[发明专利]一种设计非共面容积旋转调强放疗计划的方法

说明书

本发明公开了一种用于计算机辅助设计非共面容积旋转调强放射治疗(VMAT)计划的方法。其内容包括：从成像设备收集病人患病部位及周边人体组织的医学影像，通过软件组件收集感兴趣区的三维轮廓数据，通过用户输入设备收集总跳数，优化目标和约束条件，以治疗设备跳数作为时间单位，对总跳数做等分并为各等分点随机选择一组机器参数，筛选就并保留任意相邻跳数等分点均满足约束条件的一组机器参数，依据这些机器参数生成一组初始VMAT计划，在满足约束条件的前提下使用一种直接优化算法来更新计划，依据病人数据建立剂量网格并基于剂量网格计算剂量分布，计算目标函数值，重复使用直接优化算法来更新计划直到满足停止条件，输出优化后计划。

技术领域

本发明涉及放射治疗领域医疗器械软件，特别地，涉及一种用于生成经过优化的非共面容积旋转调强放疗(VMAT)的放射治疗计划的方法。

背景技术

放射治疗是目前广泛用来治疗肿瘤的一种方法。在一个典型的放疗案例中，放疗系统中产生电离射线的设备固定于机架中。放疗系统控制机架转动使该设备产生的电离辐射射束对准空间中的特定点，通常被称为“机器等中心点”。在放射治疗开始前，治疗床承载病人按照计划定位，使得在治疗过程中病人体内的肿瘤始终位于机器等中心点。

通常，放疗计划包含一组分期，在每个分期对病人施加放疗计划辐射量的一部分。一个分期计划通常用于描述关于一个或多个“射野”的具体信息，包括：机架位置，用于控制相对于肿瘤位置的辐射能量的路径；准直器设置，用于控制辐射能量束的形状和截面积；辐射束能级；持续时间，用于控制辐射束的照射时间。一个放疗计划应当包括下列信息：肿瘤的密度、体积、外形、朝向以及在人体中的位置，肿瘤与其他器官和人体解剖结构的相对位置，在各治疗分期中用于照射人体的辐射能量的信息，以及此前使用过的治疗措施的信息。

放射治疗有多种模式。目前主流的模式是：调强放疗(Intensity modulatedradiation therapy，IMRT)。在IMRT中，加速器会随着机架的转动而改变照射角度；每当机架位于计划指定的特定角度时，多叶准直器可依据计划调制射束，从而控制靶区的不同部位的累计照射时间。由此，IMRT可以控制控制每一个射束的辐射密度分布从而在靶区内部形成适形剂量分布。相比之下，以往的三维适形放疗(3D CRT)只能将每个射束作为一个整体来调整其在放疗计划中的权重。IMRT的不足之处是，只能以步进方式选择数量有限的角度来做照射，为使用各种优化方法来改进放疗计划和提高治疗效果留出的余地比较少。

随着放疗技术的进步，针对IMRT的一些不足出现了容积旋转调强放疗(VMAT)的技术。在VMAT中，机架可以带着加速器围绕病人转动到任意位置进行照射，而MLC也可以连续地调整叶片位型而不受机架的转动和静止的限制。在这一过程中，加速器的辐射剂量率，准直器的角度和治疗床的角度也能一同做连续的变化。由此，允许机架做最大360度范围的旋转，从而不必像IMRT那样，仅仅局限于从有限的几个角度照射靶区。这使得VMAT方式可以形成适形度比较高的三维剂量分布，有效保护重要器官，以及缩短放疗所用时间，在整体上提高临床放疗的水平。据预计，在五年左右的时间里，VMAT将会取代固定射束IMRT，成为最普及的放疗模式。

VMAT方式提供了更好的应用前景，但是VMAT的普及需要首先解决一个复杂的问题：如果设计和优化一个VMAT计划。一个VMAT的计划需要定量描述机器参数的变化过程。这些参数包括：机架角度，MLC叶片位型，治疗床角度，准直器角度，以及机器参数变化过程中MU随时间的变化。这些参数的变化是错综复杂的，因而只能以逆向计划的方式来完成VMAT的计划设计。

目前为VMAT做逆向计划主要是基于启发式的近似方法。其中一种方式是：首先，对于预先选定的机架运动弧线，沿着弧线选择一组等间距的角度；然后，对于每一个射束设计一组MLC叶片的位型，以便通过滑窗方式使用ML对射束做调制从而得到指定的能量通量；最后，依据近似的插值方法，依次将各角度上的MLC叶片位型沿着预定弧线分散放置，得到以滑窗方式进行放射治疗的的VMAT计划。