CN108535696A - 质子布拉格峰在线定位方法及监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种质子布拉格峰在线定位方法及监测装置，建立直角坐标系，确定介质内部目标区域的坐标范围；在介质外表面设置至少三个声波探测器，并确定三个声波探测器在直角坐标系内的坐标参数；质子出束触发三个声波探测器进行声波信号采集，记录声波信号从布拉格峰处到声波探测器的飞行时间；利用飞行时间参数反演出布拉格峰的坐标参数；将反演得到的布拉格峰的坐标参数与目标区域进行比较，判断是否重合；实现质子布拉格峰在线定位。本发明与现有技术相比，能够在线反馈出质子布拉格峰的位置，可以在质子治疗过程中对质子出束轨迹进行实时调整。该系统仅采用了三个声波探测器，比电离室等核成像设备要便宜很多，从而大大降低了应用成本。

Description

质子布拉格峰在线定位方法及监测装置

技术领域

本发明涉及质子治疗设备和声学定位领域，特别是一种质子布拉格峰在线定位方法及监测装置。

背景技术

质子放射治疗设备是一种精确治疗癌症的设备，和传统的光子治疗或者电子治疗设备相比，质子治疗设备最大的优势在于质子的布拉格峰(Bragg peak)物理特性。

用质子照射时，质子在人体内的剂量分布曲线先缓慢上升后逐渐变快，直到布拉格峰处产生最大剂量分布，之后曲线快速下降并趋于零。质子束的布拉格峰特性使肿瘤处接受到最大的剂量值，而使肿瘤后面正常的组织器官避免受到辐射的伤害。

但是现有技术中，质子精确治疗受到布拉格峰位置的不确定性的制约，该不确定性会引起肿瘤部位的照射剂量不足，或者肿瘤周围器官的照射剂量过多。常见的确定质子射程的方法包括正电子发射断层扫描成像(例如专利文献CN 105792888 A)和瞬发伽马成像(例如专利文献CN 106291656 A)。但是，正电子发射断层扫描成像技术具有低空间分辨率、无实时性等缺点；瞬发伽马成像技术对伽马相机的性能要求很高，还存在次级中子污染的问题。

质子束在人体组织或其他介质中传播过程中，存在着能量的沉积，引起传播路径上的局部生热，由于热胀冷缩效应而向四周传输声波。因此，可以利用质子诱导的声波来对质子沉积剂量最大的布拉格峰进行定位。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种质子布拉格峰在线定位方法及监测装置，能够实现质子治疗过程中对布拉格峰进行在线定位。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种质子布拉格峰在线定位方法，包括以下步骤：

s1、建立直角坐标系，确定介质内部目标区域的坐标范围；

s2、在介质外表面设置至少三个声波探测器，并确定各个声波探测器在直角坐标系内的坐标参数；

s3、质子出束的同时，触发各个声波探测器进行声波信号采集，记录声波信号从布拉格峰处到声波探测器的飞行时间；

s4、利用飞行时间参数反演出布拉格峰的坐标参数；

s5、将反演得到的布拉格峰的坐标参数与目标区域进行比较，判断是否重合；

通过以上步骤实现质子布拉格峰在线定位。

优选的方案中，在步骤s5中，若重合，不调整质子出束轨迹，若不重合，则需要调整质子出束轨迹。

优选的方案中，将质子出束的时刻定义为诱导声波传播的初始时刻。

优选的方案中，将质子束诱导的声波视为布拉格峰处的一个点源，所述的点源声波以球面波的形式传播，波速视为定值。

优选的方案中，所述的声波探测器与计算机电连接，计算机用于接收声波探测器发送的声波时间序列信号。

优选的方案中，利用计算机提取声波信号从出束至达到最大值的时间，即为声波信号从布拉格峰处到声波探测器的飞行时间。

优选的方案中，在步骤s4中，利用计算机通过三维定位公式计算得到布拉格峰的坐标参数。

优选的方案中，所述的三维定位公式为：

式中：

x、y、z为坐标参数，v为波速，t为声波信号从布拉格峰处到声波探测器的飞行时间。

一种采用上述的质子布拉格峰在线定位方法的监测装置，其特征是：至少包括三个声波探测器，各个声波探测器布置在布拉格峰后方的介质外表且互不靠近的位置，声波探测器用于检测声波的强度。

