CN104857639B - 三维剂量验证装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维剂量验证装置，包括计算机控制平台、拥有三维剂量测量头的多通道静电计和加持三维运动支臂的三维水模体；计算机控制平台连接多通道静电计和三维水模体；多通道静电计连接三维剂量测量头；三维水模体固连三维运动支臂；三维剂量测量头固连于三维运动支臂上；计算机控制平台通过多通道静电计连接三维剂量测量头，形成测量功能；计算机控制平台通过三维运动支臂控制三维剂量测量头做空间平移运动。本发明提供基于水模体和电离室探测器的多模式三维测量装置及基于重离子立体测量方法和三维伽马因子分析方法的放射治疗计划三维验证装置和方法，功能多样，操作方便，验证结果直观准确，效率高，成本低，系统误差小。

Description

三维剂量验证装置及其方法

技术领域

本发明涉及三维剂量验证装置及三维剂量验证方法。

背景技术

随着计算机技术的飞速发展，放射影像技术和放射治疗技术发生了根本性和革命性的变化，放射治疗迈进了一个新的时代——三维治疗的时代。尤其在近来，随着放射治疗设备的更新和开展放射治疗的医疗单位的增多，带有电动多叶准直器(multileafcollimator,MLC)的医用直线加速器得到广泛的应用；同时具有三维算法和调强放射(intensity modulated radiation therapy,IMRT)治疗逆向算法的治疗计划系统(treatment plan system,TPS)广泛的应用，推动了三维适形治疗技术特别是调强放射治疗技术的发展。调强放射治疗病例数所占的比例越来越高，治疗的病种也越来越丰富，有些肿瘤甚至将IMRT作为首选治疗方式，如鼻咽癌、前列腺肿瘤等。以至于James A.Purdy[1]认为“21世纪第2个10年，IMRT技术或许会成为常规的照射技术”。放射治疗的根本目的是提高治疗增益比，即最大限度地增加肿瘤的局部控制率(tumor control probability,TCP)，降低正常组织的放射并发症概率(normal tissue complication probability,NTCP)[2]。IMRT技术同常规放射治疗技术和三维适形放射治疗技术相比，更适合于治疗凹形靶区和大面积不规则靶区。它在提供高度适形的靶区剂量的同时，能够更好的保护周围的正常组织和危及器官。有效的提高治疗增益比。

调强放射治疗(IMRT)是近十多年发展的一项崭新技术，在理论上它能够很好地遵循放疗临床剂量学四原则，是在各射野与靶区轮廓高度适形的前提下，将每一个射野分割成若干小子野，使射野内剂量强度按一定要求进行调节，最大限度地将束流集中到靶区以内，周围危及器官和正常组织少受或免受不必要的照射。它是利用多叶准直器(MLC)运动来实现，每一个射野内通过MLC运动会分成一定数量的子野，而每一个子野的形状、跳数各不相同，它们之间存在着复杂的关系，致使在调强放疗中，剂量出错可能性比较大，因其它采用比较陡峭的剂量梯度，且这种陡峭剂量分布临近肿瘤和重要器官的边界(Shamurailatpam Dayananda Sharma，et al.Use of peripheral dose data fromuniform dynamic multileaf collimation fields to estimate out-of-field organdose in patients treated employing sliding window intensity-modulatedradiotherapy.Phys.Med.Biol.51(2006),2987–2995.)。所有这些子野合成以后的剂量分布是难以想象和预见的，这一点与射野均匀的三维适形放疗完全不同(Followill D,GeisP and Boyer A 1997,Estimates of whole-body equivalent dose produced by beamintensity modulated conformal therapy Int.J.Radiat.Oncol.Biol.Phys.38,667–72；Kry S,Salehpour M,Followill D,Stovall M,Kuban D,White R and Rosen I 2005a,Out-of-field photon and neutron dose equivalents from step-and-shootintensity-modulated radiation therapy Int.J.Radiat.Oncol.Biol.Phys.62,1204–16；Hall E J and Wuu S 2003,Radiation-induced second cancers:the impact of3DCRT and IMRT Int.J.Radiat.Oncol.Biol.Phys.56,83–88.)。如果不对IMRT计划进行严格的剂量验证，则有可能出现高剂量误差，这将导致严重的放射治疗事故发生(Webb S,1997,The Physics of Conformal Radiotherapy(Bristol:Institute of PhysicsPublishing)；Vanhavere F,Huyskens D and Struelens L 2004Peripheral neutron andgamma doses in radiotherapy with an18MV linear acceleratorRadiat.Prot.Dosim.110,607–12)。因此，临床上为了保证调强射野输出剂量准确性，必须对调强放疗计划进行精心的设计与准确的剂量验证。

