CN103127623A - 一种放射治疗中在线验证加速器出束准确性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种放射治疗中在线验证加速器出束准确性的方法，该方法利用射线源和二维平板探测器围绕病人旋转实时测量射束透过病人靶区后的二维透射剂量分布，根据二维透射剂量分布计算射束各子野多叶光栅叶片序列位置，并结合各子野跳数值（Monitor Units，简称Mu）重建射束强度图，将重建射束强度图与治疗计划系统输出强度图进行比较评价，验证加速器出束强度的准确性。该方法解决了现有技术不能在病人实际接受治疗时实时在线验证加速器出束准确性的不足，并且该方法不受放射治疗机器和多叶光栅类型的限制，具有普遍适用性。

Description

一种放射治疗中在线验证加速器出束准确性的方法

技术领域

本发明涉及放射治疗仪器的在线验证的技术领域，具体涉及一种放射治疗中在线验证加速器出束准确性的方法。

背景技术

精确放疗技术从原来的三维适形放射治疗（CRT）发展到现在的旋转调强放射治疗（VMAT），放疗计划越来越复杂，对医用加速器输出精确性要求也越来越高。放射治疗时，医用加速器输出剂量的漂移、多叶光栅（MLC）走位不精确都有可能造成肿瘤患者靶区剂量不足或危机器官过剂量，严重影响肿瘤治愈率，这使得放疗中的剂量验证变得愈发重要。

传统的剂量验证方式是在肿瘤病人放射治疗前将病人计划加载到固体水模中通过二维电离室测量模体内部某一平面的二维剂量，然后与治疗计划系统计算得到的该平面的二维剂量进行对比以验证加速器是否按照治疗计划系统要求的射束强度进行准确照射。该方法有以下缺点：

1）进行放射治疗验证前，物理师要首先要架设验证模体和二维电离室，费时费力，增加物理师的工作负担，影响工作效率。

2）只能在治疗前通过模体进行剂量验证，无法在线反映肿瘤患者实际治疗时加速器出束的准确性。

发明内容

针对传统验证方法的不足，现有放射治疗技术中只能在放射治疗前通过简单模体进行剂量验证，无法在治疗病人时在线验证加速器出束准确性，且传统剂量验证方法操作费时、费力的不足，本发明提供了一种放射治疗中在线验证加速器出束准确性的方法，借助可与放射源同步旋转的二维平板探测器和快速数据处理平台，实时探测多叶光栅叶片序列位置，结合子野Mu重建射束强度，通过与治疗计划系统输出射束强度进行比较评价，以一种在线的方式验证加速器出束的准确性。

本发明采用的技术方案为：一种放射治疗中在线验证加速器出束准确性的方法，其实现步骤如下：

步骤（1）、设置可随放射源同步旋转的二维平板探测器和用于数据处理的运算平台；

步骤（2）、利用二维平板探测器实时获取射束透过病人后的二维透射剂量分布；

步骤（3）、根据二维透射剂量分布计算多叶光栅叶片序列位置；

步骤（4）、根据各子野多叶光栅叶片序列位置和子野Mu，重建射束强度；

步骤（5）、导入治疗计划系统输出的射束强度；

步骤（6）、对重建射束强度和治疗计划系统输出射束强度进行比较评价，计算强度差异矩阵；

步骤（7）、发出加速器出束调整指令或输出强度差异矩阵给治疗计划系统用于后续治疗方案调整。

所述步骤（3）在根据二维透射剂量分布计算多叶光栅叶片序列位置时，考虑到二维平板探测器在随机架角旋转过程中会发生倾斜和偏移，对计算过程进行了几何修正，具体过程如下：

根据二维透射剂量分布计算加速器旋转等中心位置处边界函数F_ios(y)为：

$F_{\mathrm{ios}}\left(y\right)=F\left(y\right)\×\frac{\mathrm{SAD}}{\mathrm{SID}}---\left(1\right)$

假设二维平板探测器在多叶光栅叶片运动方向倾角为α，偏移为d，则几何修正后的边界函数F₀(y)为：

$F_0\left(y\right)=(F\left(y\right)+d)\mathrm{Cos\α}\×\frac{\mathrm{SID}}{\mathrm{SID}-(F\left(y\right)+d)\mathrm{Sin\α}}---\left(2\right)$

