TWI778742B - 劑量規劃系統 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種劑量規劃系統，將人體器官組織內的藥物濃度分布與原子組成分布一起列入考量，利用蒙地卡羅法(Monte Carlo Method)計算在此藥物濃度分布下，人體器官組織內的中子/光子劑量分布。
Description
本發明涉及放射腫瘤治療(Radiation Oncology)領域，特別涉及一種將人體器官組織內的藥物濃度分布列入考量的劑量規劃系統。
目前習知的劑量規劃系統，例如硼中子捕獲治療(boron neutron capture therapy；BNCT)計劃系統，是基於受測者器官內藥物濃度分布為均勻分布(uniform distribution)的假設，而進行中子/光子劑量分布的計算與規劃。然而，以含硼藥物為例，其濃度在受測者的正子造影(positron emission tomography；PET)影像中，尤其是在腫瘤體積(gross tumor volume；GTV)的區域附近，通常是分布不均勻的。這種不均勻的藥物濃度分布，會導致習知的劑量規劃系統在中子/光子劑量分布的計算與規劃方面的不準確。
因此，需要一種劑量規劃系統，能考量藥物在人體器官組織內的實際分布狀況，對中子/光子劑量分布進行較為準確的計算與規劃。
本發明之實施例提供一種劑量規劃系統，包含：影像處理模組，設置以載入受測者之複數幀電腦斷層(Computer Tomography；CT)影像及感興趣區域(Region of Interest；ROI)資料，整合CT影像及ROI資料，以產生對應於受測者之影像資料數據；藥物吸收比分布模組，設置以載入受測者之藥物濃度分布影像，對藥物濃度分布影像及影像資料數據進行影像對位(image registration)，以產生藥物吸收比分布資料數據，作為劑量規劃系統進行藥物劑量分布計算之依據。
在某些實施例中，劑量規劃系統更包含：器官組織分布模組，依據ROI資料，定位出影像資料數據上的複數個器官組織，以產生器官組織分布資料數據；劑量率分布模組，設置以載入器官組織分布資料數據、藥物吸收比分布資料數據及材料組成參數資料數據，並基於器官組織分布資料數據、藥物吸收比分布資料數據及材料組成參數資料數據，計算每一複數個均質化體積內的像素劑量率分布，以產生像素劑量率分布資料數據。
在某些實施例中，劑量規劃系統更包含：劑量規劃模組，設置以接收生物效應參數、射束強度、藥物血中濃度及照射時間，將生物效應參數、射束強度、藥物血中濃度及照射時間整合進像素劑量率分布資料數據，以產生劑量規劃資料數據。
在某些實施例中，劑量規劃模組更設置以對不同照射條件或基於不同影像資料數據或其他放射治療下的多個劑量規劃資料數據進行劑量疊加，以產生多重劑量規劃資料數據。
在某些實施例中，劑量規劃系統更包含劑量報告模組，設置以基於劑量規劃資料數據，產生可視覺化呈現的劑量報告數據，劑量報告數據包含等劑量分布、單維劑量分布、體積劑量直方圖，以及器官組織之劑量分布。
在某些實施例中，劑量率分布模組更設置以：設定體積均質化尺寸、粒子計數尺寸、射束參數及藥物血中濃度；基於器官組織分布資料數據、藥物吸收比分布資料數據、材料組成參數資料數據、體積均質化尺寸、粒子計數尺寸、射束參數及藥物血中濃度，進行體積均質化計算及材料分群計算，以產生蒙地卡羅(Monte Carlo)程式輸入數據，其中蒙地卡羅程式輸入數據包含均質化體積所各自對應的材料群編碼；依照蒙地卡羅程式輸入數據進行蒙地卡羅粒子遷移計算，以產生蒙地卡羅程式輸出數據；基於蒙地卡羅程式輸出數據，使用像素劑量重建法計算每一均質化體積內的像素劑量率分布，以產生像素劑量率分布資料數據。
