用于確定輸入待輻照的對(duì)象中的劑量的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于確定在施加輻照期間在利用能量粒子束(3)待輻照的對(duì)象(2)中的劑量輸入的方法(19)。在此確定在位于分別由能量粒子束(3)輻照的目標(biāo)體積區(qū)域(5)之外的體積區(qū)域(6，14，15)中的劑量輸入。為了確定劑量輸入使用計(jì)算函數(shù)，該計(jì)算函數(shù)至少部分地基于能量粒子束(3)的物理模型。
【專利說明】用于確定輸入待輻照的對(duì)象中的劑量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于確定在施加射線期間在利用能量粒子束輻照的對(duì)象中的劑量輸入的方法，其中至少短時(shí)地和/或至少部分地確定位于在分別由能量粒子束輻照的目標(biāo)體積區(qū)域之外的體積區(qū)域內(nèi)的劑量輸入。本發(fā)明還涉及一種具有至少一個(gè)監(jiān)控裝置的治療監(jiān)控系統(tǒng)。此外，本發(fā)明涉及一種輻照系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]用于施加、加工待加工的工件或用于改變待加工的工件的材料性能的不同類型和能量的輻射的應(yīng)用在此期間按照現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于不同的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)得以實(shí)現(xiàn)。
[0003]作為輻射類型在此不僅考慮光子輻射(也就是特別是光施加、利用X射線輻射的施加、UV光、紅外線等)，而且尤其也考慮粒子輻射。粒子在此基本上可以是任意的(其中粒子在此尤其被理解為具有必要時(shí)也盡可能小的靜止質(zhì)量的粒子)。純示例性地提及強(qiáng)子和輕子，特別地也提及微中子、電子、正電子、H-介子、介子、質(zhì)子、中子、原子核(例如氦核)、原子或分子以及離子(特別是重離子，諸如氧離子、氦離子、氖離子或碳離子)。
[0004]在此所有輻 照方式共同的是，通過輻射在利用輻射施加的對(duì)象中淀積特定的能量。然而，怎樣淀積該能量的方式部分地強(qiáng)烈不同。而例如在光子輻射的情況下在寬的能量區(qū)域中的能量損失相對(duì)于穿透的物質(zhì)是近似指數(shù)的，粒子束，在此特別是強(qiáng)子粒子(具體是光子、離子和重離子)具有突出的、所謂的布拉格尖峰(Bragg-Peak)。也就是，粒子在穿透物質(zhì)時(shí)在其路徑上首先失去相對(duì)小的能量。在粒子“卡住”之前一點(diǎn)向利用輻射施加的物質(zhì)輸出最大部分的能量。通過該布拉格尖峰不僅可以實(shí)現(xiàn)二維構(gòu)造的劑量施加，而且尤其也可以實(shí)現(xiàn)三維構(gòu)造的劑量施加(即在輻照的對(duì)象的不同深度中不同淀積的輻射劑量)。
[0005]不僅所使用的輻射的類型是多種多樣的，而且利用輻射施加的對(duì)象的類型也是多種多樣的。為了僅列舉幾個(gè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，例如結(jié)合利用光子的施加可以考慮在建立結(jié)構(gòu)化的半導(dǎo)體部件(例如存儲(chǔ)組件、微處理器等)的情況下利用掩模和材料損壞或材料涂覆的結(jié)構(gòu)化方法。光子也可以用于剪切和/或用于焊接工件(特別是當(dāng)光子輻射以高能激光射線的形式存在時(shí))。
[0006]對(duì)于電子射束的一種應(yīng)用示例是所謂的電子束焊接，利用其例如可以將兩個(gè)金屬工件彼此焊接。當(dāng)然也可以考慮分離或結(jié)構(gòu)化過程。
[0007]在醫(yī)學(xué)或獸醫(yī)學(xué)中輻射用于治療目的。例如使用X射線輻射來建立X射線圖像(包括通過所謂的CT方法的三維圖像；CT表示計(jì)算機(jī)斷層造影)是公知的。電子射線也已經(jīng)在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用了數(shù)十年，例如用于治療癌癥腫瘤。在此期間利用光子和離子(特別是重離子)治療腫瘤也已經(jīng)建立為醫(yī)學(xué)中的固定參數(shù)。基于已經(jīng)描述的布拉格尖峰在光子/離子/重離子的情況下可能的是，通過相應(yīng)地控制粒子束(例如在掃描過程的范圍內(nèi))有針對(duì)性地向患者中的三維限制的且結(jié)構(gòu)化的區(qū)域(即特別是腫瘤)施加輻射，而盡可能保護(hù)周圍的組織。在此期間可以實(shí)現(xiàn)毫米范圍內(nèi)的精確性。
