CN105056407A - 测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描方法及水箱系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描方法及水箱系统。所述四维自动扫描水箱系统主要由运动控制单元、剂量测量单元、自动摆位单元、计算机应用软件、箱体、支撑杆及储水库等部分构成。本系统与已有水箱相比具有如下优点：1)设计四维测量控制软件，实现四维测量新功能；2)使用线阵和面阵探测器，提高测量效率；3)具有水箱自动摆位辅助装置，提高摆位效率；4)建立水箱与加速器接口的通讯，提高测量效率。本发明能测量复杂的和(或)动态的剂量场，是研发新射线装置、新照射技术和应用它们的重要测量工具，也将为探讨器官运动影响等科学问题提供更准确的平台。

Description

测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描方法及水箱系统

技术领域

本发明涉及放射物理辐射剂量精确测量领域，特别是涉及一种测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描方法及水箱系统。

背景技术

根据国家癌症中心发布的2013年统计数据，我国每年有337万癌症新发病例和211万癌症死亡病例，癌症发病数和死亡数持续上升.目前，放疗是治疗癌症的重要手段，约60％-70％癌症患者在不同程度上接受了放射治疗。现代临床放射治疗过程中，为保证放射治疗病人按计划实施准确治疗，必须对放疗设备进行严格的质量保证(质量控制)，而质保(质控)离不开性能优良的自动扫描水箱测量系统(以下简称水箱)。

水箱可精确测量射线装置或放射源产生的剂量场，它能测量射线在水中的百分深度剂量曲线(PDD)、离轴比曲线(OAR)、组织最大比曲线(TMR)以及等剂量分布等，可自动算出射线的半影、对称性、平坦度、最大剂量点深度等特征参数，并将测量数据传输给计划系统。除了在放疗行业的应用，水箱还可用于其它放射线研究和应用领域的剂量场测量。

按照原卫生部46号令及中国计量标准JJG589-2001《外照射治疗辐射源检定规程》要求，外照射辐射源的首次检定、后续鉴定和使用中检验都需要用射束分析仪(即水箱)，规定放疗单位都必须配备水箱。另外，加速器生产商、环保部门、医疗器械检验所、放射卫生防护监管机构、计量机构等也会广泛用到自动扫描水箱系统。

目前广泛使用的水箱视其可运动空间方向的维数，分为一维、二维和三维水箱，相应的功能依次增多，结构复杂性和实现难度也依次增加。尽管现有水箱系统具有测量空间范围广，测量位置任意，组织等效性好等优点，但也存在一些明显的缺点：

1)仅能测量简单的静态的剂量场，如百分深度剂量(PDD)、水中特定深度的横断面(Profile)测量等，测量功能单一。

2)辐射探测器通常是点探测器，一次只能测量一个点的剂量，通过步进扫描或连续测量的方式获得所有需要数据，测量效率低.

3)水箱摆位过程复杂，费时费力。需调节水平，使探测器的横向移动与水面保持平行；通过旋转、平移使水箱的测量中心与加速器射野的中心对准。

4)水箱与射线装置或放射源没有通讯，需要人工来协调两者才能完成测量，操作过程复杂繁琐，这样不仅费时而且容易出错。

正是因为这几个缺点，水箱在所配备的单位中实际使用率极低。另外，随着精确放疗技术的发展，急需就器官运动对肿瘤影响的规律及快速精确地剂量验证进行详细的研究，发展有效的可以提高放疗精度的技术，现有水箱系统在硬件设计和软件功能上都无法满足复杂/动态剂量场的测量需求。

因此迫切需要新的测量方法和系统，能提高现有水箱的性能，增加其功能，扩大其应用范围，解决临床迫切需求的模拟测量靶区和危及器官在运动中所受的实际剂量等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描方法及水箱系统。

为实现上述发明目的，本发明提供一种测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描方法，所述方法不但测量剂量场在X、Y、Z方向的变化，而且测量剂量场随时间t的变化。

