子射線進(jìn)行近似，所述照射量優(yōu)化部中將使用所述第一副射束的集合求出的結(jié)果的向所述各照射位置照射的所述粒子射線的各自的照射量作為所述優(yōu)化計算的初始值，使用所述第二副射束的集合求出向所述各照射位置照射的所述粒子射線的各自的照射量。3.—種粒子射線照射的仿真方法，對利用掃描裝置將筆形射束狀的粒子射線偏轉(zhuǎn)而向患者患部照射時的在患者內(nèi)部形成的劑量分布進(jìn)行仿真，其特征在于，包括: 副射束近似步驟，所述副射束近似步驟使用分別具有高斯分布的多個副射束的集合對所述粒子射線進(jìn)行近似；以及 副射束劑量分布運算步驟，所述副射束劑量分布運算步驟通過對利用所述掃描裝置將所述多個副射束的各自的副射束偏轉(zhuǎn)而前進(jìn)的狀態(tài)進(jìn)行仿真，從而運算所述各自的副射束在所述患者內(nèi)部形成的各自的副射束劑量分布，通過將運算出的所述各自的副射束劑量分布進(jìn)行累計，從而求出所述粒子射線在所述患者內(nèi)部形成的劑量分布。4.一種粒子射線照射的仿真方法，通過仿真求出粒子射線治療裝置的患者內(nèi)部的劑量分布，所述粒子射線治療裝置使用將粒子射線朝與所述粒子射線的前進(jìn)方向垂直的兩方向即XY方向偏轉(zhuǎn)來進(jìn)行掃描的掃描裝置，以使所述粒子射線反復(fù)進(jìn)行移動和停留的方式進(jìn)行掃描，將所述粒子射線每次停留時與照射對象即患者患部的所述粒子射線的能量對應(yīng)的深度的位置作為各照射位置分別形成照射點，并且變更所述粒子射線的能量來變更所述照射點的深度方向的位置，從而在包括所述患部在內(nèi)的所述患者內(nèi)部形成三維的劑量分布，其特征在于，包括: 副射束近似步驟，所述副射束近似步驟使用分別具有高斯分布的多個副射束的集合對所述粒子射線進(jìn)行近似；以及 副射束劑量分布運算步驟，所述副射束劑量分布運算步驟通過對利用所述掃描裝置將所述多個副射束的各自的副射束偏轉(zhuǎn)而前進(jìn)的狀態(tài)進(jìn)行仿真，從而運算所述各自的副射束在所述患者上形成的副射束劑量分布，通過將運算出的所述副射束劑量分布進(jìn)行累計，從而求出照射所述各照射位置的所述粒子射線在所述患者內(nèi)部形成的各自的劑量分布。5.如權(quán)利要求4所述的粒子射線照射的仿真方法，其特征在于， 包括照射量優(yōu)化步驟，所述照射量優(yōu)化步驟利用優(yōu)化計算求出向所述各照射位置照射的所述粒子射線的各自的照射量，以使將所述副射束劑量分布運算步驟中求出的所述各自的劑量分布進(jìn)行累計而得到的在所述患者內(nèi)部形成的總劑量分布成為治療計劃中設(shè)定的目標(biāo)劑量分布。6.如權(quán)利要求5所述的粒子射線照射的仿真方法，其特征在于， 所述副射束近似步驟中，使用數(shù)量相對較小的副射束的集合即第一副射束的集合、以及數(shù)量相對較大的副射束的集合即第二副射束的集合這2種副射束的集合分別對所述粒子射線進(jìn)行近似，所述照射量優(yōu)化步驟中將使用所述第一副射束的集合求出的結(jié)果的向所述各照射位置照射的所述粒子射線的各自的照射量作為所述優(yōu)化計算的初始值，使用所述第二副射束的集合求出向所述各照射位置照射的所述粒子射線的各自的照射量。
【文檔編號】A61N5/10GK106061555SQ201480076701
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年4月7日
【發(fā)明人】蒲越虎, 坂本裕介, 山田由希子, 池田昌廣, 富士英輝
【申請人】三菱電機(jī)株式會社