[0008]在掃描方法的情況下通常也應(yīng)用細(xì)的粒子束(通常也稱為鉛筆細(xì)的粒子束)，其可以通過合適的偏轉(zhuǎn)磁體來在側(cè)向方向上(χ-y平面)偏轉(zhuǎn)并且通過合適的能量變化來控制其入射深度。通過相應(yīng)地改變偏轉(zhuǎn)和能量可能的是，“掃過”待輻照的對(duì)象的不同的利用劑量待施加的體積區(qū)域。通常在使用所謂的輻照計(jì)劃(輻照規(guī)劃)的條件下進(jìn)行輻照。在此計(jì)算地仿真特定的輻照樣本(也就是具有粒子束的不同的χ-y偏轉(zhuǎn)以及粒子束的合適的粒子能量的過程)，并且取決于位置地計(jì)算在利用輻射施加的身體中的由此分別引起的劑量輸入。雖然在輻照的對(duì)象中淀積的劑量集中在布拉格尖峰的區(qū)域上，但是(尤其在沿著粒子束接近輻照點(diǎn)的區(qū)域中)淀積特定的劑量。在輻照規(guī)劃的范疇內(nèi)這樣優(yōu)化粒子束導(dǎo)向，使得在對(duì)象的待治療的區(qū)域(通常稱為CTV = Clinical Target Volume，臨床目標(biāo)體積)內(nèi)施加一定的最小劑量。相反，周圍的物質(zhì)(組織)應(yīng)當(dāng)置于盡可能小的劑量。
[0009]特別在問題出現(xiàn)在待輻照的對(duì)象(的部分區(qū)域)運(yùn)動(dòng)時(shí)。運(yùn)動(dòng)在此不僅可以包括平移運(yùn)動(dòng)，而且也可以包括扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和/或壓縮運(yùn)動(dòng)或拉伸運(yùn)動(dòng)。特別地結(jié)合掃描方法，對(duì)象和粒子束的運(yùn)動(dòng)在此可以彼此“干涉”，并且當(dāng)采用不合適的對(duì)策時(shí)導(dǎo)致相對(duì)差的輻照結(jié)果O
[0010]在此期間廣泛使用的可以輻照運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)區(qū)域的方法在于跟蹤粒子束，這在術(shù)語中稱為所謂的“跟蹤(Track ing)”。在此這樣微調(diào)粒子束，使得其補(bǔ)償對(duì)象中的目標(biāo)體積區(qū)域的運(yùn)動(dòng)。在通過跟蹤這樣的輻射跟蹤的情況下事實(shí)上可能的是，基本上可以以規(guī)劃的劑量來控制實(shí)際上待輻照的格柵點(diǎn)(或打算的射束位置和/或目標(biāo)體積區(qū)域)。因?yàn)樵谝?guī)劃中不能預(yù)測(cè)待輻照的對(duì)象中的運(yùn)動(dòng)(特別是結(jié)合粒子束的運(yùn)動(dòng))，導(dǎo)致了在與當(dāng)前輻照的格柵點(diǎn)不相應(yīng)的區(qū)域中的事先不可規(guī)劃的劑量輸入。在對(duì)象處理過程(或治療時(shí)段)的范圍內(nèi)引入的劑量可以通過在物質(zhì)中當(dāng)前控制的格柵點(diǎn)之外引入的劑量的積蓄，導(dǎo)致在額定規(guī)劃和實(shí)際引入的劑量分布之間的極其明顯的偏差。
[0011]因此期望的是，在輻照對(duì)象期間測(cè)量對(duì)象的運(yùn)動(dòng)，并且在借助該測(cè)量的條件下計(jì)算，在輻照的對(duì)象中的實(shí)際劑量分布是怎樣的。這樣的知識(shí)例如還可以在對(duì)象處理過程的范疇內(nèi)被使用(例如通過相應(yīng)地匹配還進(jìn)一步的輻照)，或者也在之后的時(shí)間點(diǎn)，特別是當(dāng)整個(gè)處理在時(shí)間上彼此分離的多個(gè)對(duì)象處理時(shí)段的范疇內(nèi)被實(shí)施時(shí)被使用。
[0012]在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)建議可以用于實(shí)施這樣的劑量輸入監(jiān)控的方法。
[0013]例如在德國專利申請(qǐng)文件DE 10 2009 055 902 Al中建議一種方法，在該方法中依據(jù)第i個(gè)格柵位置在輻照前面的格柵位置時(shí)已經(jīng)獲得的確定的劑量計(jì)算第i個(gè)格柵位置的補(bǔ)償值，并且依據(jù)第i個(gè)格柵位置的補(bǔ)償值和第i個(gè)格柵位置的標(biāo)稱的粒子注量計(jì)算第i個(gè)格柵位置的補(bǔ)償?shù)牧Ｗ幼⒘浚员憷脼榈趇個(gè)格柵位置確定的補(bǔ)償?shù)牧Ｗ幼⒘縼磔椪?br> 第i個(gè)格柵位置。在使用事先計(jì)算的、以具有大量的單個(gè)的陣列元孝IV的矩陣形式的、用于劑量補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)基礎(chǔ)的條件下，確定在第i個(gè)格柵位置中的額定劑M和實(shí)際劑量之間的差。在那里建議的劑量補(bǔ)償提供了完全可用的結(jié)果。但是經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，應(yīng)用在事實(shí)上被限制到極其小空間的體積，從而格柵位置的數(shù)量足夠少。然而對(duì)于較大的體積(CTV參數(shù)為大約IOcm3)，用于存儲(chǔ)陣列元素的存儲(chǔ)需求過度增加。也就是，陣列元素的存儲(chǔ)需求大約隨著格柵位置的數(shù)量的平方而上升。對(duì)于大約IOcm3的體積得出這樣的在千兆范圍內(nèi)的存儲(chǔ)