从剂量学方面讲，IMRT技术的剂量学优势是在治疗区域形成高度适形的剂量分布，而在危及器官区域剂量发生陡降。因此，IMRT技术给放疗工作人员特别是放疗物理师提出了一个新的挑战——如何使治疗计划能够正确的实施到患者身上。这就要求在执行IMRT治疗之前，要清楚照射野在患者体内可能的剂量分布，严格限制误差在一定范围内，即在治疗之前，要求进行质量控制(quality control,QC)和质量保证(quality assurance,QA)工作(M Stasi,et al.D-IMRT verification with a 2D pixel ionization chamber:dosimetric and clinical results in head and neck cancer.Phys.Med.Biol.50(2005),4681–4694)。

作为QC和QA工作的重要组成部分，IMRT的剂量验证工作是保证患者能够得到正确的治疗的关键。IMRT的剂量验证分为两个方面：绝对剂量验证和相对剂量验证。验证的方式有胶片和电离室结合测量相对剂量和绝对剂量、采用半导体矩阵或电离室矩阵测量相对剂量以及使用蒙特卡罗(Monte Carlo)算法模拟等。

目前，以模体内剂量实测为基础的验证，仍然是最为常用的个体化调强剂量验证技术。通常采用所谓的“均匀体模计划移植间接类比法”，其步骤如下：1、按照临床放疗要求，医务人员对患者进行CT扫描，并在TPS中进行病人放疗计划设计；2、用CT扫描有机玻璃、或固体水制作的均匀模体，获得体模的CT图像。这些模体中可插入电离室进行点剂量测量；3、将体模的CT图像输入放疗计划系统中，进行体模的三维重建，同时获取体模的三维电子密度信息；4、利用TPS将病人放疗计划的全部照射参数移植到该体模CT图像中，在体模内再次进行剂量分布计算，得到体模中电离室测量点的剂量值；5、按照计划设计参数，控制医用加速器，对体模中进行模拟照射，在照射过程中，用电离室测量关注点的剂量值，再将所测剂量值或二维剂量分布与第4步的体模中计算值进行比较。

现有的治疗计划绝对剂量验证方法之一主要使用单个电离室和固体水模体。在IMRT治疗计划得到确认后，将电离室插入固体水模体中心，进行CT扫描，在计划系统上进行数字影像重建，勾画靶体外轮廓和电离室探头轮廓，设定电离室探头中心为坐标原点；移植IMRT治疗计划至模体，使等中心位于坐标原点出，重新计算模体的剂量分布。最后对模体按照IMRT治疗计划进行照射，获取测量点的物理吸收剂量绝对值，与该点计划剂量进行比较。

现有技术的缺点：

1.放射治疗计划绝对剂量验证中电离室插入固体模体后位置不能再更改，且电离室金属电极将影响模体的CT电子密度曲线(CT水等效系数曲线)，因此验证范围和待测点剂量精确度存在局限。

2.常规放射治疗计划绝对剂量验证方法一次只能测量一个点，对于有若干个验证点的IMRT治疗计划，需要重复进行模体照射和测量，因此完成一个计划的验证耗时太长，成本高，系统误差大。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种三维剂量验证装置。能进行绝对剂量多模式立体测量的三维测量及基于改进的三维伽马因子算法进行剂量差异统计。