优选的方案中，所述的声波探测器为压电陶瓷传感器或压电耦合单电子晶体管。

本发明提供的一种质子布拉格峰在线定位方法及监测装置，与以正电子发射断层扫描成像和瞬发伽马成像为代表的现有技术相比，能够在线反馈出质子布拉格峰的位置，可以在质子治疗过程中对质子出束轨迹进行实时调整。该系统仅采用了三个声波探测器，比电离室等核成像设备要便宜很多，从而大大降低了应用成本。本发明使用的反演布拉格峰具体坐标位置的算法简单，计算机的运算时间短，提高了质子布拉格峰定位的效率，用于质子治疗癌症时，能够提高治疗的效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的监测示意图。

图2为本发明的监测流程图。

图1中：第一声波探测器D1，第二声波探测器D2，第三声波探测器D3，第,四声波探测器D4，质子出束轨迹P，布拉格峰位置P0。

具体实施方式

实施例1：

如图1、2所示，一种质子布拉格峰在线定位方法，包括以下步骤：

s1、建立直角坐标系，确定介质内部目标区域的坐标范围；

s2、在介质外表面设置至少三个声波探测器，并确定各个声波探测器在直角坐标系内的坐标参数；

s3、质子出束的同时，触发各个声波探测器进行声波信号采集，记录声波信号从布拉格峰处到声波探测器的飞行时间；

s4、利用飞行时间参数反演出布拉格峰的坐标参数；

s5、将反演得到的布拉格峰的坐标参数与目标区域进行比较，判断是否重合；

通过以上步骤实现质子布拉格峰在线定位。

优选的方案中，在步骤s5中，若重合，不调整质子出束轨迹，若不重合，则需要调整质子出束轨迹。

优选的方案中，将质子出束的时刻定义为诱导声波传播的初始时刻。

优选的方案中，将质子束诱导的声波视为布拉格峰处的一个点源，所述的点源声波以球面波的形式传播，波速视为定值。介质视为各向同性介质。本例中的介质可以是人体组织。

优选的方案中，所述的声波探测器与计算机电连接，计算机用于接收声波探测器发送的声波时间序列信号。

优选的方案中，利用计算机提取声波信号从出束至达到最大值的时间，即为声波信号从布拉格峰处到声波探测器的飞行时间。

优选的方案中，在步骤s4中，利用计算机通过三维定位公式计算得到布拉格峰的坐标参数。

优选的方案中，所述的三维定位公式为：

式中：

x、y、z为坐标参数，v为波速，t为声波信号从布拉格峰处到声波探测器的飞行时间。

上述公式得到一对关于三个声波探测器所在的平面对称的真实解和镜像解，进一步优选的，选取平面两侧中靠近质子束一侧的真实解，排除另一侧的镜像解，该真实解即为布拉格峰的坐标参数。

实施例2：

一种采用上述的质子布拉格峰在线定位方法的监测装置，至少包括三个声波探测器，各个声波探测器布置在布拉格峰后方的介质外表且互不靠近的位置，声波探测器用于检测声波的强度。

在实施例1的基础上，一种采用上述的质子布拉格峰在线定位方法的监测装置，包括四个声波探测器，例如图1中的第一声波探测器D1，第二声波探测器D2，第三声波探测器D3，第四声波探测器D4。

四个声波探测器布置在布拉格峰后方的介质外表且互不靠近的位置，声波探测器用于检测声波的强度。当监测到的声波达到峰值，可以确定为质子布拉格峰位置诱导发出的声波。

利用计算机通过四个探测器的三维定位公式计算得到布拉格峰的坐标参数，所述的三维定位公式为：

式中：

x、y、z为坐标参数，v为波速，t为声波信号从布拉格峰处到声波探测器的飞行时间。

上述公式得到唯一解，即为布拉格峰的坐标参数。

实施例3：

在实施例1、2的基础上，更具体的实例为：如图1和2所示，在质子出束治疗前，首先建立一个三维的垂直坐标系，然后利用CT成像技术确定病人体内肿瘤治疗区域的坐标范围，并确定四个安放于病人体表的第一声波探测器D1、第二声波探测器D2、第三声波探测器D3和第四声波探测器D4的体位置的坐标参数(x₁,y₁,z₁)、(x₂, y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)。