要求，這即使利用目前的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)也是有問題的。此外，用于事先計(jì)算陣列元素的所需的時(shí)間也不成比例地上升。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，建議一種用于確定在當(dāng)前被輻照的目標(biāo)體積區(qū)域之外的物質(zhì)區(qū)域中的劑量輸入的普遍可用的方法。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題還在于，建議一種用于確定在當(dāng)前被輻照的目標(biāo)體積區(qū)域之外的體積區(qū)域中的劑量輸入的相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)改善的裝置。
[0015]上述技術(shù)問題通過本發(fā)明來解決。
[0016]建議一種用于確定在施加輻照期間在利用能量粒子束進(jìn)行輻照的對(duì)象中的劑量輸入的方法，其中至少短時(shí)地和/或至少部分地確定在位于分別由能量粒子束輻照的目標(biāo)體積區(qū)域之外的體積區(qū)域內(nèi)的劑量輸入，這樣執(zhí)行該方法，使得為了確定劑量輸入使用計(jì)算函數(shù)，該計(jì)算函數(shù)至少部分地基于能量粒子束的物理模型。能量粒子束優(yōu)選地是細(xì)(鉛筆細(xì))的優(yōu)選在施加輻照期間運(yùn)動(dòng)的粒子束。在此可以是術(shù)語中作為所謂的掃描方法公知的運(yùn)動(dòng)方法(特別是格柵掃描法、點(diǎn)掃描法或連續(xù)掃描方法)。粒子束尤其可以由具有(即使小的)靜止質(zhì)量的粒子組成。特別地可以是強(qiáng)子，如特殊質(zhì)子、氦核、離子、重離子(特別是氧離子、碳離子、氖離子)，必要時(shí)也是其非離子的等價(jià)。但是原則上還可以的是，使用不運(yùn)動(dòng)的粒子束和/或通過合適的措施擴(kuò)大粒子束。此外，也可以考慮輕子作為粒子(特別是電子和正電子)。對(duì)象可以是基本上任意的對(duì)象。特別地可以是待加工的工件，例如半導(dǎo)體材料、金屬材料等。然而尤其還可以考慮，是來自于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的對(duì)象。但是在此不僅考慮人的和動(dòng)物患者，而且尤其也考慮細(xì)胞培養(yǎng)和所謂的輻照模體，利用該輻照模體例如可以在實(shí)際用于治療之前驗(yàn)證事先計(jì)算的輻照規(guī)劃。雖然帶電粒子輻射(特別是強(qiáng)子粒子輻射)具有通常突出的布拉格尖峰，但不能避免的是，一定的劑量也被施加到實(shí)際上不由粒子束“掃過”的體積區(qū)域。這尤其涉及處于接近當(dāng)前控制的目標(biāo)體積區(qū)域的體積區(qū)域。要指出的是，在本申請(qǐng)的范圍內(nèi)概念“目標(biāo)體積區(qū)域”通常被理解為布拉格尖峰的直接周圍(雖然部分地該概念也被理解 為由醫(yī)生標(biāo)記的目標(biāo)體積，例如待輻照的腫瘤)。因?yàn)檫@樣引入的劑量隨著時(shí)間可以累積并且特別地在存在待輻照的對(duì)象運(yùn)動(dòng)的情況下不能事先規(guī)劃由此引起的劑量輸入，所以有意義的是，在實(shí)際施加輻照期間確定該劑量輸入，特別是由此可以在之后的時(shí)間點(diǎn)考慮該劑量輸入，但該之后的時(shí)間點(diǎn)也還可以處于當(dāng)前的施加時(shí)段期間。要指出的是，該“不期望的劑量輸入”可以構(gòu)成在特定的體積區(qū)域中的劑量輸入的極其明顯的分量，并且特別地由于運(yùn)動(dòng)引起的波動(dòng)可以導(dǎo)致與在輻照規(guī)劃的范疇內(nèi)計(jì)算的或采用的劑量的極大偏差。發(fā)明人已經(jīng)確定，在計(jì)算該劑量輸入的情況下有意義的是，使用計(jì)算函數(shù)，該計(jì)算函數(shù)至少部分地基于能量粒子束的物理模型。對(duì)于其特有的驚奇由此可能的是，在較大的待輻照的體積區(qū)域的情況下極其明顯地降低了存儲(chǔ)需求。尤其可能的是，在具有數(shù)萬個(gè)格柵點(diǎn)的第一試驗(yàn)的情況下所需的存儲(chǔ)需求從千兆字節(jié)降低到稍低于一兆字節(jié)。此外，存儲(chǔ)器的需求通過本建議的方法僅還線性地縮放(而不再如在DE 10 2009 055 902 Al中所建議的方法那樣平方地縮放)，從而也可以有意義地輻照極大的對(duì)象。因此可以猜測(cè)的是，因?yàn)樵谄駷橹沟姆椒ㄖ性谑孪扔?jì)算傳遞系數(shù)的情況下在各個(gè)矩陣值之間存在(不需要的)大的冗余。但是通過使用物理模型例如可以優(yōu)選地利用對(duì)稱性等，從而可以得出大的優(yōu)點(diǎn)，特別是關(guān)于存儲(chǔ)需求的大的優(yōu)點(diǎn)。這(如已經(jīng)提到的那樣)導(dǎo)致了，現(xiàn)在事實(shí)上首次能夠?qū)崿F(xiàn)(運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)睾?或適應(yīng)性地)輻照大的對(duì)象。[0017]此外建議，在該方法中至少短時(shí)地和/或至少部分地確定在與由能量粒子束輻照的目標(biāo)體積區(qū)域相應(yīng)的體積區(qū)域內(nèi)的劑量輸入。由此不僅能夠監(jiān)控在位于“實(shí)際控制的格柵點(diǎn)的旁邊”的體積區(qū)域中的劑量輸入，而且能夠監(jiān)控引入當(dāng)前控制的目標(biāo)體積區(qū)域中的劑量。由此也可以在此采集可能的波動(dòng)和/或不可預(yù)見的效應(yīng)，這在所有情況下可以導(dǎo)致改善輻照或?qū)е赂纳戚椪毡O(jiān)控。