本发明的又一目的在于提供一种三维剂量验证方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种三维剂量验证装置，其主要特点在于包括计算机控制平台、拥有三维剂量测量头的多通道静电计和加持三维运动支臂的三维水模体(水箱)；计算机控制平台连接多通道静电计和三维水模体(水箱)；多通道静电计连接三维剂量测量头；三维水模体(水箱)固连三维运动支臂；三维剂量测量头固连于三维运动支臂上；计算机控制平台通过多通道静电计连接三维剂量测量头，形成测量功能；计算机控制平台通过三维运动支臂控制三维剂量测量头做空间平移运动。

所述的三维剂量验证装置，所述的三维剂量测量头由三维电离室夹具和电离室组成，并连接至多通道静电计；三维电离室夹具为一阶梯式夹具，在每一阶梯面上加持有多个微灵敏体积电离室，电离室插入方向与束流方向垂直。从束流方向看，电离室每一排彼此错开排列。

所述的三维剂量验证装置，所述的阶梯式三维电离室夹具，每一阶梯的高度为7-10mm。

所述的三维剂量验证装置，所述多通道静电计同时连接9-24个电离室；并具有与计算机直接通信的RS232数据通信接口。

所述多通道静电计，用于接收电离室电荷收集信号并转换为剂量值；多个微灵敏体积电离室通过一一对应的连接坞口连接至所述多通道静电计，用于辐射所致电荷的收集；三维电离室夹具夹持电离室后形成一个限定的空间关系排列；电离室插入三维电离室夹具时，电离室插入方向与束流方向垂直；沿束流方向观察,电离室彼此错开排列，保证上游电离室不遮挡下游电离室。所述三维电离室夹具可依据三维立体，二维平面和一维直线空间排列关系夹持电离室。

一种三维剂量验证的方法，其主要特点在于步骤为：

S1.计算机控制系统获取由治疗计划系统(TPS)生成的待验证三维计划剂量分布；

S2.计算机控制系统(5)控制水模体三维运动支臂将由电离室(3)和三维电离室夹具(2)组成的三维剂量测量头(1)运动到感兴趣位置，获取各电离室(3)对应的三维坐标值；

S3.计算机控制系统(5)基于电离室(3)三维坐标对三维计划剂量进行插值，获取感兴趣点为圆心半径3mm球体计划剂量分布；

S4.按照计划照射参数实施照射，计算机控制系统通过三维测量头(1)获得各感兴趣点对应的实测剂量；

S5.计算机控制系统(5)对各实测剂量与计算剂量进行三维伽马因子分析；

S6.获取并发布两者的差异分布。

所述的三维剂量验证的方法，其步骤还包括有：

100.计算机控制平台、多通道静电计和各电离室组成具有计算和测量各电离室对应空间位置剂量的测算模块；

200.计算机控制平台和三维水箱组成由具有记录三维剂量测量头中各电离室空间位置坐标的定位模块；

300.计算机控制平台中差异分析软件组成具有比较电离室对应计算剂量和实测剂量的差异分析模块。

所述的定位及计算模块，由计算机控制台、多通道静电计和电离室、以及三维水箱构成，计算机控制台连接三维水箱和三维测量装置，具有控制水箱三维运动支臂功能和读取由TPS给出的三维计划剂量的功能；三维剂量测量头固定于水箱中三维运动臂，控制台通过运动臂驱动三维测量台运动到感兴趣区域，并根据各电离室相对坐标和三维剂量测量头相对等中心坐标进行电离室精确定位，控制台据此进行三维插值计算，获得各电离室对应计划剂量。

所述的三维剂量验证的方法，还包括有差异分析的步骤：

S10.计算机控制系统控制获取各感兴趣点对应的三维坐标值；

S20.对三维计划剂量进行插值，获取感兴趣点为圆心半径3mm球体计划剂量分布；

S30.计算机控制系统通过三维测量装置获得各感兴趣点对应的实测剂量；

S40.根据球体中计划剂量及其坐标计算对感兴趣点实测剂量的差异；

S50.球体中各计算点遍历计算完后获取最小伽马数值，即此感兴趣点的三维伽马因子；

S60.根据条件判断计算值是否在该点通过；

S70.最后将结果归档。

三维差异分析模块，基于改进的三维伽马因子算法进行剂量差异统计，即对于每一个测量点，计算以其为圆心半径3mm球体中所有计算点对此点的伽马值；用于对各感兴趣点计划剂量和实测剂量进行对比处理，得到分布差异信息并对差异值大于预设阈值的空间位置进行标识，进而生成差异统计表。

