對呼吸產(chǎn)生的腫瘤運動進行在線補償?shù)姆椒跋到y(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)療設備技術領域，特別涉及一種對呼吸產(chǎn)生的腫瘤運動進行在線補 償?shù)姆椒跋到y(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 放射治療作為目前治療腫瘤的主要手段之一，其射線投遞的精度直接影響到治療 效果和患者的安危。在放射治療過程中，由于患者的呼吸，腫瘤（尤其是胸腔和腹腔的腫 瘤）會產(chǎn)生較大幅度的運動，大大降低了放射治療的精度。
[0003] 例如，呼吸運動造成肺部腫瘤運動在腹背、側(cè)面和頭腳方向可以達到14mm、3mm和 12mm;造成肝部腫瘤在三個方向的運動幅度可以達到12mm、9mm和26mm。
[0004] 目前在放療中應對呼吸造成腫瘤運動的手段主要有：
[0005] 1.擴大靶區(qū)方式：根據(jù)腫瘤的運動范圍，將照射的靶區(qū)擴大到腫瘤運動的邊界， 以保證在整個呼吸過程中射線都可以照射到腫瘤。但是這種方式使得射線照射范圍加大， 會對周圍的健康器官造成傷害，且在靶區(qū)勾畫的時候無法獲得腫瘤在放療過程中的所有真 實位置。
[0006] 2.呼吸門控方式：通過監(jiān)測呼吸運動使得射線束的放射周期與呼吸周期同步，只 在呼吸某一特定時相內(nèi)開啟射線束進行放療，從而減小放療時段內(nèi)腫瘤位移。但是這種門 控技術由于只在有限的呼吸相位內(nèi)開啟射線，從而大大降低了放射效率。
[0007] 3.深吸氣屏氣技術：通過監(jiān)測肺部容量來確定呼吸所處的狀態(tài)，在患者深呼吸之 后屏氣的階段進行放射治療。和門控方式一樣，深吸氣屏氣技術只在有限的呼吸相位開啟 射線，降低了放療的效率，同時，患者每次屏氣時腫瘤的位置也會發(fā)生變化，且有大約50% 的人不能夠采用深吸氣屏氣技術。
[0008] 4.利用機械臂實現(xiàn)實時呼吸補償：伽馬刀實現(xiàn)了通過體表和體內(nèi)標記物同時實 時檢測，并用機械手運動來補償呼吸產(chǎn)生的腫瘤運動。但是這種實時補償?shù)姆绞街贿m用于 機械臂帶著加速器的機械結(jié)構，通用的放療設備無法使用。
[0009] 另外，由于多葉光柵動態(tài)性能（速度、加速度）的限制，多葉光柵無法實時跟蹤腫 瘤的運動，因此到目前為止還沒有能夠利用多葉光柵來對呼吸造成的腫瘤運動進行實時在 線補償?shù)姆椒ā?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關技術中的技術問題之一。
[0011] 為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種對呼吸產(chǎn)生的腫瘤運動進行在線補償?shù)姆?法，該方法能夠?qū)粑a(chǎn)生的腫瘤運動進行實時在線補償，進而實現(xiàn)精確、高效地放療。
[0012] 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種對呼吸產(chǎn)生的腫瘤運動進行在線補償?shù)南到y(tǒng)。
[0013] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面的實施例提出了一種對呼吸產(chǎn)生的腫瘤運動 進行在線補償?shù)姆椒?，包括以下步驟：通過多個位置傳感器獲取腫瘤的實時運動信息，其中 所述多個位置傳感器被設置在腫瘤內(nèi)部；根據(jù)所述實時運動信息將所述腫瘤的實時運動分 解為基線漂移運動和呼吸起伏運動；分別對所述基線漂移運動和所述呼吸起伏運動進行預 定時間后的位置預測，以得到基線預測數(shù)據(jù)和起伏預測數(shù)據(jù)；以及根據(jù)所述基線預測數(shù)據(jù) 和所述起伏預測數(shù)據(jù)分別對所述基線漂移運動和呼吸起伏運動進行補償。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明實施例的對呼吸產(chǎn)生的腫瘤運動進行在線補償?shù)姆椒?，首先通過設置 在腫瘤內(nèi)部的多個位置傳感器獲取腫瘤的實時運動信息，并據(jù)此將腫瘤的實時運動分解為 基線漂移運動和呼吸起伏運動，并分別對基線漂移運動和呼吸起伏運動進行預訂時間后的 位置預測，最后根據(jù)預測結(jié)果分別對基線漂移運動和呼吸起伏運動進行補償。因此，該方法 能夠?qū)粑a(chǎn)生的腫瘤運動進行實時在線補償，進而能夠?qū)崿F(xiàn)精確、高效地放療。
[0015] 另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的對呼吸產(chǎn)生的腫瘤運動進行在線補償?shù)姆椒ㄟ€可 以具有如下附加的技術特征：
[0016] 在一些示例中，所述根據(jù)所述基線預測數(shù)據(jù)和起伏預測數(shù)據(jù)分別對所述基線漂移 運動和呼吸起伏運動進行補償，進一步包括：將所述基線預測數(shù)據(jù)發(fā)送至治療床控制器，通 過控制治療床移動以進行基線漂移運動的補償；將所述起伏預測數(shù)據(jù)發(fā)送至多葉光柵控制 器，以控制多葉光柵對所述呼吸起伏運動進行補償，其中所述多葉光柵控制器由直線電機 驅(qū)動。
