本發(fā)明涉及放射線治療技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于粒子治療的掃描照射方法、裝置和治療頭。

背景技術(shù)：

粒子放療是目前世界上最先進(jìn)的癌癥治療手段之一。與通常的光子放療(X射線放療)相比，粒子被照射到病人體內(nèi)時(shí)，將在粒子射程終端形成最大劑量峰值，即，形成所謂的布拉格峰(Bragg Peak)。因而通過精密控制粒子束流能量和粒子束照射位置，可以將高劑量粒子集中照射到目標(biāo)腫瘤靶區(qū)內(nèi)，同時(shí)將對(duì)目標(biāo)腫瘤周圍的正常組織和正常器官的不利照射劑量降低到最少，從而實(shí)現(xiàn)比X射線放療更加適形的劑量分布，提高腫瘤的治療效果，降低副作用。

粒子加速器產(chǎn)生的粒子束流通常束斑大小為10毫米以下，因而當(dāng)需要將粒子束均勻地照射到比如直徑為10厘米的腫瘤靶區(qū)時(shí)，則需利用粒子照射裝置，將束斑直徑只有不到1厘米的粒子束擴(kuò)大到10厘米范圍，同時(shí)需要照射不同能量的粒子束流，以將原本只有數(shù)毫米寬的布拉格峰擴(kuò)展到腫瘤靶區(qū)沿照射方向的厚度相當(dāng)?shù)膶挾龋瑥亩谌S的腫瘤靶區(qū)形成均勻的三維適形的劑量分布。

實(shí)現(xiàn)上述三維適形的劑量分布通常有兩種照射方法，分別為二維照射方法和三維照射方法。其中，二維照射方法也稱散射體法。圖1中示意出了當(dāng)前的三維掃描照射方式。

其主要形式是利用一對(duì)偏轉(zhuǎn)方向正交的二極電磁鐵，使從粒子加速器輸送過來的粒子束按計(jì)劃的軌跡掃描，形成固定的軌跡(比如圓形或ZigZag形等軌跡，或者形成按治療計(jì)劃給出的軌跡)。

當(dāng)所有照射點(diǎn)分布都相對(duì)集中時(shí)，顯然對(duì)路徑的要求就比較低，按照常規(guī)的方法可以遍歷到各個(gè)點(diǎn)，既不需要復(fù)雜的路徑也可以短時(shí)間內(nèi)完成(參照?qǐng)D2)。然而現(xiàn)有技術(shù)的問題在于，很多情況下，腫瘤的分布往往不一定非常密集，可能其形狀是非連通，中間可能會(huì)有大量的孔洞，當(dāng)然其中也可能分布重要的器官。

并且，在一種稱為三維連續(xù)快掃描模式(fast raster continuos scanning)下，束流在掃描點(diǎn)之間移動(dòng)時(shí)并不關(guān)閉，因而也會(huì)在掃描路徑上貢獻(xiàn)劑量。一般情況下，這部分移動(dòng)中劑量(transient dose)很難在治療計(jì)劃中加以考慮，而是可以通過改良照射控制方法將移動(dòng)中劑量貢獻(xiàn)也計(jì)算在相鄰照射點(diǎn)的劑量中，只要掃描點(diǎn)的間距充分小，這種方法帶來的劑量誤差就可以控制得足夠小。但是，有的掃描點(diǎn)間距比掃描束直徑大很多，使用這種控制方式來消除移動(dòng)中劑量貢獻(xiàn)帶來的誤差效果不夠理想。這種誤差，如果總是采用同一路徑進(jìn)行掃描，則會(huì)導(dǎo)致劑量分布的誤差積累，尤其在掃描速度較慢的方向上，導(dǎo)致其劑量分布的不均勻性更加明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于粒子治療的掃描照射方法、裝置和設(shè)備。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于粒子治療的掃描照射方法，其中，對(duì)于每層待照射對(duì)象，所述方法包括以下步驟：

a獲取所述待照射對(duì)象的照射點(diǎn)分布信息；

b基于所述照射點(diǎn)分布信息，來確定當(dāng)前掃描路徑；

c根據(jù)所述當(dāng)前掃描路徑進(jìn)行掃描照射；

d在未滿足預(yù)定終止條件時(shí)，基于所述當(dāng)前掃描路徑執(zhí)行優(yōu)化操作，以獲得優(yōu)化掃描路徑，并將所述優(yōu)化掃描路徑作為當(dāng)前掃描路徑，重復(fù)執(zhí)行所述步驟c、d。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于粒子治療的掃描裝置，其中，對(duì)于每層待照射對(duì)象，所述掃描裝置包括：