本发明的有益效果：

效果一：本发明提供基于水模体和电离室探测器的多模式三维测量装置，可完成绝对剂量测量，二维平面相对剂量分布测量，多剖面立体测量等模式，功能多样，效率高。

效果二：本发明提供基于重离子立体测量方法和三维伽马因子分析方法的放射治疗计划三维验证装置和方法，功能多样，操作方便，验证结果直观准确，效率高，成本低，系统误差小。

1，多模式测量：绝对剂量测量比对，二维相对剂量分布测量，多剖面立体测量等模式。

2，节省时间：无需进行水模体的CT扫描、三维重建等常规步骤，节省时间；一次性测量多个感兴趣点，大多数绝对剂量验证可以在一次模拟照射过程中完成；

3，切换测量快捷：由于是水模体，因此测量点变换快捷方便，更换测量模式也无需重新进行CT扫描，重建、计划移植等步骤。

4，降低成本：一次模拟照射即可完成多个感兴趣点的剂量测量，无需多次重复照射，节约了成本。

5，降低风险：一次模拟照射即可完成多个感兴趣点的剂量测量，无需多次照射，即减少了暴露在感生放射性或者束流污染中的时间和次数，降低的误照射等安全事故风险。

6，减小系统误差：无需多次重复照射，降低了系统误差。

附图说明：

图1本发明三维剂量测量头的结构侧视图和束流视野结构图；

图2本发明的三维剂量验证装置的结构示意图；

图中：1.三维剂量测量头；2.三维电离室夹具；3.电离室；4.束流方向；5.计算机控制平台；6.三维剂量测量系统；7。多通道静电计；8.三维水模体(水箱)；9.三维运动支臂；10.线缆。

图3本发明的三维剂量验证装置的体系结构图；

图4本发明的三维剂量验证方法流程图；

图5本发明的三维剂量验证方法差异分析方法流程图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下面对本发明的内容进行详细的说明。

实施例1：见图1、图2，一种三维剂量验证装置，其包括计算机控制平台5、拥有三维剂量测量头1的多通道静电计7和加持三维运动支臂9的三维水模体(水箱)8；计算机控制平台5连接多通道静电计7和三维水模体(水箱)8；多通道静电计77连接三维剂量测量头1；三维水模体(水箱)8固连三维运动支臂9；三维剂量测量头1固连于三维运动支臂上。计算机控制平台通过多通道静电计连接三维剂量测量头，形成测量功能；计算机控制平台通过三维运动支臂控制三维剂量测量头做空间平移运动。

见图1，所述的三维剂量测量头1由三维电离室夹具2和电离室3组成，并连接至多通道静电计7，三维电离室夹具2为一阶梯式夹具，在每一阶梯面上加持有多个微灵敏体积电离室3，电离室插入方向与束流方向4垂直。从束流方向4看，电离室3每一排彼此错开排列。

所述的阶梯式三维电离室夹具2，每一阶梯的高度为7-10mm。

所述多通道静电计7同时连接9-24个电离室3；并具有与计算机直接通信的RS232数据通信接口。

所述多通道静电计7，用于接收电离室电荷收集信号并转换为剂量值；多个微灵敏体积电离室3通过一一对应的连接坞口连接至所述多通道静电计7，用于辐射所致电荷的收集；三维电离室夹具2夹持电离室3后形成一个限定的空间关系排列；电离室3插入三维电离室夹具时，电离室插入方向与束流方向4垂直；沿束流方向4观察,电离室彼此错开排列，保证上游电离室不遮挡下游电离室。所述三维电离室夹具可依据三维立体，二维平面和一维直线空间排列关系夹持电离室。

