[发明专利]限定笔形束扫描的剂量率

说明书

计算体素在使用笔形束扫描(PBS)而传递的粒子束(例如，质子束)治疗场内的剂量率，并且报告针对PBS治疗场的代表性剂量率。计算将局部区域或子体积(例如，体素)中的剂量累积考虑为时间的函数。

背景技术

使用放射疗法治疗癌症是众所周知的。通常，放射疗法涉及将高能质子、光子、离子或电子辐射引导到靶或不健康组织(例如，肿瘤或病变)的治疗靶中的体积中。

使用质子束的放射疗法相对于使用其它类型的束具有显著的优点。质子束到达组织中的深度取决于束能量、并且质子束在该深度处释放其大部分能量(传递其大部分剂量)。大部分能量被释放的深度－剂量曲线的区域被称为束的布拉格峰。

在利用放射对患者进行治疗之前，制定针对该患者的治疗计划。计划使用可以基于过去经验的仿真和优化来限定放射疗法的各个方面。通常，治疗计划的目的是向不健康组织传递足够的辐射，同时使得周围健康组织对该辐射的暴露最小化。

一种放射疗法技术被称为笔形束扫描(PBS)，也被称为束斑扫描。在PBS中，电离辐射的小且聚焦的笔形束被引导到治疗靶中由治疗计划规定的特定位置(束斑)。对于治疗场的每个能量层，所规定的束斑位置通常以固定的(光栅)图案布置，并且笔形束在能量层内的固定扫描路径上被传递。通过叠加能量不同的若干层，笔形束的布拉格峰重叠，从而以规定的剂量率将规定的剂量均匀地传递穿过治疗靶中的每个治疗场、并到达靶的边缘。

精确计算束斑的数量及其位置(定位和分布)是关键的。目的是确定束斑位置：1)符合治疗靶的轮廓，以改进旁侧半影、并使得治疗靶外部的健康组织暴露于超出治疗不健康组织所需的辐射被免除；以及2)在治疗靶内部是均匀的，以避免治疗靶内部的剂量变化(剂量不均匀性)，使得所规定的剂量被传递到靶的所有部分。

对超高剂量率照射的生物效应的兴趣在过去5年中显著增长，从研究开始，研究表明通过以大约每秒40戈瑞(Gy)的剂量率照射，证明了正常组织显著地免除了具有同等有效的肿瘤生长延迟。被称为FLASH效应的免除效应已导致大量的放射生物学实验，其中大多数已使用宽电子束或宽质子束来执行(bbFLASH)。在这些实验中，剂量在时域中以脉冲形式被传送，在每个脉冲内同时发生整个场的传递。该剂量传递模式具有两个特征剂量率。第一个是瞬时剂量率，该瞬时剂量率是每脉冲的剂量除以脉冲持续时间。第二个是平均剂量率，该平均剂量率是总剂量除以整个传递持续时间。

PBS引入了用于限定剂量率的附加考虑，因为如上所述，在治疗场中的每个点处的剂量是来自被异步地传递到多个束斑的剂量的贡献的总和，其中多个束斑足够接近该点，以对该点处的剂量做出贡献。虽然每个束斑将具有类似于上述针对宽束所讨论的瞬时剂量率和平均剂量率，但是在PBS场内的任何体素处的剂量率更难以表征。

发明内容

对于一般的笔形束扫描(PBS)(束斑扫描)和特别是PBS FLASH放射疗法，重要的是考虑扫描时间。在不考虑扫描时间的情况下，将有效剂量传递到给定位置的束斑之间的时间间隔不被考虑，结果，不论累积总剂量所需的时间段如何，束斑阵列的剂量率估计结果将相同。

根据本发明的实施例提供了将局部区域或子体积(例如体素)中的剂量累积视为时间的函数的方法和系统。更具体地，在实施例中，公开了如下的方法：该方法用于(i)计算体素在使用PBS传递的粒子束(例如，质子束)治疗场内的剂量率(换言之，PBS治疗场的剂量率分布)，以及(ii)报告PBS治疗场的代表性剂量率。

所公开的方法考虑了PBSFLASH放射疗法的独特时空传递模式。这提供了以精确和一致的方式确定和描述PBS剂量率的框架，这是FLASH结果的交叉研究比较的必要要求。这些方法可以被用于放射治疗计划，也可用于推进PBS FLASH放射疗法的研究和应用。

在阅读了在各个附图中示出的以下详细说明之后，本领域技术人员将认识到根据本发明的实施例的这些和其他目的和优点。