优选地，所述方法具有动态测量模式和静态测量模式，所述动态模式用于测量动态剂量场，具有下述多种工作方式：

1)复杂剂量场变化，探测器不动，用于调强野治疗静态肿瘤的测量；

2)简单剂量场不变，探测器运动，用于常规适形野治疗运动肿瘤的测量；

3)复杂剂量场变化，探测器运动，用于调强野治疗动态运动肿瘤的测量。

所述静态模式不但能测量简单静态剂量场，还能够使用面阵探测器快速测量复杂的静态剂量场，用于剂量验证。

本发明还提供一种测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描水箱系统。优选地，所述测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描水箱系统包括：运动控制单元、剂量测量单元、自动摆位单元、水箱体、支撑杆及储水库，支撑杆在支撑水箱体的同时不影响治疗床的平移和/或旋转，运动控制单元控制探测器的运动，自动摆位单元用于控制水箱体的摆位。

优选地，所述运动控制单元包括下位机、手动控制器、驱动电路、伺服电机、机械传动装置、丝杠或齿带、以及旋转支架，上位机和/或手动控制器通过下位机和驱动电路来驱动伺服电机，机械传动装置将伺服电机的动力传递至丝杠或齿带以及旋转支架，丝杠或齿带控制探测器在三维方向上平移运动，旋转支架固定于可平移的托架上控制探测器的旋转运动。

优选地，所述剂量测量单元中测量探测器具有便于更换的连接结构，能够选用线阵、面阵探测器实现快速高效测量，也能够使用点探测器实现基本计量学数据测量。

优选地，所述剂量测量单元中线阵、面阵探测器为半导体或电离室矩阵，其中的探测器分布均匀、灵敏度一致。

优选地，在所述剂量测量单元中，引入蒙特卡罗模拟计算修正电离室探测器的方向响应。

优选地，所述自动摆位单元利用射线束在水中的分布特性以及系统对探测器运动的精准控制，与加速器进行通信控制治疗床的运动，实现自动摆位。

优选地，在所述水箱体的外侧可设置各种固体水模块，且所述水箱体底部有转移滑轨。

优选地，所述支撑杆放在加速器机头下方，与治疗床面滚珠接触，高度可手动调节。

本四维自动扫描水箱系统针对现有水箱的缺点和放射治疗研究面临的难题，解决如下问题：针对目前水箱摆位过程复杂繁琐，实现水箱的自动调水平、自动平移、自动旋转、自动设定SSD等摆位功能；克服现有水箱测量效率低的缺点，研制可以实现快速扫描的线阵列和面阵列探测器，实现对复杂的和(或)动态的剂量场的高效率测量；实现对器官运动中靶区和危及器官所受实际剂量的模拟测量，更加准确的评价靶区和危及器官的受量。

本系统不但可以测量任意三维空间位置的数据，还能测量数据随时间的动态变化，将为研发新射线装置、新照射技术和应用它们提供重要测量工具，也将为探讨器官运动影响等科学问题提供更准确的平台。

总之，本发明除了可以用于快速高效标准剂量学测量，还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。本发明为临床放射治疗的质量保证和质量控制提供了有效手段，具有重要的科学意义和临床应用价值，将为众多的科研医疗机构服务，推动我国放疗事业的发展，同时也将提升我国高端科研仪器在国际上的竞争力。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的四维自动扫描水箱系统的总体结构示意图。

图2为根据本发明一实施例的四维自动扫描水箱系统的结构流程图。

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。

本发明的系统由该由运动控制单元、剂量测量单元、自动摆位单元、计算机应用软件、箱体、支撑杆及储水库等部分构成。支撑杆在支撑水箱体的同时不影响治疗床的平移和/或旋转，运动控制单元控制探测器的运动，自动摆位单元用于控制水箱体的摆位。

所述运动控制单元具有控制探测器按照应用软件中设计的轨迹运动的功能。在该单元模块中上位机和手动控制器通过下位机驱动伺服电机和机械传动装置带动测量探测器运动，上位机的控制信号由应用软件给出。

下位机(控制装置)是接受来自上位机的各种信息，并将这些信息加以识别、存储、运算，然后输出相应的指令，经过控制电路驱动传动装置，使探测器按照规定的要求运动。其中各驱动电路都独自工作，避免相互影响。本系统可选择基于PC总线的以DSP和FPGA为核心处理器的开放式运动控制器。下位机及驱动电路在设计时满足以下功能：