在某些實施例中，體積均質化計算包含：計算在體積均質化尺寸下，每一均質化體積內的平均材料組成；其中材料分群計算，包含：基於均質化體積內的平均材料組成，對均質化體積進行分群，以取得均質化體積所各自對應的材料群編碼。
在某些實施例中，平均材料組成包含鈣(Ca)、氫(H)、氮(N)、碳(C)、氧(O)、磷(P)、藥物主要作用原子等元素各自的原子密度。
在某些實施例中，劑量率分布模組更設置以；載入準直儀描述數據及射束描述數據；根據準直儀描述數據及射束描述數據，設定射束參數。
在某些實施例中，體積均質化尺寸與粒子計數尺寸不相等。
在某些實施例中，使用像素劑量重建法計算每一均質化體積內的該劑量率，包含：基於每一均質化體積之相鄰的均質化體積之平均粒子通率，產生多項式；使用多項式，計算每一均質化體積內的粒子通量權重分布；基於粒子通量權重分布、器官組織分布資料數據及藥物吸收比分布資料數據，計算每一均質化體積內的像素劑量率分布。
第1圖係根據本發明之實施例的一種劑量規劃系統100之系統方塊圖。如第1圖所示，劑量規劃系統100包含影像處理模組101、藥物吸收比分布模組102、器官組織分布模組103、劑量率分布模組104、劑量規劃模組105，及劑量報告模組106。
劑量規劃系統100更包含至少一個處理器。劑量規劃系統100會載入程式，以使處理器執行影像處理模組101、藥物吸收比分布模組102、器官組織分布模組103、劑量率分布模組104、劑量規劃模組105及劑量報告模組106之功能。劑量規劃系統100亦可包含至少一個輸入裝置（例如滑鼠、鍵盤、控制器、觸控顯示器元件或小鍵盤）以及至少一個輸出裝置（例如顯示裝置、印表機或擴音器）。劑量規劃系統100亦可包含一個或多個用於儲存資料的儲存裝置，例如磁碟驅動器、光儲存元件以及固態儲存裝置如隨機存取記憶體（RAM）、唯讀記憶體（ROM）、可拆卸媒體裝置、記憶卡以及快閃記憶卡等。
第1圖中的影像處理模組101，可設置以載入受測者之複數幀電腦斷層(Computer Tomography；CT)影像及感興趣區域(Region of Interest；ROI)資料，並且整合該等CT影像及ROI資料，以產生對應於受測者之影像資料數據。CT影像是針對特定掃描區域，例如受測者之頭部、胸腔、腹部…等，利用從不同角度的許多X射線穿透人體，再由電腦所組合而成的二維(2D)影像，用以觀察受測者的身體內部。影像資料數據為多幀2D的CT影像所堆疊而成的三維(3D)影像，用以描述受測者身體內部的一或多個感興趣區域的位置。ROI資料包含每一感興趣區域的多個點之座標，用以在影像資料數據勾勒出每一感興趣區域之輪廓。感興趣區域可例如為腫瘤或特定器官，惟在影像資料數據中尚未定義這些感興趣區域為哪一器官，又或者是腫瘤。
第1圖中的藥物吸收比分布模組102，可設置以載入受測者之藥物濃度分布影像，並對藥物濃度分布影像及影像資料數據進行影像對位(image registration)，以產生藥物吸收比分布資料數據，用以描述受測者體內的藥物相對吸收比例。藥物濃度分布影像為正子造影(positron emission tomography；PET)影像或是磁振造影(Magnetic Resonance Imaging；MRI)影像，用以描述受測者體內的藥物濃度分布。此處所述影像對位可以是任何一種將影像數據(在本發明之實施例中，即藥物濃度分布影像中的數據)對應至影像資料數據之空間坐標系(space coordinate system)的一種基於影像灰階值的醫學影像對位(intensity-based medical image registration)演算法，惟本發明並非限定於此。