[0018]已經(jīng)證明是有意義的是，在該方法中粒子束的物理模型基于粒子束輪廓的基本上高斯分布。測(cè)量已經(jīng)得出，這樣的假定通常按照良好的至卓越的近似與實(shí)際的粒子束輪廓一致。相應(yīng)地第一試驗(yàn)已經(jīng)得出，總之利用建議的方法可實(shí)現(xiàn)的結(jié)果是特別好的。出于完整性起見應(yīng)當(dāng)指出的是，高斯分布不僅可以在(基本上)圓形的粒子束輪廓中，而且必要時(shí)也在例如橢圓形或卵形的粒子束輪廓中被假定。
[0019]還具有的優(yōu)點(diǎn)是，在該方法中物理模型基于在穿透物質(zhì)時(shí)的能量損失模型。這通常相應(yīng)于實(shí)際的情況，特別是在穿過物質(zhì)時(shí)的強(qiáng)子粒子束的情況。通過該模型也可以在這樣的粒子種類的情況下考慮該粒子種類固有的效應(yīng)，例如特別是在穿過物質(zhì)時(shí)依據(jù)物質(zhì)的密度和/或粒子(剩余)能量的非線性能量損失(極端非線性，特別是在布拉格尖峰區(qū)域中)?？梢酝ㄟ^已知的積分方法將能量模型“轉(zhuǎn)換”為相應(yīng)的計(jì)算函數(shù)。
[0020]在待輻照的對(duì)象在施加輻照期間至少短時(shí)地和/或至少按區(qū)域地運(yùn)動(dòng)時(shí)，特別是在本身運(yùn)動(dòng)時(shí)，以及待輻照的對(duì)象的優(yōu)選至少部分區(qū)域執(zhí)行平移運(yùn)動(dòng)和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和/或拉伸或壓縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以特別有利地應(yīng)用所建議的方法。特別地可以在存在這樣的運(yùn)動(dòng)的情況下得出與額定規(guī)劃相比在當(dāng)前輻照的格柵點(diǎn)之外的體積區(qū)域中引入的劑量的特別大的偏差。特別地關(guān)于平移運(yùn)動(dòng)和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要指出的是，這樣的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致在粒子束方向上的不同密度的物質(zhì)區(qū)域的偏移。相應(yīng)地也可以改變粒子束的有效深度和/或極端地改變物質(zhì)區(qū)域中沿著粒子束的淀積的能量分布的類型。同樣在拉伸或壓縮運(yùn)動(dòng)的情況下通常導(dǎo)致在待輻照的對(duì)象中的密度變化，從而在此在當(dāng)前格柵點(diǎn)之外的區(qū)域中的劑量淀積的情況下可以產(chǎn)生特別強(qiáng)的效果。但是如果特別地借助所建議的方法考慮該劑量淀積效果，則總體上通常明顯改善治療結(jié)果。
[0021]特別有利的是，確定待輻照的對(duì)象的至少部分的運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)在此例如可以通過成像方法(例如在使用X射線輻射、超聲波方法等的情況下的方法)、通過待跟蹤對(duì)象(例如植入的金屬球或其它標(biāo)記物質(zhì))和/或通過運(yùn)動(dòng)替換物來確定或至少近似。運(yùn)動(dòng)替換物例如是圍繞患者胸腔的拉伸測(cè)量條。在實(shí)際輻照之前例如可以借助成像方法采集拉伸測(cè)量條的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)-拉伸的相互關(guān)系。如果在實(shí)際治療期間確定拉伸測(cè)量條的長(zhǎng)度，則可以利用良好的近似反向推斷出當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