由公式（1）和公式（2）得：

$F_{\mathrm{ios}}\left(y\right)=(F\left(y\right)+d)\mathrm{Cos\α}\×\frac{\mathrm{SAD}}{\mathrm{SID}-(F\left(y\right)+d)\mathrm{Sin\α}}---\left(3\right)$

求多叶光栅叶片序列位置l_(n)，公式如下：

$l_{\left(n\right)}=\frac{{\∫}_{y_n^{,}}^{y_n^{,,}}{F}_{\mathrm{ios}}\left(y\right)\mathrm{dy}}{y_n^{,,}-y_n^{,}}---\left(4\right)$

其中，F(y)为二维平板探测器位置处的边界函数；

SAD(Source-Axis-Distance)为加速器靶源到加速器旋转等中心点的距离；

SID(Source-Imager-Distance)为加速器靶源到二维平板探测器的距离；

y为积分变量；

y''_n和y'_n为多叶光栅第n对叶片的上边界和下边界相对于第1对叶片的距离，y''_n-y'_n为第n对叶片的厚度。

所述步骤（4）在进行射束强度重建时，将射束强度离散为强度栅元，在计算每个栅元格强度值时考虑了多叶光栅透射率的影响。

所述步骤（6）中射野强度评价分为单个子野强度评价和射束总强度评价：通过子野强度评价可以得到各子野多叶光栅叶片走位误差

和加速器出束误差fMU_error：

l_(n)为多叶光栅叶片实际位置、为治疗计划系统输出的多叶光栅叶片位置，fMU_error＝fMU_r-fMU_plan，fMU_r为加速器实际出束跳数、fMU_plan为治疗计划系统规定跳数；通过射束总强度评价可以对整个治疗过程进行评价，得出强度差异矩阵Φ_d，Φ_d=Φ_r–Φ_plan，Φ_r为重建得到的射束总强度矩阵、Φ_plan为治疗计划系统输出的射束总强度矩阵。

在采用了上述技术方案后，克服了现有放射治疗技术只能在治疗前通过简单的均匀模体进行计划验证且验证操作费时、费力的不足；借助二维平板探测器实时探测射束透过病人后的二维透射剂量分布，重建射束强度，通过强度评价以在线的方式反映并评估加速器出束的准确性。本发明操作简单易行、用时短，不增加病人额外剂量，可以指导后续放射治疗方案修改，提高肿瘤病人放射治疗治愈率。

附图说明

图1是本发明的一种放射治疗中在线验证加速器出束准确性的方法流程示意图；

图2是照射装置示意图，其中，1为加速器靶源，2为多叶光栅，3为三维治疗床，4为二维平板探测器，5为数据处理平台；

图3是强度栅元矩阵示意图，其中，6为强度栅元，7为多叶光栅叶片序列；

图4是照射实例实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

一种放射治疗中在线验证加速器出束准确性的方法，具体实现步骤如下：

步骤（1）、如图2所示，本发明中用于放射治疗的放疗装置由加速器靶源1、多叶光栅2、三维治疗床3、二维平板探测器4、数据处理平台5等部件组成；其中加速器靶源为高能电子打靶通过轫致辐射效应产生的X射线光子源；多叶光栅作为射束准直装置，可通过多叶光栅叶片序列的走位形成任意形状治疗射束；二维平板探测器为实时的、高分辨率兆伏级成像面板；二维平板探测器围绕治疗装置等中心与放射源同步旋转，可采集射束透过病人后的二维透射剂量分布；数据处理平台与二维平板探测器和加速器控制接口相连，可实时获取二维平板探测器采集二维剂量数据和加速器实际出束Mu数据，并且可以导入治疗计划系统输出的强度数据和输出强度差异矩阵数据以及通过接口向加速器发出控制出束指令。

步骤（2）、采集二维透射剂量分布：治疗装置按治疗计划给出的各治疗子野的顺序、子野形状、子野Mu依次进行照射，二维平板探测器同步采集射线穿过病人后的二维透射剂量分布；

根据步骤（2）得到的二维透射剂量分布，利用边界探测函数提取二维透射剂量的边界函数F(y)；采用的边界外轮廓提取方法，包括Prewitt、Sobel、Roberts、Laplacian of Gaussian、Zero-Cross与Canny等方法，设定一定的阈值、提取步长以及提取方向即可提取到步骤（2）中的二维平面透射剂量的理想外轮廓边界函数。

