一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法与流程
本发明属于放射治疗，涉及到一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法。
背景技术：
1、质子治疗是当今医学领域发展的前沿热点，其优越性体现在精确性高、副作用低和适用范围广等。治疗头处于质子治疗末端，对加速器引出的束流进行塑形和扩展，使得从加速器引出的束流可作用于临床上的靶细胞。
2、目前治疗头分为基于面状覆盖的被动散射治疗头和基于点扫描的笔形束主动扫描治疗头。
3、基于面状覆盖的被动散射治疗头通过散射体来实现质子束在病灶部位面的扩展。基于面状覆盖的被动散射治疗头，质子束通过经过单散射箔片后，会以近似高斯分布的方式变宽。由于病灶部位的边缘是不规则的，为了质子照射时不伤害非病灶部位的身体组织，采用基于面状覆盖的被动散射治疗头时需要通过准直器对束流进行塑形，使其符合肿瘤形状，并对每个患者单独定制补偿器以使得肿瘤末端和剂量分布适形，对于不同的肿瘤还需要专门设计准直器和补偿器。准直器和补偿器的使用会导致不必要的中子剂量产生，因此束流利用率相对较低。每个患者病灶部位的形状千变万化，因人而异，需要单独定制的准直器和补偿器。导致极高的加工精度和高昂的治疗费，患者的治疗成本高。
4、基于点扫描的笔形束扫描是主动扫描的一种，利用扫描磁铁来实现束流的横向扩展。质子束像铅笔一样在指定区域内扫描，扫描过程可在三个方向(x,y,z)上移动，定向到肿瘤的不同位置，从而覆盖三维目标体积，可实现肿瘤近端、远端和侧向剂量的适形，病人无需单独定制的硬件设备来进行束流适形。
5、笔形束扫描通过采用一个点一个点的照射方法，用多个点的照射形成面照射的效果。虽然采用笔形束扫描病人无需单独定制准直器和补偿器，节约了治疗成本，但又会出现新的困难：其一、难以保证一个面内的所有照射点的位置精准，和基于面状覆盖的被动散射治疗头技术相比，基于面状覆盖的被动散射治疗头技术采用束流散射的方法、控制方式相对简单，控制精度要求低。笔形束扫描控制的是几百个照射点的位置，保证每一个点的位置精准更困难，束流控制方式复杂，控制精度要求高，但其更有利于肿瘤的精准治疗。因为每一个照射点的位置都是通过扫描磁铁x和扫描磁铁y的使得质子束进行偏转来产生的效果；其二、基于面状覆盖的被动散射治疗头可以用准直器和补偿器进行病灶部位的适形，补偿器镂空部位的形状按照病灶的形状即可。相比之下，笔形束扫描则通过逐点照射来覆盖病灶区域，形成病灶边缘的曲线形状。笔形束扫描中每行的扫描的结束点和下一行扫描的起始点可能不会对齐于同一x位置，导致两点之间形成的连接线段可能是斜线。并且不同病灶部位的斜线和斜线的长度不等，当斜线段相对较长时，从上一个点到下一个点在x方向的移动时间就相对长。以上虽然由于两个端点在x方向位置不同，形成斜线，但由于行和行之间的纵向距离是相等的，所以两个端点之间的纵向距离是相等的，这就出现照射点从上一行的末端点移动到下一行的起始点时，x,y方向的移动时间不等，x方向的移动时间大于y方向的移动时间。当y方向已经移动到位时，x方向可能还没有移动到位，此时就出现照射位置偏移了预定目标。
技术实现思路
1、本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法，第一目的在于解决笔形束扫描难以保证一个面内的所有照射点的位置精准的问题；第二目的在于解决笔形束扫描从上一行末端照射点到下一行起始照射点在x,y方向的移动时间不等，导致照射位置偏移了预定目标的问题。
2、本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：
3、一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法，包括以下步骤：
4、步骤一、设定质子治疗笔形束扫描在x-y方向的上限照射范围；
5、步骤二、在上限照射范围内建立标定图，该标定图由多排多列间隔均匀的照射点组成；所述间隔均匀是指标定图的每一行和每一列上照射点与照射点之间的位置间隔均匀；所述照射点与照射点之间的位置间隔为束斑的直径；
6、步骤三、对标定图内的多排多列的照射点进行标定，所述标定就是标定每个照射点的偏转位置(x,y)与扫描磁铁x和扫描磁铁y的励磁电流之间的关系；
7、步骤四、根据病灶部位的形状将标定图上相关标定点按照弓形扫描路径进行连线；所述弓形扫描路径就是由病灶部位的上、下多行长度不等的标定点按照弓形连线组成的路径；
8、步骤五、扫描磁铁驱动质子束流按照病灶部位的弓形路径上的各个照射点进行照射；
9、其特点是：
10、该标定图的行与行、列与列之间中间稀疏四周密集；所述中间稀疏四周密集就是：靠近标定图中心点的行与行、列与列之间的间隔相对稀疏，远离标定图中心点的行与行、列与列之间的间隔相对密集；