[0017] 在一些示例中，其中，通過恒加速度模型的卡爾曼濾波器對所述基線漂移運動進 行位置預測。
[0018] 在一些示例中，其中，通過有限狀態(tài)模型對所述呼吸起伏運動進行位置預測，所述 呼吸起伏運動包括線性狀態(tài)、非線性狀態(tài)和不規(guī)則狀態(tài)，其中對所述呼吸起伏運動進行預 設時間的位置預測，進一步包括：判斷所述呼吸起伏運動當前的狀態(tài)；根據(jù)所述當前的狀 態(tài)進行所述呼吸起伏運動的位置預測。
[0019] 在一些示例中，其中，判斷所述呼吸起伏運動當前的狀態(tài)的公式為：
[0020] 對于線性狀態(tài)和非線性狀態(tài)/不規(guī)則狀態(tài)：
[0022] 其中，dp (tk)為tk時刻的線性相關系數(shù)變化梯度，P xy(tk)、P Jtlrt)分別為tk時 刻和刻的線性相關系數(shù)，dt為t k時刻和t ^時刻時間差值；對于不規(guī)則狀態(tài)和非線 性狀態(tài)：
[0024] 其中，PE(tk)為tk時刻所取呼吸數(shù)據(jù)中低頻能量占比，
參數(shù)T為 到tk時刻為止此段非線性狀態(tài)持續(xù)的時間長度，X(f)則是本段時間長度內(nèi)信號的傅里葉變 換結(jié)果。
[0025] 本發(fā)明第二方面的實施例還提供了一種對呼吸產(chǎn)生的腫瘤運動進行在線補償?shù)?系統(tǒng)，包括：多個位置傳感器，所述多個位置傳感器設置在腫瘤內(nèi)部，用于獲取所述腫瘤的 實時運動信息；實時控制器，所述實時控制器用于根據(jù)所述實時運動信息將所述腫瘤的實 時運動分解為基線漂移運動和呼吸起伏運動；位置預測模塊，所述位置預測模塊分別對所 述基線漂移運動和所述呼吸起伏運動進行預定時間后的位置預測，以得到基線預測數(shù)據(jù)和 起伏預測數(shù)據(jù)；以及補償控制器，所述補償控制器用于根據(jù)所述基線預測數(shù)據(jù)和所述起伏 預測數(shù)據(jù)分別對所述基線漂移運動和呼吸起伏運動進行補償。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明實施例的對呼吸產(chǎn)生的腫瘤運動進行在線補償?shù)南到y(tǒng)，首先通過設置 在腫瘤內(nèi)部的多個位置傳感器獲取腫瘤的實時運動信息，并據(jù)此將腫瘤的實時運動分解為 基線漂移運動和呼吸起伏運動，并分別對基線漂移運動和呼吸起伏運動進行預訂時間后的 位置預測，最后根據(jù)預測結(jié)果分別對基線漂移運動和呼吸起伏運動進行補償。因此，該系統(tǒng) 能夠?qū)粑a(chǎn)生的腫瘤運動進行實時在線補償，進而能夠?qū)崿F(xiàn)精確、高效地放療，且該系統(tǒng) 結(jié)構簡單，操作方便。
[0027] 另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的對呼吸產(chǎn)生的腫瘤運動進行在線補償?shù)南到y(tǒng)還可 以具有如下附加的技術特征：
[0028] 在一些示例中，所述補償控制器包括治療床控制器和多葉光柵控制器，所述治療 床控制器用于根據(jù)基線預測數(shù)據(jù)控制治療床移動以進行基線漂移運動的補償；所述多葉光 柵控制器用于接收所述起伏預測數(shù)據(jù)，以控制多葉光柵對所述呼吸起伏運動進行補償，其 中所述多葉光柵控制器由直線電機驅(qū)動。
[0029] 在一些示例中，其中，所述位置預測模塊通過恒加速度模型的卡爾曼濾波器對所 述基線漂移運動進行位置預測。
[0030] 在一些示例中，其中，所述位置預測模塊通過有限狀態(tài)模型對所述呼吸起伏運動 進行位置預測，所述呼吸起伏運動包括線性狀態(tài)、非線性狀態(tài)和不規(guī)則狀態(tài)，其中，所述位 置預測模塊還用于判斷所述呼吸起伏運動當前的狀態(tài)，并根據(jù)所述當前的狀態(tài)進行所述呼 吸起伏運動的位置預測。
[0031] 在一些示例中，其中，判斷所述呼吸起伏運動當前的狀態(tài)的公式為：
[0032] 對于線性狀態(tài)和非線性狀態(tài)/不規(guī)則狀態(tài)：
[0034] 其中，dp (tk)為tk時刻的線性相關系數(shù)變化梯度，P xy(tk)、P M(V1)分別為tk時 刻和刻的線性相關系數(shù)，dt為t k時刻和t H時刻時間差值；
[0035] 對于不規(guī)則狀態(tài)和非線性狀態(tài)：

[0037] 其中，PE(tk)為tk時刻所取呼吸數(shù)據(jù)中低頻能量占比， 參數(shù)T為 9 到tk時刻為止此段非線性狀態(tài)持續(xù)的時間長度，X(f)則是本段時間長度內(nèi)信號的傅里葉變 換結(jié)果。
[0038] 本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0039] 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中：
[0040] 圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的對呼吸產(chǎn)生的腫瘤運動進行在線補償?shù)姆椒ǖ?流程圖；
[0041] 圖2是根據(jù)本發(fā)明另