定义用于通过笔形束扫描（PBS）以超高剂量沉积

发明领域本发明涉及一种方法，该方法用于定义用于通过带电粒子束、优选地质子束的辐射进行的治疗的扫描序列，以及用于将通过笔形束扫描(pbs)施加的剂量(dj)以能量单层的形式沉积到靶区(vt)中，该靶区包含包围在外周表面内的肿瘤细胞。靶区(vt)包含被限制在关键区(vc)中的需要被治疗保留的健康细胞。序列必须要确保剂量(dj)以超高剂量沉积速率(hdr)沉积在包含必须要保留的健康细胞的关键区(vc)的很大一部分中。本方法确保一方面通过直接朝向给定特定区(vi)定向的细束、以及另一方面还通过定向到邻近的特定区但其沉积的剂量撞击在给定特定区(vi)上的细束而沉积到给定特定区(vi)上的所有剂量(dj)在累积剂量沉积时间δti内组合沉积，该时间足够短以保证累积剂量以hdr沉积到关键区上。该方法适用于治疗具有复杂几何形状的靶区。特定区(vi)的和定义了关键区(vc)，即以超高剂量沉积速率沉积剂量的区。背景技术：0、发明背景1、用粒子或波(比如电子束、质子束、重离子束、x射线、γ射线等)的辐射疗法已成为治疗肿瘤患者的必要工具。笔形束扫描(pbs)是将带电粒子束转向包含肿瘤细胞的靶区的技术。pbs通过对被治疗的区域进行整形以反映肿瘤的几何形状，减少对周围非癌细胞的不必要的辐射暴露。除了靶的几何形状外，pbs还允许根据靶内受辐照细胞的位置对细束的强度进行局部调整。笔形束扫描可以用由各个细束构成的单个束或用具有不同取向的多个束(每个束由各个细束构成)来治疗肿瘤，有时称为调强质子疗法(impt)。由于肿瘤细胞和健康细胞两者均被此类辐射损伤，癌症治疗中的重要挑战是确保有效破坏或杀死肿瘤细胞，同时尽可能保留健康细胞，特别是与这些肿瘤细胞相邻的那些健康细胞。2、x射线将其大部分能量沉积在皮肤水平附近，并且沉积的能量随着深度的增加而降低。因此，位于肿瘤细胞靶区上游的健康组织接受了比靶区的肿瘤细胞更高的剂量。相比之下，带电粒子束(特别是质子)将其大部分能量沉积在其束路径末端附近，从而形成所谓的布拉格峰(bragg peak)。通过叠加多个细束(其各自的布拉格峰在深度上交错)，可以定义跨特定区的整个深度的单独布拉格峰(sobp)的和。因此，位于通过质子束穿过的肿瘤细胞区的上游的健康细胞接受了比在特定区中的肿瘤细胞更低的剂量。因此，质子疗法非常适合在深层肿瘤中沉积高剂量。3、从历史上看，通过辐射疗法的治疗包括以低于1gy/s的常规剂量沉积速率(cdr)将辐射剂量递送至被治疗的细胞。除了极少数例外，目前的辐射疗法设备递送剂量速率约为0.03gy/s，并且大多数临床方案涉及每天累积递送2至15gy的n个目标份量剂量以达到总目标剂量，该总目标剂量可能超过位于辐射场中的正常组织的耐受限，因此使它们连同肿瘤细胞一起损伤。最近，已经观察到当以常规剂量沉积速率(cdr)或超高剂量沉积速率(hdr)沉积时，相同剂量对健康细胞有不同的影响，但对肿瘤细胞没有不同的影响。hdr可以比通常应用的常规剂量沉积速率(cdr)大一个或多个数量级。超高剂量沉积速率(hdr)的剂量沉积也称为flash-放射疗法(＝flash-rt)。动物和各种器官上已实验证明，与以cdr的相同剂量常规沉积相比以hdr的剂量沉积可以显著保留健康组织，同时，肿瘤细胞对hdr沉积的反应与cdr沉积相同甚至可能更好。例如，据报道flash-rt在小鼠中引起肺纤维化、脑辐照后记忆丧失和小肠坏死的发生率显著降低，同时保持抗肿瘤效率不变。此类特异性正常组织保留已在大型动物上证实并且一名皮肤淋巴瘤患者已经在用flash-rt治疗。然而，许多治疗中心没有布置能在ms或s量级的时间内以hdr递送剂量的设备，或者布置可以修改为仅以非常有限的场大小递送hdr的设备。对于1gy/s和更高量级的剂量沉积速率，观察到了这种影响。4、如图3(b)和3(c)所示，沿中心辐照轴(z)传播的单个细束大致根据垂直于中心辐照轴(z)的高斯分布曲线来径向沉积剂量。在图3(b)中，沿垂直于中心辐照轴(z)的方向(x)展示了高斯沉积曲线。图3(c)用阴影代码展示了细束所径向沉积的剂量分布。从图3(b)和3(c)可以看出，pbs中两个相邻质子细束的束轴按照斑位置图案(x，y)分布，并且通常彼此分开距离在1.2至2.5乘以σ之间、优选为1.3至1.5乘以σ，其中σ2是细束在垂直于中心辐照轴(z)的表面平面(pk)上的高斯剂量分布的方差。