獲取裝置，用于獲取所述待照射對(duì)象的照射點(diǎn)分布信息；

確定裝置，用于基于所述照射點(diǎn)分布信息，來確定當(dāng)前掃描路徑；

執(zhí)行裝置，用于根據(jù)所述當(dāng)前掃描路徑進(jìn)行掃描；

優(yōu)化裝置，用于在未滿足預(yù)定終止條件時(shí)，基于所述當(dāng)前掃描路徑執(zhí)行優(yōu)化操作，以獲得優(yōu)化掃描路徑，并將所述優(yōu)化掃描路徑作為當(dāng)前掃描路徑，重復(fù)執(zhí)行所述執(zhí)行裝置和優(yōu)化裝置的操作。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：通過對(duì)同一照射層采用不同的掃描路徑進(jìn)行多次掃描，能夠有效地消除掃描照射時(shí)劑量不均衡的問題，并且通過對(duì)掃描路徑的優(yōu)化，縮短了路徑長度，進(jìn)而減少了治療所需時(shí)間，減少了對(duì)設(shè)備電源的需求，并且，優(yōu)化后的路徑降低了對(duì)磁鐵大角度偏轉(zhuǎn)的要求，提高了整個(gè)運(yùn)行效率。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1示意出了現(xiàn)有技術(shù)中采用三維掃描模式下的束流示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中所采用的一種掃描路徑的示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，采用本發(fā)明的優(yōu)化方案后可以獲得的相對(duì)圖1的優(yōu)化掃描路徑的示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的一種采用現(xiàn)有技術(shù)的掃描路徑示意圖；

圖5a至圖5e為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，從圖4所示掃描路徑開始進(jìn)行優(yōu)化后獲得的各條不同的優(yōu)選路徑的示意圖；

圖6示意出了根據(jù)本發(fā)明的一種掃描方法的流程示意圖；

圖7示意出了根據(jù)本發(fā)明的一種掃描裝置的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中相同或相似的附圖標(biāo)記代表相同或相似的部件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

參照?qǐng)D6，圖6示意出了根據(jù)本發(fā)明的一種用于粒子治療的掃描照射方法的流程圖。

其中，所述方法通過包含于計(jì)算機(jī)設(shè)備中的掃描裝置所述計(jì)算機(jī)設(shè)備包括一種能夠按照事先設(shè)定或存儲(chǔ)的指令，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和/或信息處理的電子設(shè)備，其硬件包括但不限于微處理器、專用集成電路(ASIC)、可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字處理器(DSP)、嵌入式設(shè)備等。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的掃描裝置，包含于掃描治療頭中。

其中，(參照?qǐng)D7)根據(jù)本發(fā)明的掃描治療頭包括：從上至下依次設(shè)置的第一掃描磁鐵、第一真空盒、第二掃描磁鐵、第二真空盒、真空窗以及束流監(jiān)測(cè)模塊，和掃描電源及電源控制器以及照射控制裝置。

更優(yōu)選地，所述掃描裝置包含于所述掃描治療頭的照射控制裝置中。

其中，根據(jù)本發(fā)明的掃描治療頭對(duì)每個(gè)待照射對(duì)象，如腫瘤組織等的分為多個(gè)照射層分別進(jìn)行照射。

優(yōu)選地，掃描治療頭基于掃描裝置，對(duì)每個(gè)照射層采用如本發(fā)明所述的方法，通過步驟S1至步驟S5來進(jìn)行照射。

繼續(xù)參照?qǐng)D6，在步驟S1中，掃描裝置獲取所述待照射對(duì)象的照射點(diǎn)分布信息。

其中，所述照射點(diǎn)用于指示需要被照射的部分，例如，腫瘤細(xì)胞的位置等。

接著，在步驟S2中，掃描裝置基于所述照射點(diǎn)分布信息，來確定當(dāng)前掃描路徑。

其中，所述當(dāng)前掃描路徑基于預(yù)定算法對(duì)各個(gè)照射點(diǎn)進(jìn)行遍歷得到。當(dāng)采用不同的預(yù)定算法時(shí)，可以得到不同的當(dāng)前掃描路徑。例如，圓形、zigzag形等等。

接著，在步驟S3中，掃描裝置根據(jù)所述當(dāng)前掃描路徑進(jìn)行掃描。

具體地，掃描裝置通過對(duì)治療頭上的第一掃描磁鐵、第二掃描磁鐵等部件的控制，來控制粒子束流沿著當(dāng)前掃描路徑進(jìn)行掃描。

接著，在步驟S4中，在未滿足預(yù)定終止條件時(shí)，掃描裝置基于所述當(dāng)前掃描路徑執(zhí)行優(yōu)化操作，以獲得優(yōu)化掃描路徑，并將所述優(yōu)化掃描路徑作為當(dāng)前掃描路徑，重復(fù)執(zhí)行步驟S3至步驟S4。