1)接收上位机指令及数据，向上位机上传当前状态；

2)故障识别并上传，故障状态下断点保护；

3)运动控制、逻辑控制(回零开关等；)

4)运动信息处理，对上位机程序指令进行校验、译码、计算等

5)开机自检并能进行相关提示；

6)通过手控盒进行手动操控；

在电机驱动方面，选择伺服电机驱动丝杠或同步带。伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，可以实现闭环控制，控制性能可靠。另外，它还具有加速性能好、运转平稳、控制精度高等特点。在传动装置方面，优选丝杠传动，其传动效率和精度高，可带动探测器准确实现各种复杂的平移旋转运动。

所述剂量测量单元实现辐射剂量的快速测量。在应用软件中完成测量数据采集、分析处理模块的设计及编写，实现数据采集、修正、可视化处理、动态显示、输出给计划系统建模等功能。本四维自动扫描水箱系统具有动态和静态测量模式。动态模式可以测量动态变化的剂量场。具有多种工作方式：

1)复杂剂量场变化，探测器不动，可用于调强野治疗静态肿瘤的测量；

2)简单剂量场不变，探测器运动，可用于常规适形野治疗运动肿瘤的测量；

3)复杂剂量场变化，探测器运动，可用于调强野治疗动态运动肿瘤的测量。静态模式不但具有三维水箱的测量简单静态剂量场的功能，还可以使用面阵探测器快速测量复杂的静态剂量场，用于剂量验证。

本系统中探测器可为电离室或半导体，剂量测量具有绝对剂量测量和相对剂量测量功能，绝对剂量测量时只使用测量探测器。相对剂量测量使用参考探测器和测量探测器，可保证剂量测量的稳定和可靠，不受加速器输出波动的影响。

测量探测器可以选择点探测器、线阵探测器或面阵探测器。同时各探测器探头还必须做到分布均匀、灵敏度一致、防水保护，以满足各种特殊测量的需求。对信号采集和处理部分的电路进行优化设计，相应的静电计、信号放大器、A/D转换电路要有多个通道，以保证信号同步、降噪、不相互干扰。

本发明采用通过蒙特卡罗模拟对不同方向入射的射束，不同面积的准直器遮挡射束所形成的剂量场分布，用于修正点探测器，线阵探测器和面阵探测器方向响应特性。根据辐射剂量测量测试标准规范IEC60731的试验方法执行剂量测试，与已有的标准剂量计测量的数据进行比对，验证剂量测量阵列中各点的响应一致性、分布均匀性、角度能量修正准确性。测试探测器的防水性能及在水中响应的稳定性。

所述自动摆位单元利用射线束在水中的分布特性通过对摆位平台控制，实现自动定水平、自动平移、自动旋转、自动寻找束流中心、自动设定SSD等功能。水箱初步摆位后，测量射线在水中的剂量分布，根据射线的分布特性和射野与水箱的相对位置关系计算出水箱需要调整的参数值。

所述应用软件为系统的主控部分，将运动控制、数据采集、自动摆位等单元集成为一体，同时也内嵌了各模块的通信、蒙特卡罗模拟修正、剂量验证算法、器官运动模拟等功能。软件主要包括如下功能：

1)测量数据采集及分析处理功能；

2)测量数据质量控制功能；

3)标准剂量学数据测量功能；。

4)自动摆位控制功能；

5)器官运动模拟编制及设定功能；

6)放疗计划验证功能。

所述水箱体由透明有机玻璃板组装粘合而成，是扫描传动机构和探测器的支承框架，要满足一定的抗压承载能力。通过水泵将储水库中的水注入到水箱中，以模拟人体内环境。水箱体底部有移动滑轨，可以将水箱转移到加速器治疗床上。可使用床面支撑杆，其与加速器床板为滚珠接触，支撑水箱体的同时不影响治疗床的平移和(或)旋转.水箱壁的外侧可加固体水模块，加大水箱的边缘散射区，增加水箱的测量范围。外加的固体水可选人体外轮廓的形状，以便能更加准确的模拟器官运动对剂量的影响。