步骤（3）、计算多叶光栅叶片序列位置：

由二维平板探测器位置处的边界函数F(y)求加速器治疗等中心位置处强度边界函数F_ios(y)：考虑到探测器在随机架角旋转过程中会发生倾斜和偏移，影响多叶光栅叶片位置探测精度，本发明在此过程中进行了几何修正，具体过程如下：

根据二维透射剂量分布计算加速器旋转等中心位置处边界函数F_ios(y)为：

$F_{\mathrm{ios}}\left(y\right)=F_0\left(y\right)\×\frac{\mathrm{SAD}}{\mathrm{SID}}---\left(1\right)$

假设二维剂量探测器在多叶光栅叶片运动方向倾角为α，偏移为d时，则

$F_0\left(y\right)=(F\left(y\right)+d)\mathrm{Cos\α}\×\frac{\mathrm{SID}}{\mathrm{SID}-(F\left(y\right)+d)\mathrm{Sin\α}}---\left(2\right)$

由公式（1）和公式（2）得：

$F_{\mathrm{ios}}\left(y\right)=(F\left(y\right)+d)\mathrm{Cos\α}\×\frac{\mathrm{SAD}}{\mathrm{SID}-(F\left(y\right)+d)\mathrm{Sin\α}}---\left(3\right)$

求多叶光栅叶片序列位置l_(n)：

$l_{\left(n\right)}=\frac{{\∫}_{y_n^{,}}^{y_n^{,,}}{F}_{\mathrm{ios}}\left(y\right)\mathrm{dy}}{y_n^{,,}-y_n^{,}}---\left(4\right)$

其中，

SAD(Source-Axis-Distance)为加速器靶源到加速器旋转等中心的距离；

SID(Source-Imager-Distance)为加速器靶源到二维平面探测器的距离；

y''_n和y'_n为多叶光栅第n对叶片的上边界和下边界相对于第1对叶片的距离，y''_n-y'_n为第n对叶片的厚度；

y为积分变量。

步骤（4）、子野强度重建：将强度离散为面积很小的强度栅元矩阵，如图3所示，根据步骤（3）计算得到的子野多叶光栅叶片序列位置信息和子野Mu信息获取各栅元强度，未被多叶光栅挡铅的栅元格强度为Mu，被多叶光栅挡铅的栅元格强度为T*Mu，其中T为多叶光栅透射率；多叶光栅透射率可以通过蒙特卡罗程序如EGSnrc、MCNP或DPM对多叶光栅建模模拟得到，也可以通过使用指型电离室实际测量获得；

射束强度重建：每个射束由多个子野构成，根据步骤（3）计算得到的该射束内各子野强度栅元矩阵Φ_segment，叠加，获得射束强度栅元矩阵：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{beam}}=\underset{n}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\Φ}}^i}_{\mathrm{segment}},$ 其中n为子野个数。

步骤（5）、导入治疗计划系统输出的射束强度Φ_plan；

步骤（6）、射束强度评价：射野强度评价分为单个子野强度评价和射束总强度评价：通过单个子野强度评价可以得到各子野多叶光栅叶片走位误差

和加速器出束误差

l_(n)为多叶光栅叶片实际位置、n为叶片序号、

为治疗计划系统输出的多叶光栅叶片位置，fMU_error＝fMU_r-fMU_plan，fMU_r为加速器实际出束跳数、fMU_plan为治疗计划系统规定跳数；通过射束总强度评价可以对整个治疗过程进行评价，得出强度差异矩阵Φ_d，Φ_d=Φ_r–Φ_plan，Φ_r为重建得到的射束总强度矩阵、Φ_plan为治疗计划系统输出的射束总强度矩阵。

步骤（7）、根据步骤（6）计算得到的各子野强度评价结果和射束总强度评价结果：若子野照射时存在多叶光栅走位误差或加速器出束误差，则向加速器发出调整指令对加速器出束进行及时矫正；剂量计算：若加速器出束总强度与治疗计划系统要求强度有差异，则将射束强度差异矩阵导出作为治疗计划系统输入进行剂量计算和剂量比较，以确定是否需要调整后续治疗方案。

剂量计算：采用的剂量计算算法可以是MC算法如EGSnrc、DPM、MCNP等，也可以是解析算法如有限笔形束算法（FSPB）、AAA算法、CCC算法等；

剂量比较：提取肿瘤中心处感性趣点剂量，由强度差异矩阵计算得到剂量为D_diff，治疗计划系统输出的计划剂量为D_plan；感兴趣点剂量误差为D_error＝D_diff/D_plan；根据AAPM（北美医学物理学家协会）40号报告要求，肿瘤中心处误差小于5%，则认为满足治疗要求；