其中，預(yù)定終止條件包括但不限于以下至少任一項(xiàng)：

1)達(dá)到預(yù)定掃描次數(shù)。

2)連續(xù)幾次獲得的優(yōu)化掃描路徑的實(shí)現(xiàn)收斂。其中，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可根據(jù)實(shí)際情況和需求來確定收斂的判斷標(biāo)準(zhǔn)，此處不再贅述。

具體地，掃描裝置根據(jù)掃描相關(guān)信息，如掃描次數(shù)、掃描路徑等，判斷當(dāng)前是否已滿足預(yù)定終止條件，當(dāng)未滿足預(yù)定終止條件時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行步驟S3至步驟S4，直至滿足預(yù)定終止條件。

優(yōu)選地，掃描裝置基于所述當(dāng)前掃描路徑，采用路徑優(yōu)化算法，根據(jù)預(yù)定N個(gè)的基于不同隨機(jī)數(shù)得到的掃描路徑優(yōu)化結(jié)果，將掃描照射過程分成對(duì)應(yīng)數(shù)目的重復(fù)掃描照射過程，分別按照上述預(yù)定的優(yōu)化掃描路徑實(shí)施N次重復(fù)掃描照射。

其中，所述路徑優(yōu)化算法包括但不限于以下任一種算法：

1)模擬退火算法；模擬退火算法(Simulated Annealing，SA)是基于Monte-Carlo迭代求解策略的一種隨機(jī)尋優(yōu)算法，其出發(fā)點(diǎn)是基于物理中固體物質(zhì)的退火過程與一般組合優(yōu)化問題之間的相似性。模擬退火算法從某一較高初溫出發(fā)，伴隨溫度參數(shù)的不斷下降,結(jié)合概率突跳特性在解空間中隨機(jī)尋找目標(biāo)函數(shù)的全局最優(yōu)解，即在局部最優(yōu)解能概率性地跳出并最終趨于全局最優(yōu)。

2)基因算法等。

例如，對(duì)于圖2所示的掃描路徑，采用模擬退火算法進(jìn)行優(yōu)化后，可以獲得如圖3所示的優(yōu)化掃描路徑。

比較圖2和圖3可知，顯然，圖3不僅在路徑規(guī)劃上更加緊湊，而且可以盡量避開重要的器官。假設(shè)slice矩陣大小為100行100列，那么需要照射的點(diǎn)達(dá)到1萬個(gè)，采用優(yōu)化后的路徑更短，因而能夠節(jié)省治療時(shí)間，并且，優(yōu)化后的路徑降低了對(duì)磁鐵大角度偏轉(zhuǎn)的要求，提高了整個(gè)運(yùn)行效率。

根據(jù)本發(fā)明的第一示例，參照?qǐng)D4以及圖5a至圖5e，其中圖4所示路徑長度為425.49mm，圖5a至圖5e的路徑長度分別為320.639mm，315.236mm，327.018mm，318.478mm以及322.611mm。預(yù)設(shè)的掃描次數(shù)為5次，對(duì)于待掃描的照射層，通過步驟S1和步驟S2確定其當(dāng)前掃描路徑如圖4所示。并且，掃描裝置在步驟S3中采用圖4所示的掃描路徑，控制治療頭，使得粒子束流沿著該路徑進(jìn)行掃描。接著，掃描裝置判斷當(dāng)前掃描次數(shù)為1，未滿足終止條件，則對(duì)該當(dāng)前掃描路徑進(jìn)行優(yōu)化，并獲得新的當(dāng)前掃描路徑如圖5a所示。接著，繼續(xù)執(zhí)行步驟S3，控制粒子束流沿著如圖5a所示的路徑進(jìn)行掃描；接著，繼續(xù)執(zhí)行步驟S4，掃描裝置判斷當(dāng)前掃描次數(shù)為2，未滿足終止條件，則基于圖5a所示路徑，采用模擬退火算法進(jìn)行優(yōu)化后得到如圖5b所示的掃描路徑，并繼續(xù)執(zhí)行步驟S3來進(jìn)行掃描，如此重復(fù)，直至在步驟S4中獲得如圖5e所示的優(yōu)化掃描路徑，并繼續(xù)執(zhí)行步驟S3來基于該路徑進(jìn)行掃描，接著，在步驟S4中，判斷當(dāng)前掃描次數(shù)為5次，滿足預(yù)定終止條件，則不再繼續(xù)執(zhí)行。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的方法，每次執(zhí)行步驟S3時(shí)所根據(jù)的當(dāng)前掃描路徑不完全相同。

繼續(xù)參照前述第一示例，以圖5b和圖5c為例進(jìn)行比對(duì)，可以看到，兩次掃描路徑并不完全相同。尤其是在Y方向上，兩次的掃描路徑有較大的不同。由于掃描電源在Y方向上掃描的速度更慢，因而多次掃描將更有效的消除Y方向上劑量的不均勻性。降低了對(duì)掃描電源的參數(shù)要求。