[0022] 特別有利的是，在該方法中能量粒子束至少短時(shí)地和/或至少按區(qū)域地平衡待輻照的對(duì)象的運(yùn)動(dòng)。這例如尤其可以在術(shù)語稱為所謂的“跟蹤(Tracking) ”的跟蹤方法的意義上理解。尤其可能的是，通過相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)(例如偏轉(zhuǎn)磁體)實(shí)現(xiàn)粒子束的側(cè)向位置和/或?qū)崿F(xiàn)粒子束的能量匹配(和由此在對(duì)象中粒子束的入射深度的匹配)。通過這種方式至少可能的是，“當(dāng)前的格柵點(diǎn)”基本上與規(guī)劃一致。要指出的是，然而所建議的平衡運(yùn)動(dòng)例如也可以涉及粒子束軌跡的跟蹤(從而由此也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)在與當(dāng)前控制的格柵點(diǎn)體積區(qū)域不一致的體積區(qū)域中的輻射輸入的直接影響)。這可以通過粒子束本身的運(yùn)動(dòng)(例如通過機(jī)架)實(shí)現(xiàn)和/或例如通過治療臥榻的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。[0023]特別有利的是，在所建議的方法中在施加輻照期間確定的劑量輸入具有對(duì)隨后的輻照的影響。通過這種方式可以“有意義地利用”所確定的值(特別是與事先假設(shè)的值的偏差)。隨后的輻照一方面可以被理解為在線匹配，從而在連續(xù)的材料加工時(shí)段(治療時(shí)段)的范圍內(nèi)就可以進(jìn)行匹配。但還可能的是，是時(shí)間上彼此間隔的多個(gè)材料加工時(shí)段(治療時(shí)段)，并且借助獲得的數(shù)據(jù)例如可以相應(yīng)地在動(dòng)用這樣獲得的數(shù)據(jù)的條件下合適地匹配對(duì)于隨后的治療時(shí)段待確定的輻照規(guī)劃。特別地可以通過改變輸入的粒子數(shù)量來進(jìn)行輸入的劑量的匹配。特別地，可以通過改變粒子束在特定的射束位置上的停留時(shí)間來改變輸入的粒子數(shù)量。較長(zhǎng)的停留時(shí)間通常具有較高的粒子輸入作為結(jié)果(相應(yīng)地較短的停留時(shí)間具有較小的粒子輸入)。但附加地或替換地還可能的是，例如這樣相應(yīng)地后控制加速器裝置，從而改變粒子注量。
[0024]此外有利的是，在該方法中存儲(chǔ)和/或輸出在施加輻照期間確定的劑量輸入。由此尤其可能的是，可以將所獲得的數(shù)據(jù)存檔并且能夠在隨后的時(shí)間點(diǎn)再次使用。這不僅能夠與隨后的對(duì)象處理時(shí)段有關(guān)，而且例如也與證據(jù)保全措施、研究方向等有關(guān)。
[0025]可能的是，在該方法中物理模型至少短時(shí)地和/或至少部分地作為解析函數(shù)和/或作為值表存在。解析圖示尤其可以再次減少用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求。而可以證明，當(dāng)解析函數(shù)相對(duì)復(fù)雜，從而解析計(jì)算(特別是在線解析計(jì)算)將需要過多的計(jì)算時(shí)間時(shí)，值表是具有優(yōu)勢(shì)的。當(dāng)然也可以考慮組合方法，使得例如進(jìn)行在χ-y方向上的解析計(jì)算并且使用對(duì)于z方向的值表。同樣也可以考慮在兩個(gè)極值之間的組合，例如在該意義上對(duì)值表進(jìn)行內(nèi)插(線性、樣條等)，并且通常也是有意義的。
[0026]此外有利的是，在施加輻照期間移動(dòng)能量粒子束，特別是掃描式地、優(yōu)選格柵掃描式地、點(diǎn)掃描式地和/或連續(xù)掃描式地移動(dòng)能量粒子束。由此通過特別有利的方式可能的是，可以將基本上任意形 狀的劑量輸入字段(Dosiseintrags-Felder)引入對(duì)象(對(duì)象區(qū)域)?？梢栽谶@樣的施加的情況下特別有利地應(yīng)用該方法和/或提供特別有利的結(jié)果。
[0027]此外建議，在該方法中確定在額定劑量和實(shí)際施加的劑量之間的差。尤其可以在隨后的時(shí)間點(diǎn)(特別是也在當(dāng)前劑量施加/輻照片段期間)考慮該偏差。特別地，在特定的目標(biāo)體積區(qū)域(格柵點(diǎn)或射束位置；部分地在“實(shí)驗(yàn)術(shù)語”中(不完全符合地)也稱為體素)中的劑量輸入可以相應(yīng)于這樣確定的值而降低或提高，當(dāng)該體素當(dāng)前由粒子束“掃過”時(shí)。
[0028]此外，建議一種具有至少一個(gè)監(jiān)控裝置的治療監(jiān)控系統(tǒng)，其中這樣構(gòu)造和設(shè)計(jì)監(jiān)控裝置，使得其具有前面描述的類型的方法。治療監(jiān)控系統(tǒng)然后可以以至少類似的方式具有前面已經(jīng)提到的特征和優(yōu)點(diǎn)。此外可以在前面描述的意義上，至少相似地進(jìn)一步擴(kuò)展治療監(jiān)控系統(tǒng)。
[0029]此外建議一種輻照系統(tǒng)，其具有至少一個(gè)這樣的治療監(jiān)控系統(tǒng)。在該情況下也可能的是，輻照系統(tǒng)可以以類似的方式具有前面已經(jīng)提到的特征和優(yōu)點(diǎn)和/或可以在前面描述的意義上至少相似地進(jìn)一步擴(kuò)展該輻照系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]下面結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施例并且參考所附的附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。附圖中:
[0031]圖1以示意圖示出了用于施加能量粒子束的可考慮的裝置；[0032]圖2a_2b示出了用于解釋在接近目標(biāo)點(diǎn)的組織區(qū)域中劑量分布的影響的示例性示意圖，其中存在目標(biāo)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)；
[0033]圖3a_3b示出了對(duì)于能量粒子束的物理模型的物理假定的可能的示例；
[0034]圖4示出了用于確定在不同的體積區(qū)域內(nèi)的對(duì)象中的劑量輸入的可能的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0035]圖1以示意圖示出了利用高能粒子束3 (在該情況下是重離子)來輻照對(duì)象2的輻照裝置I。輻照裝置I在此同時(shí)這樣構(gòu)造和設(shè)計(jì)，使得可以借助運(yùn)動(dòng)替代測(cè)量傳感器4來測(cè)量對(duì)象2的運(yùn)動(dòng)(通過箭頭表示)(例如圍繞患者的胸腔的拉伸測(cè)量條)，以便以這種方式確定不僅在當(dāng)前輻照的射束位置5中，而且也在另外的體積區(qū)域(位置6)中，特別是在從粒子束方向3來看位于接近當(dāng)前射束位置5的位置14、15中的劑量輸入。在此在“實(shí)驗(yàn)術(shù)語”中，當(dāng)前輻照的射束位置5部分地(不完全適用地)被稱為目標(biāo)體素并且相應(yīng)地(其它)位置6、14、15被稱為體素。
[0036]輻照裝置I包括加速器，其在此被構(gòu)造為同步加速器7，其中通常在其前面連接線性加速器(Linac)，但該線性加速器在圖1中為清楚起見未示出。同樣，用于產(chǎn)生粒子束3中的離子的離子源在圖1中為清楚起見也未示出。
[0037]通過在水平方向上 (偏轉(zhuǎn)線圈對(duì)8)和在垂直方向上(偏轉(zhuǎn)線圈對(duì)9)的兩個(gè)偏轉(zhuǎn)線圈對(duì)8、9來偏轉(zhuǎn)脫離了同步加速器7的高速粒子束3。通過兩個(gè)相對(duì)移動(dòng)的吸收楔10 (能量變化裝置)能夠發(fā)生粒子束3的(快速)能量變化。借助偏轉(zhuǎn)線圈對(duì)8、9和吸收楔10可以通過掃過大量射束位置5來掃描位于待輻照的對(duì)象2內(nèi)部的目標(biāo)體積，并且由此施加特定的劑量。同時(shí)可以借助偏轉(zhuǎn)線圈對(duì)8、9和吸收楔10在使用運(yùn)動(dòng)替代測(cè)量傳感器4的數(shù)據(jù)的條件下執(zhí)行在對(duì)象2內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)的射束位置5的跟蹤(Nachverfolgung),并且通過這種方式基本上平衡了各自的射束位置5的運(yùn)動(dòng)。由電子計(jì)算機(jī)11來處理運(yùn)動(dòng)替代測(cè)量傳感器4的數(shù)據(jù)，該電子計(jì)算機(jī)11通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)線12被提供數(shù)據(jù)或?qū)⑾鄳?yīng)的控制命令輸出到偏轉(zhuǎn)線圈對(duì)8、9和吸收楔10。
[0038]當(dāng)然可能的是，電子計(jì)算機(jī)11也還處理另外的數(shù)據(jù)。此外，電子計(jì)算機(jī)11必要時(shí)也可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到同步加速器7 (和/或加速器的其它區(qū)域)，以便通過這種方式例如執(zhí)行較大的能量變化(特別是比以吸收楔10可以表示的能量變化更大的能量變化)。然而同步加速器7的能量變化通常僅能從一個(gè)粒子溢出(Teilchenspill)到另一個(gè)來執(zhí)行，也就是需要相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間，從而吸收楔10 (或其它方式的快速的能量變化裝置)的使用是有意義的。
[0039]在電子計(jì)算機(jī)11中在施加輻照之前讀入事先計(jì)算的輻照規(guī)劃。因?yàn)椴荒茉谳椪盏姆懂爟?nèi)預(yù)測(cè)對(duì)象2的運(yùn)動(dòng)(特別是對(duì)象2的內(nèi)部運(yùn)動(dòng))，所以在實(shí)際施加輻照期間需要測(cè)量對(duì)象2的運(yùn)動(dòng)，以便一方面能夠執(zhí)行跟蹤，另一方而能夠確定在實(shí)際(當(dāng)前)的射束位置5之外的體積區(qū)域中的劑量輸入。