第1圖中的器官組織分布模組103，可依據ROI資料，定位出影像資料數據上的複數個器官組織，以產生器官組織分布資料數據，用以描述受測者體內複數個器官組織之位置分布。器官組織可例如為腫瘤或特定器官，其定位的方法可以是運用人工智慧(AI)技術自動產生每一器官組織與其所在區域之間的對應關係(例如，第一區域對應大腦，第二區域對應腫瘤…等)，也可以是在使用者介面上提供繪圖工具，供使用者進行手動的圈選與標記。
第2圖係根據本發明之實施例所繪示，第1圖中的劑量率分布模組104所設置以執行的處理程序200之流程圖。如第2圖所示，處理程序200包含步驟201-步驟205。
處理程序200起始於步驟201。於步驟201，載入器官組織分布資料數據、藥物吸收比分布資料數據、材料組成參數資料數據、準直儀描述數據及射束描述數據。此處所述材料組成參數資料數據，記載人體各器官組織的元素組成，例如鈣(Ca)、氫(H)、氮(N)、碳(C)、氧(O)、磷(P)等元素的組成。此處所述準直儀描述數據與射束描述數據，分別記載描述準直儀與射束之條件的參數。然後，處理程序200進入步驟202。
於步驟202，根據準直儀描述數據及射束描述數據，設定體積均質化(homogenization)尺寸、粒子計數尺寸、射束參數及藥物血中濃度(plasma drug concentration)等參數，以作為執行下一步驟(即步驟203)所需要的輸入參數。體積均質化尺寸及粒子計數尺寸，是以像素(pixel)為單位，例如
像素。在某些實施例中，體積均質化尺寸與粒子計數尺寸被設定為不相等。完成步驟202後，處理程序200進入步驟203。
於步驟203，基於器官組織分布資料數據、藥物吸收比分布資料數據、材料組成參數資料數據、體積均質化尺寸、粒子計數尺寸、射束參數及藥物血中濃度，進行體積均質化計算及材料分群計算，以產生蒙地卡羅(Monte Carlo)程式輸入數據，作為執行下一步驟(即步驟204)所需要的輸入資料。蒙地卡羅程式輸入數據包含多個均質化體積所各自對應的材料群編碼。然後，處理程序200進入步驟204。
在某些實施例中，體積均質化計算包含計算在步驟203所設定的體積均質化尺寸下，每一均質化體積內的平均材料組成。舉例來說，假設受測者之CT影像的原始解析度為
像素，在步驟203所設定的體積均質化尺寸為
像素，則計算
個均質化體積中的每個均質化體積內的平均材料組成。平均材料組成可包含鈣(Ca)、氫(H)、氮(N)、碳(C)、氧(O)、磷(P)、藥物主要作用原子等元素各自的原子密度。
在某些實施例中，材料分群計算包含基於均質化體積內的平均材料組成，對均質化體積進行分群，以取得某一均質化體積所對應的材料群編碼。被分在同一群中的那些均質化體積，將較於被分在其他組的均質化體積，彼此具有較為相似的平均材料組成之比例分布，例如較為相似的鈣(Ca)、氫(H)、氮(N)、碳(C)、氧(O)、磷(P)、藥物主要作用原子等元素之原子密度的比例分布。
於步驟204，依照蒙地卡羅程式輸入數據進行蒙地卡羅粒子遷移計算，以產生蒙地卡羅程式輸出數據。然後，處理程序200進入步驟205。
於步驟205，基於蒙地卡羅程式輸出數據，使用像素劑量重建法計算每一均質化體積內的各原始像素的劑量率，以產生像素劑量率分布資料數據。此像素劑量率分布資料數據是用於描述像素劑量率在這些均質化體積內的分布情況。
在某些實施例中，使用像素劑量重建法計算每一均質化體積內的像素劑量率，包含基於每一均質化體積之相鄰的均質化體積之平均粒子通率，產生一個二次(或一次，或指數)多項式，然後再使用此多項式計算每一均質化體積內的粒子通率權重分布。最後，基於粒子通率權重分布、器官組織分布資料數據及藥物吸收比分布資料數據，計算每一像素的劑量率。