接着，细束(b1)将剂量沉积到平面(pk)的区域上，该区域通过与第一细束(b1)相邻的第二细束(b2)撞击到剂量沉积域上，产生了图3(b)所示的波纹分布曲线(只显示了两个团块，但是，随着另外的相邻细束在与第一和第二细束(b1，b2)不同的y位置沿中心辐照轴(z)传播，该形状变得更加复杂。这种重叠对于确保平面(pk)上整个区域的基本均匀剂量沉积至关重要。然而，这对flash作用产生了意想不到的影响，如图3(a)所示。波纹分布曲线的幅度尤其取决于两个相邻点之间的距离以及在给定位置递送剂量的斑的数量(也参见图2(b)至图2(e))。5、图3(a)展示了在特定区(vi)中沉积的剂量与时间的函数关系的示例。可以看出，在大约4s的时间(t)处，以特定区(vi)为中心的细束(bj)以超高剂量速率(hdr)沉积了剂量(dj)，完全处于flash-rt作用范围内。然而，同一特定区(vi)接收在1s至8s之间的时间处从瞄准邻近的特定区的相邻细束(b1、b2、bj+1、bk)“泄漏”的剂量(d1、d2、dj+1、dk)，这些细束每个也均以超高剂量沉积速率沉积。在特定区(vi)中沉积的总累积剂量约为4.5gy(即，)。尽管每个细束(b1至bk)的剂量以大于1gy/s的超高剂量沉积速率沉积，但在图3(a)的示例中剂量沉积到特定区(vi)上的总辐照时间(δti)使得特定区(vi)上的总剂量沉积速率低于1gy/s，从而失去了flash-rt作用。该示例说明了尽管在整个区域中以hdr沉积了剂量，但有失去flash-rt作用的危险，因为重要的不仅仅是瞬时剂量沉积速率，而是累积剂量速率由于所有单独剂量均以超高剂量沉积速率(hdr)沉积，临床医生可能会误认为存在flash-rt作用，从而保留健康组织。然而，如果总剂量经一段累积时间(δti)沉积，使得在总沉积速率dr(vi)<1gy/s下，累积剂量以cdr而不是hdr沉积，因此超过了针对健康细胞在cdr下允许的剂量，则这种认为可能是错误的。在图3(a)的本示例中，用五个细束(b1至bk)(每个细束均以hdr并分布在累积时间δti＝7s内)来沉积累积剂量这个时间太长以至于不能获得flash-rt作用。6、ep3932482确认了如果特定区以太长的时间间隔接收来自瞄准邻近的特定区的细束的剂量则会失去flash-rt作用的问题。为了解决该问题，ep3932482描述了一种包括细束扫描序列阶段的治疗计划系统，该细束扫描序列阶段被配置用于通过优化细束发射的时间序列使得在辐照操作结束时剂量以大于1gy/s的平均沉积速率沉积到每个特定区的至少50％上，来定义细束在特定区阵列上的辐照扫描序列。描述了细束扫描序列阶段的各种实施例。例如，通过首先定义由第一细束首先辐照的初始斑来定义嵌接序列单位单元。定义连续的第二到第n个斑，每个斑依次彼此相邻且所有斑都沿第一方向对齐，用于连续接收第二到第n个细束。在第n个斑处，该序列包括沿第二方向(优选地垂直于第一方向)与该斑相邻的下一个第(n+1)个斑，然后再次沿第一方向进一步延伸以覆盖第(n+2)个到第2n个斑，其中，第2n个斑与第一个斑相邻。在第2n个斑处，该序列沿第二方向与第一个斑相反地延伸一步，以覆盖第(2n+1)个斑，依此类推，从而定义沿第二方向延伸并沿第一方向跨越第一个斑与第n个斑之间间隔的距离宽度的缠绕嵌接。7、ep3932482中定义的嵌接序列单位单元对于定义确保由一个或多个细束沉积到特定区上的所有剂量的百分位数的和以超高剂量沉积速率(hdr)沉积的辐照序列是非常有效的，其中，该百分位数至少为95％。问题在于，它适用于具有相对简单且基本上线性的几何形状的肿瘤，并不适合用于定义具有如图1所示的复杂几何形状的辐照序列。8、因此，仍然需要一种用于定义包含肿瘤细胞的靶区的辐照序列的方法，以确保以所需的百分位数获得flash-rt作用。本发明解决了确保由带电粒子的pbs治疗的靶在需要时以hdr被有效辐照的问题，同时考虑到在要治疗的给定特定区上泄漏的所有细束的任何重叠剂量沉积分布。这些和其他优点将在下文中更详细地描述。在下面的部分中更详细地解释了本发明的这些和其他优点。