CN103785111A - 用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量系统。所述水箱测量系统包括箱体、探测器、探测器运动引导架，以及驱动装置，其中所述驱动装置与所述探测器传动连接，以驱使所述探测器在所述探测器运动引导架的引导下相对于所述箱体运动。本发明的水箱测量系统具有成本低，通用性好，运动精度高，响应速度快，易于维护等特点，并能精确地模拟研究各种器官的三维运动对剂量的影响，也可以用来修正计划靶区和放射治疗计划，提高肿瘤放射治疗的精确度。

Description

用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量方法和系统

技术领域

本发明涉及肿瘤精确放射治疗领域，特别是涉及用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量方法和系统。 

背景技术

精确放射治疗是基于高质量的CT、MRI或正电子发射计算机断层显像图像，将放疗医学与计算机技术、物理学等相结合所进行的肿瘤治疗方式，整个放疗过程由计算机控制完成，它是具有精确定位、精确计划、精确摆位、精确治疗等特点的一体化治疗技术。精确放疗的应用可以提高肿瘤照射剂量同时减少周围正常组织受量，从而提高肿瘤控制率，降低放射治疗副反应。 

然而胸腹部的肿瘤和一些正常组织结构会随着人体的呼吸运动、内脏器官的蠕动而移动。而由计划系统优化得到的照射野是相对静止的，这就造成靶区和周围重要组织器官的受照剂量与计划制定有区别，影响了放射治疗的精度。有研究发现，当呼吸运动使胸部肿瘤在头脚方向位移12mm，在前后方向位移5mm，在左右方向位移2mm时，这些位移会导致靶区实际接受的照射剂量与计划预期差异较大，甚至可达10％以上。因而在胸腹部肿瘤的精确放疗中，器官运动对剂量分布的影响受到广泛的关注和研究。 

现在临床上实行的胸腹部肿瘤的放射治疗，最常使用外扩照射范围的方法来降低器官形状和位置变化对精确放疗的影响，但不同患者体内器官和肿瘤运动形式与幅度均有差异，这种方法可能造成靶区漏照或正常组织受到不必要照射。目前，急需就器官运动对剂量影响的规律进行详细的研究，以便最终发展可以进一步提高放疗精度的技术。 

现在，有关器官运动对剂量影响的研究主要是利用运动平台和运动体模。运动平台一般只能在一维或二维方向上运动，而实际大部分的器官运动都是三维方向，这在一定程度上限制了其在很多模拟测量上的使用。同时，它的响应时间长，运动速度慢，很难准确模拟测量一些快速变化的器官运动对剂量的影响。运动体模可以较好的模拟特定部位器官运动所受的照射剂量，但 是它一般成本较高，而且一个体模只能模拟特定部位，使用模式较为单一，不够灵活。 

因此希望有一种新的方法或装置来模拟器官运动对放射剂量的影响。 

发明内容

本发明的目的是提供一种用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量方法和系统。 

为实现上述发明目的，本发明提供一种用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量系统，其特征在于，所述水箱测量系统包括箱体、探测器、探测器运动引导架，以及驱动装置，其中所述驱动装置与所述探测器传动连接，以驱使所述探测器在所述探测器运动引导架的引导下相对于所述箱体运动，如图1所示。 

优选地，所述探测器设置成能够相对于所述箱体在三维方向上运动。 

优选地，所述探测器运动引导架包括水平纵向导轨、水平横向导轨以及竖直导轨，所述驱动装置包括三个步进电机，分别用于驱使所述探测器沿着所述水平纵向导轨、水平横向导轨以及竖直导轨运动。 

优选地，所述水箱测量系统进一步包括控制装置，所述控制装置与所述驱动装置电连接，以使得所述探测器以设定的运动参数运动。 

优选地，所述控制装置包括运动参数输入装置。 

优选地，所述运动参数输入装置包括键盘、鼠标、操纵杆、USB接口和/或网络接口。 

优选地，所述探测器的数量为一个。 

优选地，在水箱中装有水或体液模拟液体。 

该系统的工作原理如图2所示，在软件中可以根据需要选择不同的工作模式，首先在上位机软件中设置步进电机控制的目标位置、加速度、速度等参数，单片机接收该信息后通过控制输出脉冲来实现实时的运动规划。其中通过控制脉冲的数量来控制步进电机转动的角位移、控制输出脉冲的频率来控制步进电机转动的速度和加速度。驱动电路接收脉冲信号放大以驱动步进电机运转。使探测器可以在x、y、z三个维度上以不同的频率、不同的幅度做匀速或变速运动，来模拟器官运动。探测器可以测得在运动过程中所接受的照射剂量，将测得的数值传送给计算机。 

本装置将虚拟仪器技术的可视化操作和控制应用到步进电机控制系统中，实现了动态改变脉冲频率、方向信号和实时控制探测器位置、速度的功能，保证了系统技术的实时准确性以及性能的灵活性。使其可以模拟探测不同运动维度、幅度、频率、速度的器官的吸收剂量。 

针对现有技术的缺陷，本发明利用放疗中常用的水箱测量系统提供一种能模拟器官运动对剂量影响的测量方法和装置。水箱测量系统是由计算机控制的自动快速扫描系统，能对射线在水模中相对剂量分布进行测量，得出射线的半高宽、半影、对称性、平坦度、最大剂量点深度等参数。是医院放疗设备的日常质量保证、安装验收、大修检测过程中的常用设备。本发明在水箱中加水，探测器可以在水中自由运动，能够比较准确的模拟在人体内环境下运动器官所受的剂量。 