若剂量误差超出容忍值，不满足治疗要求，则调整后续治疗方案。

本发明未详细公开的技术内容采用本领域的公知技术。

Claims (4)

1.一种放射治疗中在线验证加速器出束准确性的方法，其特征在于，实现步骤如下：

步骤（1）、设置可随放射源同步旋转的二维平板探测器和用于数据处理的运算平台；

步骤（2）、利用二维平板探测器实时获取射束透过病人后的二维透射剂量分布；

步骤（3）、根据二维透射剂量分布计算多叶光栅叶片序列位置；

步骤（4）、根据各子野多叶光栅叶片序列位置和子野Mu，重建射束强度；

步骤（5）、导入治疗计划系统输出的射束强度；

步骤（6）、对重建射束强度和治疗计划系统输出射束强度进行比较评价，计算强度差异矩阵；

步骤（7）、发出加速器出束调整指令或输出强度差异矩阵给治疗计划系统用于后续治疗方案调整。

2.根据权利要求1所述的一种放射治疗中在线验证加速器出束准确性的方法，其特征在于，所述步骤（3）在根据二维透射剂量分布计算多叶光栅叶片序列位置时，考虑到二维平板探测器在随机架角旋转过程中会发生倾斜和偏移，对计算过程进行了几何修正，具体过程如下：

根据二维透射剂量分布计算加速器旋转等中心位置处边界函数F_ios(y)为：

$F_{\mathrm{ios}}\left(y\right)=F\left(y\right)\×\frac{\mathrm{SAD}}{\mathrm{SID}}---\left(1\right)$

假设二维平板探测器在多叶光栅叶片运动方向倾角为α，偏移为d，则几何修正后的边界函数F₀(y)为：

$F_0\left(y\right)=(F\left(y\right)+d)\mathrm{Cos\α}\×\frac{\mathrm{SID}}{\mathrm{SID}-(F\left(y\right)+d)\mathrm{Sin\α}}---\left(2\right)$

由公式（1）和公式（2）得：

$F_{\mathrm{ios}}\left(y\right)=(F\left(y\right)+d)\mathrm{Cos\α}\×\frac{\mathrm{SAD}}{\mathrm{SID}-(F\left(y\right)+d)\mathrm{Sin\α}}---\left(3\right)$

求多叶光栅叶片序列位置l_(n)，公式如下：

$l_{\left(n\right)}=\frac{{\∫}_{y_n^{,}}^{y_n^{,,}}{F}_{\mathrm{ios}}\left(y\right)\mathrm{dy}}{y_n^{,,}-y_n^{,}}---\left(4\right)$

其中，F(y)为二维平板探测器位置处的边界函数；

SAD(Source-Axis-Distance)为加速器靶源到加速器旋转等中心的距离；

SID(Source-Imager-Distance)为加速器靶源到二维平板探测器的距离；

y为积分变量；

y''_n和y'_n为多叶光栅第n对叶片的上边界和下边界相对于第1对叶片的距离，y''_n-y'_n为第n对叶片的厚度。

3.根据权利要求1所述的一种放射治疗中在线验证加速器出束准确性的方法，其特征在于，所述步骤（4）在进行射束强度重建时，将射束强度离散为强度栅元，在计算每个栅元格强度值时考虑了多叶光栅透射率的影响。

4.根据权利要求1所述的一种放射治疗中在线验证加速器出束准确性的方法，其特征在于，所述步骤（6）中射野强度评价分为单个子野强度评价和射束总强度评价：通过子野强度评价可以得到各子野多叶光栅叶片走位误差

和加速器出束误差fMU_error：

l_(n)为多叶光栅叶片实际位置、为治疗计划系统输出的多叶光栅叶片位置，fMU_error＝fMU_r-fMU_plan，fMU_r为加速器实际出束跳数、fMU_plan为治疗计划系统规定跳数；通过射束总强度评价可以对整个治疗过程进行评价，得出强度差异矩阵Φ_d，Φ_d=Φ_r–Φ_plan，Φ_r为重建得到的射束总强度矩阵、Φ_plan为治疗计划系统输出的射束总强度矩阵。

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