第1圖中的劑量規劃模組105，可設置以接收生物效應參數、射束強度、藥物血中濃度及照射時間，並將生物效應參數、射束強度、藥物血中濃度及照射時間整合進像素劑量率分布資料數據，以產生劑量規劃資料數據。
在某些實施例中，第1圖中的劑量規劃模組105更設置以對不同照射條件或基於不同影像資料數據或其他放射治療下的多個劑量規劃資料數據進行劑量疊加，以產生多重劑量規劃資料數據。
第1圖中的劑量報告模組106，可設置以基於劑量規劃資料數據，產生可視覺化呈現的劑量報告數據。劑量報告數據可包含等劑量分布、單維劑量分布、體積劑量直方圖，以及器官組織之劑量分布。
第3A圖、第3B圖及第3C圖展示根據本發明之實施例的劑量規劃系統相較於習知技術的差異。第3A圖中的等劑量曲線圖301為習知將受測者器官組織內的藥物濃度設定為固定值之作法下，所產生範例的等劑量曲線圖。第3B圖為根據本發明之實施例的劑量規劃系統依據第3C圖的等藥物濃度曲線圖所產生範例的等劑量曲線圖302。在此範例中，係假設射束方向由影像左方入射，以及等劑量曲線圖301、等劑量曲線圖302及等藥物濃度曲線圖303係以紅、橙、黃、綠、藍…等顏色的線條，依序代表數值由高至低的位置。如第3A圖所示，等劑量曲線圖301所顯示出的劑量分布接近於由左方射入的射束之中子通率分布，大致上是由左向右遞減。至於第3B圖所示納入藥物濃度分布後所得到的等劑量曲線圖302，其顯示出的劑量分布相較於等劑量曲線圖301所顯示出由左向右遞減的劑量分布更具合理性。
本發明所揭露之劑量規劃系統，考量了藥物在受測者器官組織內的實際分布狀況，藉此更準確地計算出中子/光子劑量在受測者器官組織內分布的情形，利於進行較適切的劑量規劃。
在本說明書中以及申請專利範圍中的序號，例如「第一」、「第二」等等，僅係為了方便說明，彼此之間並沒有順序上的先後關係。
「某些實施例」、「一實施例」、「實施例」、「多個實施例」、「該實施例」、「該些實施例」、「一或更多個實施例」、「有些實施例」以及「一個實施例」都是指一或更多個實施例(但並非全部)，除非另有特別的限定。
以上段落使用多種層面描述。顯然的，本文的教示可以多種方式實現，而在範例中揭露之任何特定架構或功能僅為一代表性之狀況。根據本文之教示，任何熟知此技藝之人士應理解在本文揭露之各層面可獨立實作或兩種以上之層面可以合併實作。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:劑量規劃系統
101:影像處理模組
102:藥物吸收比分布模組
103:器官組織分布模組
104:劑量率分布模組
105:劑量規劃模組
106:劑量報告模組
200:處理程序
201-205:步驟
301,302:等劑量曲線圖
303:等藥物濃度曲線圖
本揭露將可從以下示範的實施例之敘述搭配附帶的圖式更佳地理解。此外，應被理解的係，在本揭露之流程圖中，各區塊的執行順序可被改變，且/或某些區塊可被改變、刪減或合併。
第1圖係根據本發明之實施例的一種劑量規劃系統之系統方塊圖。
第2圖係根據本發明之實施例所繪示，第1圖中的劑量率分布模組所設置以執行的處理程序之流程圖。
第3A圖、第3B圖及第3C圖展示根據本發明之實施例的劑量規劃系統與習知技術計算劑量分布的差異。
100:劑量規劃系統
101:影像處理模組
102:藥物吸收比分布模組
103:器官組織分布模組
104:劑量率分布模組
105:劑量規劃模組
106:劑量報告模組
Claims (11)