本发明与现有的方法相比，具有成本较低，通用灵活，运动精度高，响应速度快，易于维护等特点。可以模拟研究各种器官的三维运动对剂量的影响，也可以用来修正计划靶区和放射治疗计划，提高肿瘤放射治疗的精确度。本发明能够系统地模拟人体各种器官的运动，为临床放射治疗的质量保证和质量控制提供了有效手段。 

附图说明

图1为根据本发明一实施例的水箱测量系统的结构示意图。 

图2为根据本发明一实施例的水箱测量系统的电控系统的示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的描述。 

该系统由主体水箱部分和操作控制部分构成。 

其中主体水箱部分主要包括有机玻璃箱体1、探测器2、步进电机3、导轨4和托架5； 

所述有机玻璃箱体使用材料为透明的有机玻璃。系统在使用过程中，有机玻璃箱体内根据需要注入一定量的水，使探测器周围的CT电子密度与人体内的环境更加接近。 

根据需要可以选为点、线、面、体探测器，可以分别研究要测量器官内的点、线、面、体的运动对剂量的影响。 

所述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它将驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为步距角，其可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度。步进电机通过同步带控制探测器的运动。 

操作控制部分由单片机、驱动电路、上位机(PC机)、软件，数据连接线等组成。 

要使探测器同时在x、y、z三个维度上运动，需要使用三个步进电机，同时要有三个步进电机的驱动电路。驱动电路外接220v的交流电，受单片机脉冲信号的控制。 

单片机选用常用的AT89S52，用以接收LABVIEW控制输出的信号。单片机运行后，对中断口进行监视，当接受到控制信号时，单片机主程序根据所读取信息发送相应频率和次数的脉冲信号，达到控制转速和转角的目的。 

上位机程序采用美国NI公司的图形化编程语言LabVIEW编写。按照功能模块划分为：通信模块、数据显示和存储模块、参数设定模块、步进电机控制模块等。通过控制探测器以不同的速度、频率和幅度做一维、二维或三维运动，即可以模拟各种不同复杂程度的器官运动。例如，模拟呼吸运动时，可以按照 呼吸运动的规律，设定探测器在三个方向上运动分别为 

$x_0+3\·\sin \left(\frac{2\mathrm{\πt}}{4}\right)+\mathrm{noise},$

$y_0+10\·\sin (\frac{2\mathrm{\πt}}{4}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+\mathrm{noise},$

$z_0+5\·\sin (\frac{2\mathrm{\πt}}{4}+\frac{\mathrm{\π}}{2})+\mathrm{noise},$

即三个方向的运动均为正弦函数，运动周期为4s，运动幅度分别为6mm、20mm和10mm，x方向与y、z方向的运动之间存在π/2的相位差，用以描绘呼吸运动中常见的迟滞现象，同时在三个方向上均加上独立的方差为1mm的高斯噪声，以解释不同呼吸运动周期之间的差异，(x₀，y₀，z₀)表示了运动轨迹的平移向量。然后根据这个运动模式可以生成参数设定模块里各个参数的设置。本装置还可以模拟其它形式的运动，例如： 

(1)以设定的频率、幅度、匀速运动。 

(2)以设定的幅度，随机变化的频率做匀速或变速运动。 

(3)幅度和频率均为随机变量，做匀速或变速的运动。 

(4)以设定的频率，但幅度为随机量做匀速或变速运动。 

其中速度、频率和幅度均为可调。 

在实际应用中，水箱系统置于加速器机头下方，连接好各种线路。选定好要模拟的器官、运动模式、运动维度等，在上位机中设定要模拟器官运动的参数后，启动步进电机控制探测器按照设定的参数运动，同时开启加速器的执行计划出射线。探测器会测得要模拟的器官在运动过程中吸收的辐射剂量，并传送给计算机进行后续分析。 

上述的实施例仅用来阐述本说明，它不应该理解为是对本说明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离本实施例精神和原理下，对本实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量系统，其特征在于，所述水箱测量系统包括箱体、探测器、探测器运动引导架，以及驱动装置。其中所述驱动装置与所述探测器传动连接，以驱使所述探测器在所述探测器运动引导架的引导下相对于所述箱体运动。

2.根据权利要求1所述的用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量系统，其特征在于，所述探测器设置成能够相对于所述箱体在三维方向上运动。

3.根据权利要求2所述的用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量系统，其特征在于，所述探测器运动引导架包括水平纵向导轨、水平横向导轨以及竖直导轨，所述驱动装置包括三个步进电机，分别用于驱使所述探测器沿着所述水平纵向导轨、水平横向导轨以及竖直导轨运动。

4.根据权利要求3所述的用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量系统，其特征在于，进一步包括控制装置，所述控制装置与所述驱动装置电连接，以使得所述探测器以设定的运动参数运动。

5.根据权利要求4所述的用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量系统，其特征在于，所述控制装置包括运动参数输入装置。

6.根据权利要求5所述的用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量系统，其特征在于，所述运动参数输入装置包括键盘、鼠标、操纵杆、USB接口和/或网络接口。

7.根据权利要求1所述的用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量系统，其特征在于，所述探测器的数量为一个。

8.根据权利要求1所述的用于模拟器官运动对放射剂量影响的水箱测量系统，其特征在于，在水箱中装有水或体液模拟液体。

Images