11、采用高阶多项式曲面模型拟合模型使得标定图上每个标定点的照射误差均小于1mm；
12、扫描磁铁x驱动质子束流从病灶部位弓形路径上一行的末端点移动到下一行的起始点的电流变化率快于扫描磁铁y驱动质子束流从病灶部位弓形路径上一行的末端点移动到下一行的起始端点的电流变化率，用以实现质子束流从病灶部位的弓形路径上一行的末端点移动到下一行的起始端点时的x、y方向移动时间相等。
13、进一步地，所述标定图的行与行、列与列之间中间稀疏四周密集，其稀疏程度和密集程度与在标定图上扫描磁铁的线性度强弱相配合，标定图中间行与行、列与列之间相对稀疏的地方,扫描磁铁的线性度相对较好；远离标定图中间行与行、列与列之间相对密集的地方扫描磁铁的线性度相对较差。
14、进一步地，所述采用高阶多项式曲面模型拟合算法使得标定图上每个标定点的照射误差均小于1mm，具体为：将上一次的实际照射位置和上一次的预设电流值作为当前高阶曲面模型的输入值，又从当前高阶曲面模型的输出值获得当前各个测试点的电流值、并依据当前各个测试点的电流值获得当前各个测试点的束流的实际照射位置；再用当前的电流值和当前实际位置重新作为上一次的预设电流值和上一次的实际照射位置输入模型，周而复始，直至标定图上每个标定点的照射误差均小于1mm。
15、进一步地，扫描磁铁x的电流变化率上限不超过1600v/s，对应励磁电流的变化率的上限不超过80000a/s，扫描磁铁y的电流变化率上限不超过460v/s，对应励磁电流的变化率上限不超过23000a/s。
16、进一步地，所述实现束斑从弓形连线上一行末端点移动到下一行起始端点的x、y方向移动时间相等，即是：根据弓形路径的上一行末端点移动到下一行起始端点的两点之间的斜线距离不等，计算扫描磁铁x对应的x方向的即时电流变化率与扫描磁铁y对应的y方向的即时电流变化率，使得扫描磁铁x驱动质子束流从上一行末端点移动到下一行起始点的时间和扫描磁铁y驱动束斑从上一行末端点到下一行起始点的时间相同。
17、进一步地，所述扫描磁铁x的电流变化率不超过80000a/s即是：在对应230mev能量下下的束流在x方向移动10mm所需时间最快为0.28ms。
18、进一步地，所述步骤一的设定质子治疗针对病灶部位在x-y方向的上限照射范围，该照射范围为300mm×400mm。
19、进一步地，当照射范围为300mm×400mm时，扫描磁铁x中心距离病人靶体处的距离为2300mm，扫描磁铁y中心距离病人靶体处的距离为1900mm，
20、进一步地，所述当前高阶曲面模型的输出公式可以获得当前各个测试点的扫描磁铁电流值，其中，高阶曲面模型x方向的扫描磁铁电流与偏转位置拟合模型输出公式如下：
21、ix(x,y)＝p00+p10x+p01y+p20x2+p11xy+p02y2+p30x3+p21x2y+p12xy2
22、+p03y3+p40x4+p31x3y+p22x2y2+p13xy3+p04y4+p50x5+p41x4y
23、+p32x3y2+p23x2y3+p14xy4+p05y5#(1)
24、高阶曲面模型y方向的扫描磁铁电流与偏转位置拟合模式输出公式如下：
25、iy(x,y)＝q00+q10x+q01y+q20x2+q11xy+q02y2+q30x3+q21x2y+q12xy2
26、+q03y3+q40x4+q31x3y+q22x2y2+q13xy3+q04y4+q50x5+q41x4y
27、+q32x3y2+q23x2y3+q14xy4+q05y5#(2)
28、所述获得当前各个测试点的扫描磁铁电流值，即，将标定图所有标定点的x,y分别代入公式(1)和公式(2)，即可得到扫描磁铁x在该范围内所有标定点的x方向的扫描磁铁电流值,以及扫描磁铁y在该范围内所有标定点的y方向的扫描磁铁电流值。
29、进一步地，所述束斑的直径为4mm～8mm。
30、本发明的优点效果
31、1、本发明通过设定质子治疗笔形束扫描在x-y方向的上限照射范围、通过设定标定图的每一行和每一列照射点与照射点之间的位置间隔均匀、通过设定照射点与照射点之间的位置间隔为束斑的直径、通过采用高阶多项式曲面模型拟合模型使得标定图上每个标定点的照射误差均小于1mm，解决了笔形束扫描难以保证一个面内的所有照射点的位置精准的问题。和现有技术的基于面状覆盖的被动散射治疗头方法相比，患者不需要因为单独定制准直器和补偿器而花费极高的治疗费。
32、2、本发明通过计算扫描磁铁x对应的x方向的即时电流变化率与扫描磁铁y对应的y方向的即时电流变化率，使得扫描磁铁x驱动质子束流从上一行末端点移动到下一行起始点的时间和扫描磁铁y驱动束斑从上一行末端点到下一行起始点的时间相同，从而解决了笔形束扫描在病灶部位边缘的照射位置偏移导致照射位置不准确的问题。由于解决了笔形束扫描边缘照射的难点问题，使得笔形束扫描能够代替面扫描，和基于面状覆盖的被动散射治疗头方法相比，患者不需要因为单独定制准直器和补偿器而花费极高的治疗费。