- 一種劑量規劃系統，包括： 一影像處理模組，設置以載入一受測者之複數幀電腦斷層(Computer Tomography；CT)影像及一感興趣區域(Region of Interest；ROI)資料，整合該等CT影像及該ROI資料，以產生對應於該受測者之一影像資料數據； 一藥物吸收比分布模組，設置以載入該受測者之一藥物濃度分布影像，對該藥物濃度分布影像及該影像資料數據進行影像對位(image registration)，以產生一藥物吸收比分布資料數據，作為該劑量規劃系統進行藥物劑量分布計算之依據。
- 如請求項1之劑量規劃系統，更包括： 一器官組織分布模組，依據該ROI資料，定位出該影像資料數據上的複數個器官組織，以產生一器官組織分布資料數據； 一劑量率分布模組，設置以載入該器官組織分布資料數據、該藥物吸收比分布資料數據及一材料組成參數資料數據，並基於該器官組織分布資料數據、該藥物吸收比分布資料數據及該材料組成參數資料數據，計算每一複數個均質化體積內的一像素劑量率分布，以產生一像素劑量率分布資料數據。
- 如請求項2之劑量規劃系統，更包括： 一劑量規劃模組，設置以接收一生物效應參數、一射束強度、一藥物血中濃度及一照射時間，將該生物效應參數、該射束強度、該藥物血中濃度及該照射時間整合進該像素劑量率分布資料數據，以產生一劑量規劃資料數據。
- 如請求項3之劑量規劃系統，其中該劑量規劃模組更設置以對不同照射條件或基於不同影像資料數據或其他放射治療下的多個該劑量規劃資料數據進行劑量疊加，以產生一多重劑量規劃資料數據。
- 如請求項3之劑量規劃系統，更包括一劑量報告模組，設置以： 基於該劑量規劃資料數據，產生可視覺化呈現的一劑量報告數據，該劑量報告數據包括一等劑量分布、一單維劑量分布、一體積劑量直方圖，以及該等器官組織之劑量分布。
- 如請求項2之劑量規劃系統，其中該劑量率分布模組，更設置以： 設定一體積均質化尺寸、一粒子計數尺寸、一射束參數及該藥物血中濃度； 基於該器官組織分布資料數據、該藥物吸收比分布資料數據、該材料組成參數資料數據、該體積均質化尺寸、該粒子計數尺寸、該射束參數及該藥物血中濃度，進行一體積均質化計算及一材料分群計算，以產生一蒙地卡羅(Monte Carlo)程式輸入數據，其中該蒙地卡羅程式輸入數據包括該均質化體積所對應的一材料群編碼； 依照該蒙地卡羅程式輸入數據進行蒙地卡羅粒子遷移計算，以產生一蒙地卡羅程式輸出數據； 基於該蒙地卡羅程式輸出數據，使用一像素劑量重建法計算每一該均質化體積內的一像素劑量率分布，以產生該像素劑量率分布資料數據。
- 如請求項6之劑量規劃系統，其中該體積均質化計算，包括：計算在該體積均質化尺寸下，該均質化體積內的平均材料組成； 其中該材料分群計算，包括：基於該均質化體積內的平均材料組成，對該均質化體積進行分群，以取得該均質化體積所各自對應的該材料群編碼。
- 如請求項7之劑量規劃系統，其中該平均材料組成，包括鈣(Ca)、氫(H)、氮(N)、碳(C)、氧(O)、磷(P)、藥物主要作用原子等元素各自的原子密度。
- 如請求項6之劑量規劃系統，其中該劑量率分布模組，更設置以： 載入一準直儀描述數據及一射束描述數據； 根據該準直儀描述數據及該射束描述數據，設定該射束參數。
- 如請求項6之劑量規劃系統，其中該體積均質化尺寸與該粒子計數尺寸不相等。
- 如請求項6之劑量規劃系統，其中使用該像素劑量重建法計算該均質化體積內的該劑量率，包括： 基於該均質化體積之相鄰的均質化體積之平均粒子通率，產生一多項式； 使用該多項式，計算該均質化體積內的一粒子通率權重分布； 基於該粒子通率權重分布、該器官組織分布資料數據及該藥物吸收比分布資料數據，計算該質化體積內的該像素劑量率分布。
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