[0040]在圖2中為了說明，示意性地示出了通過對(duì)象2的運(yùn)動(dòng)關(guān)于在不同的位置6中，特別是在接近實(shí)際射束位置5的位置14、15中的劑量淀積所產(chǎn)生的效果。在圖2中分別示出了來自于待輻照的對(duì)象2的截面13。截面13分成多個(gè)單獨(dú)限定的、可控的體積區(qū)域，在此稱為位置6。此外，在圖2中示出了入射的粒子束3。因?yàn)樵诖诉@樣(小地)選擇截面13，使得在一定的時(shí)間點(diǎn)由粒子束3掃過所有的位置6，所以所有的位置6在特定的輻照時(shí)間點(diǎn)是射束位置5。相反，其它位于截面13之外的位置6(部分地)不由粒子束3掃過。盡管如此在確定各個(gè)“無意”引入這些位置6的劑量輸入的情況下也考慮這些位置6。基于對(duì)象2 (或?qū)ο?的部位)的運(yùn)動(dòng)，截面13也運(yùn)動(dòng)，從而相應(yīng)地移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)位置格柵6。通過粒子束3的合適的偏轉(zhuǎn)和能量匹配(相應(yīng)地控制偏轉(zhuǎn)線圈對(duì)8、9和吸收楔10)通?？梢粤己玫仄胶饨孛?3的簡(jiǎn)單移動(dòng)(平移移動(dòng))。但是由此通常不能補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如其在圖2a(運(yùn)動(dòng)狀態(tài)m')和圖2b (運(yùn)動(dòng)狀態(tài)m)之間發(fā)生的那樣。如從圖2的兩個(gè)子圖中得出的那樣，截面13的這樣的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致了，雖然控制相同的射束位置5，但是粒子束3現(xiàn)在穿透另外的位置6。相應(yīng)穿透的位置6 (也就是接近射束位置5的位置14、15)在此為了說明而分為在其中發(fā)生弱的能量淀積的位置14(點(diǎn))和在其中發(fā)生中等的能量淀積的位置15(陰影)。在利用交叉圖案表示的射束位置5中存在布拉格尖峰的主區(qū)域，從而在此進(jìn)行極其強(qiáng)的能量淀積。
[0041]如已經(jīng)提到的，在實(shí)際輻照對(duì)象2期間才確定在與實(shí)際的射束位置5不同的位置6(特別是位置14、15)中的劑量輸入，因?yàn)樵诮⑤椪找?guī)劃時(shí)對(duì)象2的運(yùn)動(dòng)不是已知的。迄今為止為了計(jì)算涉及的劑量分量而應(yīng)用矩陣，該矩陣描述了在輸入射束位置5(其中射束位置5在輻照期間隨著掃描過程而變化)和其它的位置6中的劑量的映射函數(shù)。在此必須對(duì)于實(shí)際地在輻照的范疇內(nèi)所預(yù)計(jì)的每個(gè)單個(gè)的運(yùn)動(dòng)階段預(yù)先確定該矩陣的系數(shù)。相應(yīng)的矩陣的存儲(chǔ)需求大約隨著所考慮的位置6的數(shù)量的平方而上升。因此在幾平方厘米的相對(duì)小的目標(biāo)區(qū)域的情況下僅對(duì)于矩陣就需要數(shù)千兆字節(jié)的存儲(chǔ)需求。由于必須是RAM存儲(chǔ)器(否則不能在線計(jì)算，因?yàn)槔缬脖P存取需要太多時(shí)間)，所以利用目前可用的計(jì)算機(jī)也很快達(dá)到技術(shù)邊界。
[0042]相應(yīng)地建議，為了計(jì)算在不同的位置6中的劑量輸入，不使用利用系數(shù)填充的矩陣而使用計(jì)算函數(shù)，該計(jì)算函數(shù)基于粒子束的物理模型。
[0043]在圖3中示出了可以用于建立計(jì)算函數(shù)的可考慮的物理模型。在此圖3a示出了在粒子束3的傳播方向(z方向)上的模型，而圖3b示出了粒子束的側(cè)向延伸。
[0044]在圖3a的上方線圖中示出了能量E與穿透的物質(zhì)(長(zhǎng)度z)的依賴關(guān)系。在此假定任意選擇的起始能量值E0。在現(xiàn)在作為粒子束使用的氦離子束的情況下首先導(dǎo)致相對(duì)小的能量損失。在zO時(shí)的布拉格尖峰最大值之前不遠(yuǎn)處能量才開始強(qiáng)烈下降并且在布拉格尖峰最大值z(mì)O的區(qū)域中達(dá)到最大斜率。該關(guān)系在圖3a的下方線圈中進(jìn)一步示出，在那里示出了相對(duì)于在z方向穿透的物質(zhì)、每單位長(zhǎng)度的微分的能量損失dE/dz (和由此每單位體積的劑量輸入)。
[0045]此外，在圖3b中示出了圍繞粒子束直徑17的中心點(diǎn)16以高斯式強(qiáng)度分布的粒子束3。在上部區(qū)域中示出了高斯曲線18。為了示出比例，圍繞粒子束直徑17的中心點(diǎn)16標(biāo)出具有不同強(qiáng)度的多個(gè)同心圓(其中在實(shí)際中粒子強(qiáng)度通常不是階梯式地，而是持續(xù)按照高斯曲線18地下降)。
[0046]基于該數(shù)學(xué)模型獲得如下關(guān)系式作為對(duì)于變換函數(shù)D (Eb.，r, z)的可能的函數(shù):
[0047]
DiEhcam, r, z)[G,.] = 1.6.IO-8d{Ekn:n,,z\^YE!!L \ __L,Cxpf-^rI ( I )