调整质子治疗头的位置和角度，以及质子出束的能量，使质子出束轨迹P处于所希望的位置。在质子出束治疗的同时，触发四个声波探测器进行声波信号的采样，当声波信号达到最大值时，由于质子出束时到诱导出声波的过程很短，与光速量级接近，因此将质子出束时到诱导出声波的时间忽略，从而获取声波信号的飞行时间t₁、t₂、 t₃和t₄，假定声波在人体内传播速度为定值v。将上述参数信息存储到计算机中，这样计算机可以反演出质子束的布拉格峰位置P0的坐标参数(x₀,y₀,z₀)。

用布拉格峰位置的坐标参数与之前用CT成像获得肿瘤治疗区域做对比，如果布拉格峰位置位于肿瘤治疗区域内，则保持质子出束轨迹不变，继续进行质子治疗；如果布拉格峰位置偏离了肿瘤治疗区域，则通过调整质子出束的轨迹使布拉格峰的位置对准到肿瘤治疗区域。

反演布拉格峰位置的算法公式如下。根据声波从布拉格峰到四个声波探测器的飞行距离，可以建立如下四个方程：

通过以上方程组，可以分别求解出布拉格峰位置的三个坐标参量，即：

其中，

以及

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种质子布拉格峰在线定位方法，其特征是包括以下步骤：

s1、建立直角坐标系，确定介质内部目标区域的坐标范围；

s2、在介质外表面设置至少三个声波探测器，并确定各个声波探测器在直角坐标系内的坐标参数；

s3、质子出束的同时，触发各个声波探测器进行声波信号采集，记录声波信号从布拉格峰处到声波探测器的飞行时间；

s4、利用飞行时间参数反演出布拉格峰的坐标参数；

s5、将反演得到的布拉格峰的坐标参数与目标区域进行比较，判断是否重合；

通过以上步骤实现质子布拉格峰在线定位。

2.根据权利要求1所述的一种质子布拉格峰在线定位方法，其特征是：在步骤s5中，若重合，不调整质子出束轨迹，若不重合，则需要调整质子出束轨迹。

3.根据权利要求1所述的一种质子布拉格峰在线定位方法，其特征是：将质子出束的时刻定义为诱导声波传播的初始时刻。

4.根据权利要求3所述的一种质子布拉格峰在线定位方法，其特征是：将质子束诱导的声波视为布拉格峰处的一个点源，所述的点源声波以球面波的形式传播，波速视为定值。

5.根据权利要求1所述的一种质子布拉格峰在线定位方法，其特征是：所述的声波探测器与计算机电连接，计算机用于接收声波探测器发送的声波时间序列信号。

6.根据权利要求5所述的一种质子布拉格峰在线定位方法，其特征是：利用计算机提取声波信号从出束至达到最大值的时间，即声波信号从布拉格峰处到声波探测器的飞行时间。

7.根据权利要求1所述的一种质子布拉格峰在线定位方法，其特征是：在步骤s4中，利用计算机通过三维定位公式计算得到布拉格峰的坐标参数。

8.根据权利要求7所述的一种质子布拉格峰在线定位方法，其特征是：所述的三维定位公式为：

式中：

x、y、z为坐标参数，v为波速，t为声波信号从布拉格峰处到声波探测器的飞行时间。

9.一种采用权利要求1～8任一项所述的质子布拉格峰在线定位方法的监测装置，其特征是：至少包括三个声波探测器，各个声波探测器布置在布拉格峰后方的介质外表且互不靠近的位置，声波探测器用于检测声波的强度。

10.根据权利要求9所述的一种质子布拉格峰在线定位方法，其特征是：所述的声波探测器为压电陶瓷传感器或压电耦合单电子晶体管。