三维剂量测量头，配合多通道静电计可进行绝对剂量多模式立体测量，该测量系统包括：多通道静电计，用于接收电离室电荷收集信号并转换为剂量值的设备；多个微灵敏体积电离室，通过一一对应的连接坞口连接至所述多通道静电计，用于辐射所致电荷的收集；以及三维电离室夹具，夹持电离室后形成一个限定的空间关系排列，确保所有涉及的电离室均能不受阻碍地进行测量。所述多通道静电计具有同时连接9-12个电离室的能力，测量时能同时给出各路通道所测剂量，并具有RS232数据通信接口，可与计算机直接通信。所述三维电离室夹具限定的空间关系排列，用于确保所有涉及的电离室均能不受阻碍地进行测量，即当电离室插入三维电离室夹具时，电离室插入方向与束流方向垂直；沿束流方向观察,电离室彼此错开排列，保证上游电离室不遮挡下游电离室。所述三维电离室夹具可依据三维立体，二维平面和一维直线空间排列关系夹持电离室。

实施例2：见图3，一种三维剂量验证的方法，其主要特点在于步骤包括：

S1.计算机控制系统获取由治疗计划系统(TPS)生成的待验证三维计划剂量分布；

S2.计算机控制系统5控制水模体三维运动支臂将由电离室3和三维电离室夹具2组成的三维剂量测量头1运动到感兴趣位置，获取各电离室3对应的三维坐标值；

S3.计算机控制系统5基于电离室3三维坐标对三维计划剂量进行插值，获取感兴趣点为圆心半径3mm球体计划剂量分布；

S4.按照计划照射参数实施照射，计算机控制系统通过三维剂量测量头1获得各感兴趣点对应的实测剂量；

S5.计算机控制系统5对各实测剂量与计算剂量进行三维伽马因子分析；

S6.获取并发布两者的差异分布。

见图3，所述的三维剂量验证的方法，其步骤为：

100.计算机控制平台、多通道静电计和各电离室组成具有计算和测量各电离室对应空间位置剂量的测算模块；

200.计算机控制平台和三维水箱组成由具有记录三维剂量测量头中各电离室空间位置坐标的定位模块；

300.计算机控制平台中差异分析软件组成具有比较电离室对应计算剂量和实测剂量的差异分析模块。

所述的定位及计算模块，由计算机控制台、多通道静电计和电离室、以及三维水箱构成，计算机控制台连接三维水箱和三维测量装置，具有控制水箱三维运动支臂功能和读取由TPS给出的三维计划剂量的功能；三维剂量测量头固定于水箱中三维运动臂，控制台通过运动臂驱动三维测量台运动到感兴趣区域，并根据各电离室相对坐标和三维剂量测量头相对等中心坐标进行电离室精确定位，控制台据此进行三维插值计算，获得各电离室对应计划剂量。

实施例3：见图4，所述的三维剂量验证的方法，所述步骤300差异分析模块包括以下步骤：

S10.计算机控制系统控制获取各感兴趣点对应的三维坐标值；

S20.对三维计划剂量进行插值，获取感兴趣点为圆心半径3mm球体计划剂量分布；

S30.计算机控制系统通过三维测量装置获得各感兴趣点对应的实测剂量；

S40.根据球体中计划剂量及其坐标计算对感兴趣点实测剂量的差异；

S50.球体中各计算点遍历计算完后获取最小伽马数值，即此感兴趣点的三维伽马因子；

S60.根据条件判断计算值是否在该点通过；

S70.最后将结果归档。

三维差异分析模块，基于改进的三维伽马因子算法进行剂量差异统计，即对于每一个测量点，计算以其为圆心半径3mm球体中所有计算点对此点的伽马值；用于对各感兴趣点计划剂量和实测剂量进行对比处理，得到分布差异信息并对差异值大于预设阈值的空间位置进行标识，进而生成差异统计表。

实验验证计算例：

对步骤S20和S40的计算方式说明如下。

插值算法本实施例以三次线性插值算法为例：

三线性插值法是一种基于三维规则网格的多元插值法。利用晶格点上的数据，可以线性地在局部的立方体中间估算出一个值。它是线性插值的延伸。它在插值点周围需要8个相邻的提前确定的值。