技术特征：
1.一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法，其特征在于：所述标定图的行与行、列与列之间中间稀疏四周密集，其稀疏程度和密集程度与在标定图上扫描磁铁的线性度强弱相配合，标定图中间行与行、列与列之间相对稀疏的地方,扫描磁铁的线性度相对较好；远离标定图中间行与行、列与列之间相对密集的地方扫描磁铁的线性度相对较差。
3.根据权利要求1所述一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法，其特征在于：所述采用高阶多项式曲面模型拟合算法使得标定图上每个标定点的照射误差均小于1mm，具体为：将上一次的实际照射位置和上一次的预设电流值作为当前高阶曲面模型的输入值，又从当前高阶曲面模型的输出值获得当前各个测试点的电流值、并依据当前各个测试点的电流值获得当前各个测试点的束流的实际照射位置；再用当前的电流值和当前实际位置重新作为上一次的预设电流值和上一次的实际照射位置输入模型，周而复始，直至标定图上每个标定点的照射误差均小于1mm。
4.根据权利要求1所述一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法，其特征在于：扫描磁铁x的电流变化率上限不超过1600v/s，对应励磁电流的变化率的上限不超过80000a/s，扫描磁铁y的电流变化率上限不超过460v/s，对应励磁电流的变化率上限不超过23000a/s。
5.根据权利要求1所述一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法，其特征在于：所述实现束斑从弓形连线上一行末端点移动到下一行起始端点的x、y方向移动时间相等，即是：根据弓形路径的上一行末端点移动到下一行起始端点的两点之间的斜线距离不等，计算扫描磁铁x对应的x方向的即时电流变化率与扫描磁铁y对应的y方向的即时电流变化率，使得扫描磁铁x驱动质子束流从上一行末端点移动到下一行起始点的时间和扫描磁铁y驱动束斑从上一行末端点到下一行起始点的时间相同。
6.根据权利要求1所述一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法，其特征在于：所述扫描磁铁x的电流变化率不超过80000a/s即是：在对应230mev能量下下的束流在x方向移动10mm所需时间最快为0.28ms。
7.根据权利要求1所述一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法，其特征在于：所述步骤一的设定质子治疗针对病灶部位在x-y方向的上限照射范围，该照射范围为300mm×400mm。
8.根据权利要求7所述一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法，其特征在于：当照射范围为300mm×400mm时，扫描磁铁x中心距离病人靶体处的距离为2300mm，扫描磁铁y中心距离病人靶体处的距离为1900mm。
9.根据权利要求3所述一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法，其特征在于：所述当前高阶曲面模型的输出公式可以获得当前各个测试点的扫描磁铁电流值，其中，高阶曲面模型x方向的扫描磁铁电流与偏转位置拟合模型输出公式如下：
10.根据权利要求1所述一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法，其特征在于：所述束斑的直径为4mm～8mm。
技术总结
本发明提出了一种基于照射点标定的笔形束扫描磁铁扫描方法，包括：设定质子治疗笔形束扫描在X‑Y方向的上限照射范围；在上限照射范围内建立标定图，该标定图由多排多列间隔均匀的照射点组成；对标定图内的多排多列的照射点进行标定，根据病灶部位的形状将标定图上相关标定点按照弓形扫描路径进行连线；所述弓形扫描路径就是由病灶部位的上、下多行长度不等的标定点按照弓形连线组成的路径；扫描磁铁驱动质子束流按照病灶部位的弓形路径上的各个照射点进行照射；本发明解决了笔形束扫描难以保证一个面内的所有照射点的位置精准的问题。和现有技术的基于面状覆盖的被动散射治疗头方法相比，患者不需要因为单独定制准直器和补偿器而花费极高的治疗费。
技术研发人员：熊锐,殷治国,张天爵,马永骏,宋琦琪,何澳来,杨芳迪
受保护的技术使用者：中国原子能科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23