技术实现思路1、本发明涉及一种用于定义用于通过带电粒子束、优选地质子束的辐射进行的治疗的扫描序列的方法，其中，该方法确保剂量(dj)通过笔形束扫描(pbs)以能量单层的形式沉积到包含被包围在外周表面内的肿瘤细胞的靶区(vt)上并以超高剂量沉积速率(hdr)沉积到定义包含健康细胞的关键区(vc)的特定区(vi)的很大一部分上，其中，hdr被定义为剂量沉积速率，其中，dj是在辐照开始后在时间tj处由第j个笔形束沉积到关键区(vc)的特定区(vi)上的剂量，并且其中，δti＝max({tj})–min({tj})是第一个剂量≥dmin沉积到特定区中时的初始剂量沉积时间(min({tj}))与最后一个剂量≥dmin沉积到特定区中时的最终剂量沉积时间(max({tj}))之间的时间跨度，其中，dmin是剂量下限。该方法包括：2、·通过将包括关键区(vc)的靶区(vt)投影到垂直于中心辐照轴(x)的表面平面(p0＝(y,z))上，定义由靶周边(pt)界定的靶区域(at)，3、·在至少分布在靶周边(pt)内的斑(sj)的表面平面(p0)上定义斑直径和斑位置图案，以便至少覆盖靶周边(pt)内定义的整个区域，4、·建立嵌接扫描序列，该嵌接扫描序列定义将所有斑(sj)相互连接的连续路径，并被配置用于最小化所有特定区(vi)中的累积剂量沉积时间(δti)，以便确保在所有特定区(vi)中进行hdr沉积。5、嵌接扫描序列建立如下，6、·对于质子束电流的给定值，定义使得粒子束可以在双向返回路径中扫描同时确保剂量(dj)以hdr沉积速率沉积到粒子束沿其双向返回路径所接触的所有特定区(vi)中的hdr扫描距离(l)，7、·定义表征靶周边(pt)的几何形状的伪中轴线(m)，8、·连续路径包括一系列路径段，这些路径段连接分布在伪中轴线的一侧或两侧的多个相邻斑，其中，9、o每个路径段在沿伪中轴线(m)的长度分布的不同点处与伪中轴线相交或穿过伪中轴线一次，10、o这些路径段两两相连，形成长度小于或等于hdr扫描距离(l)的一系列返回路径段。11、返回路径段可以通过将被定义为在第一路径段中连接的最后一个斑的第一路径段的末端斑连接到与第一路径段相邻的第二路径段而形成，即通过将第一段的末端斑连接到第二路径段的位于以下位置的斑，12、·与最后一个斑距离最短且与最后一个斑位于伪中轴线的同一侧，或者13、·与最后一个斑距离最远且相对于最后一个斑位于伪中轴线(m)的另一侧。14、有不同的方式来定义伪中轴线(m)。在第一实施例中，伪中轴线(m)可以定义如下，15、·定义分布在整个靶区域(at)上的参考点(rp)的集合；其中，参考点(rp)优选地是斑(sj)的中心，16、·选择第一参考点(rp)，17、·定义影响半径(r)，18、·定义影响点的集合，该影响点的集合被定义为被包围在以第一参考点(rp)为中心且具有影响半径(r)的影响圆内的参考点(rp)，19、·计算影响椭圆，该影响椭圆具有与影响圆中所有影响点的集合相同的二阶惯性矩，20、·确认影响椭圆的长轴，21、·定义从第一参考点(rp)开始、方向平行于长轴且具有任意长度的流向量，22、·用具有相同的影响半径(r)的影响圆对所有参考点(rp)重复上述步骤，23、·将流向量相互连接以定义流线，24、·选择从靶周边(pt)的一端延伸到另一端的一条流线作为形成伪中轴线(m)。25、在第二实施例中，伪中轴线(m)可以定义如下，26、·定义在两个交点处与靶周边相交的、第一方向的第一连接线段，其中，线段长度被定义为这两个交点之间间隔的距离，27、·定义第一连接线段的第一中点(mp)，该第一中点被定义为位于连接线段中心的点，28、·用平行于第一方向的另外的连接线段重复上述步骤，29、·连接所有中点(mp)以定义伪中轴线(m)。30、优选地，第一连接线段和另外的连接线段每个均通过至少一个斑(sj)的中心，优选地通过至少两个斑(sj)的中心。31、在第三实施例中，伪中轴线(m)定义如下，32、·定义给定尺寸和取向的参考矩形，33、·用一系列参考矩形铺设靶区域(at)以便覆盖整个靶区域，34、·对于第一参考矩形，确认被包围在其中的斑(sj)，35、·确定被包围在第一参考矩形中的斑(sj)的几何中位数(gm)，其中，该几何中位数形成伪中轴线(m)的第一个点，36、·对所有参考矩形重复最后两个步骤以形成一串点，37、·连接如此形成的点以形成伪中轴线(m)。38、嵌接扫描序列可以建立如下，39、·定义具有长边和短边的矩形参考框(rb)，短边的宽度(wb)小于长边的长度(lb)(wb