g 2πσσ^ ψχητ J 、2(7— J[0048]在此，函數(shù)d(Ebeam，z)是描述了劑量輸入與入射深度z的依賴關(guān)系式，并且下面還進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行解釋。N是粒子數(shù)量，σ是粒子束寬度的標(biāo)準(zhǔn)偏差并且r是到粒子束直徑17的中心點(diǎn)16的距離。
[0049]對(duì)于函數(shù)d(Ebeam，z)可以應(yīng)用如下關(guān)系式:
【權(quán)利要求】
1.一種用于確定在施加輻照期間在利用能量粒子束(3)待輻照的對(duì)象(2)中的劑量輸入的方法(19)，其中至少短時(shí)地和/或至少部分地確定在位于分別由能量粒子束(3)輻照的目標(biāo)體積區(qū)域(5)之外的體積區(qū)域(6，14，15)中的劑量輸入，其特征在于，為了確定劑量輸入使用計(jì)算函數(shù)，該計(jì)算函數(shù)至少部分地基于能量粒子束(3)的物理模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(19)，其特征在于，至少短時(shí)地和/或至少部分地確定在與由能量粒子束(3)輻照的目標(biāo)體積區(qū)域(5)相應(yīng)的體積區(qū)域(5)中的劑量輸入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法(19)，其特征在于，所述粒子束(3)的物理模型基于粒子束輪廓(17)的基本上高斯的分布(18)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(19)，其特征在于，所述物理模型基于在穿透物質(zhì)時(shí)的能量損失模型(圖3a)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(19)，其特征在于，待輻照的對(duì)象(2)在施加輻照期間至少短時(shí)地和/或至少按區(qū)域地運(yùn)動(dòng)，特別是本身運(yùn)動(dòng)，以及待輻照的對(duì)象的優(yōu)選至少部分區(qū)域執(zhí)行平移運(yùn)動(dòng)和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和/或拉伸或壓縮運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)，特別是根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法(19)，其特征在于，確定待輻照的對(duì)象(2)的至少部分的運(yùn)動(dòng)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)，特別是根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法(19)，其特征在于，所述能量粒子束(3)至少短時(shí)地和/或至少按區(qū)域地平衡待輻照的對(duì)象(2)的運(yùn)動(dòng)。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(19)，其特征在于，在施加輻照期間所確定的劑量輸入具有對(duì)隨后的輻照的影響。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(19)，其特征在于，存儲(chǔ)和/或輸出在施加輻照期間所確定的劑量輸入。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(19)，其特征在于，所述物理模型至少短時(shí)地和/或至少部分地作為解析函數(shù)和/或作為值表存在。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(19)，其特征在于，在施加輻照期間移動(dòng)所述能量粒子束(3)，特別是掃描式地、優(yōu)選格柵掃描式地、點(diǎn)掃描式地和/或連續(xù)掃描式地移動(dòng)所述能量粒子束。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法(19)，其特征在于，確定在額定劑量和實(shí)際施加的劑量之間的差。
13.一種具有至少一個(gè)監(jiān)控裝置的治療監(jiān)控系統(tǒng)(11)，其特征在于，這樣構(gòu)造和設(shè)計(jì)所述監(jiān)控裝置，使得所述監(jiān)控裝置實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法。
14.一種輻照系統(tǒng)(1)，其特征在于至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求13所述的治療監(jiān)控系統(tǒng)(11)。
【文檔編號(hào)】A61N5/10GK103998097SQ201280062359
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月22日
【發(fā)明者】C.伯特, R.魯克騰伯格 申請(qǐng)人:Gsi亥姆霍茲重離子研究中心有限責(zé)任公司