各模块研制、性能测试完成后，要进行一体化的集成，在应用软件中也要对各模块的软件进行集成，完成系统的组装。实现各模块通信与控制的准确可靠，系统研制完成后要对系统的整体性能、指标做严格测试。

在实际应用中，四维水箱系统通过底部移动滑轨置于加速器机头下方的治疗床上，连接好各种线路及通讯接口，选定好使用的探测器。在上位机中设定运动模式、运动维度、运动轨迹等参数后，通过下位机和控制电路使步进电机带动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。探测器会测得在运动过程中吸收的辐射剂量，并通过静电计、信号放大器、A/D转换电路传送给计算机进行后续分析。

该系统的工作流程原理如图1和图2所示，其中控制箱中集成了伺服电机的驱动电路、静电计、放大器、A/D转换电路等电控部分。系统的各个部分在上位机软件的统一控制下运行，可相互协调通信。实际工作时，在应用软件中可以根据需要选择不同的工作模式，选择探测器的类型，设置其运动参数等，然后将信息传递给下位机，下位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。驱动电路接收脉冲信号后进行放大，然后驱动伺服电机运转，使探测器可以在X、Y、Z三个维度上按照设定的模式运动，来测量辐射场、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，经过静电计、放大器、滤波及A/D转换等过程将测得的数值传送给计算机。计算将采集到的数据进行整理修正，可以将其传递给计划系统供系统建模用，也可以根据摆位需要经过数据分析控制加速器治疗床，实现自动摆位的功能。

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，在不脱离本实施例主旨和原理下，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 (10)

1.一种测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描方法，其特征在于，不但测量剂量场在X、Y、Z方向的变化，而且测量剂量场随时间t的变化。

2.根据权利要求1所述的测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描方法，其特征在于，所述方法具有动态测量模式和静态测量模式，所述动态模式用于测量动态剂量场，具有下述多种工作方式：

1)复杂剂量场变化，探测器不动，用于调强野治疗静态肿瘤的测量；

2)简单剂量场不变，探测器运动，用于常规适形野治疗运动肿瘤的测量；

3)复杂剂量场变化，探测器运动，用于调强野治疗动态运动肿瘤的测量。

所述静态模式不但能测量简单静态剂量场，还能够使用面阵探测器快速测量复杂的静态剂量场，用于剂量验证。

3.一种测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描水箱系统，其特征在于，包括：运动控制单元、剂量测量单元、自动摆位单元、水箱体、支撑杆及储水库，支撑杆在支撑水箱体的同时不影响治疗床的平移和/或旋转。

4.根据权利要求3所述的测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描水箱系统，其特征在于，所述运动控制单元包括下位机、手动控制器、驱动电路、伺服电机、机械传动装置、丝杠或齿带以及旋转支架，上位机和/或手动控制器通过下位机和驱动电路来驱动伺服电机和机械传动装置，丝杠或齿带控制探测器在三维方向上平移运动，旋转支架固定于可平移的托架上控制探测器的旋转运动。

5.根据权利要求3所述的测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描水箱系统，其特征在于，所述剂量测量单元中测量探测器具有便于更换的连接结构，能够选用线阵、面阵探测器实现快速高效测量，也能够使用点探测器实现基本计量学数据测量。

6.根据权利要求5所述的测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描水箱系统，其特征在于，所述剂量测量单元中线阵、面阵探测器为半导体或电离室矩阵，其中的探测器分布均匀、灵敏度一致。

7.根据权利要求6所述的测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描水箱系统，其特征在于，在所述剂量测量单元中，引入蒙特卡罗模拟计算修正电离室探测器的方向响应。

8.根据权利要求3所述的测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描水箱系统，其特征在于，所述自动摆位单元利用射线束在水中的分布特性以及系统对探测器运动的精准控制，与加速器通信控制治疗床的运动，实现自动摆位。

9.根据权利要求3所述的测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描水箱系统，其特征在于，在所述水箱体的外侧可设置各种固体水模块，且所述水箱体底部有转移滑轨。

10.根据权利要求3所述的测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描水箱系统，其特征在于，所述支撑杆放在加速器机头下方，与治疗床面滚珠接触，高度可手动调节。