根據(jù)本發(fā)明的方法，通過對(duì)同一照射層采用不同的掃描路徑進(jìn)行多次掃描，能夠有效地消除掃描照射時(shí)劑量不均衡的問題，并且通過對(duì)掃描路徑的優(yōu)化，縮短了路徑長度，進(jìn)而減少了治療所需時(shí)間，減少了對(duì)設(shè)備電源的需求，并且，優(yōu)化后的路徑降低了對(duì)磁鐵大角度偏轉(zhuǎn)的要求，提高了整個(gè)運(yùn)行效率。

參照?qǐng)D7。圖7示意出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)用于粒子治療的掃描裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

根據(jù)本發(fā)明的掃描裝置包括獲取裝置101、確定裝置102、執(zhí)行裝置103和優(yōu)化裝置104。其中，掃描裝置及其所包含的各個(gè)裝置所執(zhí)行的操作與前述參照?qǐng)D6中所述的各個(gè)步驟的過程相似，此處不再贅述。

其中，根據(jù)本發(fā)明的異構(gòu)實(shí)體可通過計(jì)算機(jī)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的方案通過包含于計(jì)算機(jī)設(shè)備中的提供裝置來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)設(shè)備包括一種能夠按照事先設(shè)定或存儲(chǔ)的指令，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和/或信息處理的電子設(shè)備，其硬件包括但不限于微處理器、專用集成電路(ASIC)、可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字處理器(DSP)、嵌入式設(shè)備等。計(jì)算機(jī)設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和/或用戶設(shè)備。其中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括但不限于單個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、多個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組成的服務(wù)器組或基于云計(jì)算(Cloud Computing)的由大量主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器構(gòu)成的云，其中，云計(jì)算是分布式計(jì)算的一種，由一群松散耦合的計(jì)算機(jī)集組成的一個(gè)超級(jí)虛擬計(jì)算機(jī)。用戶設(shè)備包括但不限于任何一種可與用戶通過鍵盤、鼠標(biāo)、遙控器、觸摸板、或聲控設(shè)備等方式進(jìn)行人機(jī)交互的電子產(chǎn)品，例如，個(gè)人計(jì)算機(jī)、平板電腦、智能手機(jī)、PDA、游戲機(jī)、或IPTV等。其中，用戶設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所處的網(wǎng)絡(luò)包括但不限于互聯(lián)網(wǎng)、廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)、局域網(wǎng)、VPN網(wǎng)絡(luò)等。

需要說明的是，用戶設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)僅為舉例，其他現(xiàn)有的或今后可能出現(xiàn)的用戶設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)如可適用于本發(fā)明，也應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)范圍以內(nèi)，并以引用方式包含于此。

本發(fā)明的軟件程序可以通過處理器執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)上文步驟或功能。同樣地，本發(fā)明的軟件程序(包括相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))可以被存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)中，例如，RAM存儲(chǔ)器，磁或光驅(qū)動(dòng)器或軟磁盤及類似設(shè)備。另外，本發(fā)明的一些步驟或功能可采用硬件來實(shí)現(xiàn)，例如，作為與處理器配合從而執(zhí)行各個(gè)功能或步驟的電路。

另外，本發(fā)明的一部分可被應(yīng)用為計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，例如計(jì)算機(jī)程序指令，當(dāng)其被計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，通過該計(jì)算機(jī)的操作，可以調(diào)用或提供根據(jù)本發(fā)明的方法和/或技術(shù)方案。而調(diào)用本發(fā)明的方法的程序指令，可能被存儲(chǔ)在固定的或可移動(dòng)的記錄介質(zhì)中，和/或通過廣播或其他信號(hào)承載媒體中的數(shù)據(jù)流而被傳輸，和/或被存儲(chǔ)在根據(jù)程序指令運(yùn)行的計(jì)算機(jī)設(shè)備的工作存儲(chǔ)器中。在此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括一個(gè)裝置，該裝置包括用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序指令的存儲(chǔ)器和用于執(zhí)行程序指令的處理器，其中，當(dāng)該計(jì)算機(jī)程序指令被該處理器執(zhí)行時(shí)，觸發(fā)該裝置運(yùn)行基于前述根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例的方法和/或技術(shù)方案。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化涵括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。此外，顯然“包括”一詞不排除其他單元或步驟，單數(shù)不排除復(fù)數(shù)。系統(tǒng)權(quán)利要求中陳述的多個(gè)單元或裝置也可以由一個(gè)單元或裝置通過軟件或者硬件來實(shí)現(xiàn)。第一，第二等詞語用來表示名稱，而并不表示任何特定的順序。