方法：

在具有周期性和立方的晶格上，令：

x_d＝(x-x₀)/(x₁-x₀) (x₀＜x＜x₁)

y_d＝(y-y₀)/(y₁-y₀) (y₀＜y＜y₁)

z_d＝(z-z₀)/(z₁-z₀) (z₀＜z＜z₁)

本实施例中，对于每一个测量点，在三维计划剂量中对以其为圆心半径3mm的球体进行三线性插值，插值步长为0.1mm。最终获取以测量点为圆心半径3mm球体中所有空间坐标处的计算剂量值。

本实施例三维伽马因子算法介绍如下：

γ因子的定义为：

式中，

为在点处的测量剂量，为在点处的计算剂量，ΔdM为剂量差异标准，通常为3％，ΔDM为距离符合标准，通常为3mm。

γ因子，“通过-不通过”标准定义为：符合标准；不符合标准。

本实施例中，评估时，对于每一个测量点，计算以其为圆心半径3mm球体中所有计算点对此点的伽马值，最小的伽马值即为此点的伽马因子，在剂量差异标准为3％，距离符合标准为3mm的评估标准下，获取差异符合分布并归档。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三维剂量验证装置，其特征在于包括计算机控制平台、拥有三维剂量测量头的多通道静电计和加持三维运动支臂的三维水模体；计算机控制平台连接多通道静电计和三维水模体；多通道静电计连接三维剂量测量头；三维水模体固连三维运动支臂；三维剂量测量头固连于三维运动支臂上；计算机控制平台通过多通道静电计连接三维剂量测量头，形成测量功能；计算机控制平台通过三维运动支臂控制三维剂量测量头做空间平移运动；所述的三维剂量测量头由三维电离室夹具和电离室组成，并连接至多通道静电计；三维电离室夹具为阶梯式夹具，在每一阶梯面上加持有多个微灵敏体积电离室，电离室插入方向与束流方向垂直；所述的阶梯式三维电离室夹具，每一阶梯的高度为7-10mm。

2.如权利要求1所述的三维剂量验证装置，其特征在于所述多通道静电计同时连接9-24个电离室；并具有与计算机直接通信的RS232数据通信接口。

3.一种采用权利要求1或2所述装置的三维剂量验证方法，其特征在于步骤为：

S1.计算机控制系统获取由治疗计划系统生成的待验证三维计划剂量分布；

S2.计算机控制系统控制水模体三维运动支臂将由电离室和三维电离室夹具组成的三维剂量测量头运动到感兴趣位置，获取各电离室对应的三维坐标值；

S3.计算机控制系统基于电离室三维坐标对三维计划剂量进行插值，获取感兴趣点为圆心半径3mm球体计划剂量分布；

S4.按照计划照射参数实施照射，计算机控制系统通过三维剂量测量头获得各感兴趣点对应的实测剂量；

S5.计算机控制系统对各实测剂量与计算剂量进行三维伽马因子分析;

S6.获取并发布两者的差异分布。

4.如权利要求3所述的三维剂量验证方法，其特征在于步骤还包括有：

100．计算机控制平台、多通道静电计和各电离室组成具有计算和测量各电离室对应空间位置剂量的测算模块；

200．计算机控制平台和三维水箱组成由具有记录三维剂量测量头中各电离室空间位置坐标的定位模块；

300．计算机控制平台中差异分析软件组成具有比较电离室对应计算剂量和实测剂量的差异分析模块。

5.如权利要求3所述的三维剂量验证方法，其特征在于还包括有差异分析的步骤：

S10.计算机控制系统控制获取各感兴趣点对应的三维坐标值；

S20.对三维计划剂量进行插值，获取感兴趣点为圆心半径3mm球体计划剂量分布；

S30.计算机控制系统通过三维测量装置获得各感兴趣点对应的实测剂量；

S40.根据球体中计划剂量及其坐标计算对感兴趣点实测剂量的差异;

S50.球体中各计算点遍历计算完后获取最小伽马数值，即此感兴趣点的三维伽马因子；

S60.根据条件判断计算值是否在该点通过;

S70.最后将结果归档。