CN108853752A - 囊状施照器及确定其中的散射箔、调制器厚度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于放疗的囊状施照器及确定其中的散射箔、调制器厚度的方法。根据一实施例，一种用于放疗的囊状施照器可包括：外壳，具有带开口的中空囊状结构，散射箔，设置在所述中空囊状结构的开口处，配置为接收第一辐射，对所述第一辐射进行散射，同时将第一辐射的一部分转换为第二辐射，以及调制器，设置在所述中空囊状结构内部，配置为调制包括所述第一辐射和所述第二辐射的混合辐射的强度。其能够将电子束部分转换为X射线，并调制电子和X射线混合束的强度，在囊状施照器表面以外区域形成均匀的剂量分布，用于囊状肿瘤，包括球囊状、管状以及其它类囊状肿瘤的放射治疗。

Description

囊状施照器及确定其中的散射箔、调制器厚度的方法
技术领域
本发明总体上涉及放疗领域，更特别地，涉及一种用于放疗的囊状施照器及确定其中的散射箔、调制器厚度的方法。
背景技术
电子束是肿瘤放疗中使用到的射线源之一，多用于腹部(如肝脏、胰腺等)肿瘤的术中放疗(Intra-Operative Radiation Therapy，IORT)和呈平面分布的表浅肿瘤的外照射放疗。对于球囊状肿瘤(如乳腺癌和脑瘤的手术瘤床)的IORT和管状肿瘤(如阴道癌、口腔癌等)的腔内治疗，目前的电子束照射技术无法实现非平面剂量分布的照射。
发明内容
为了将电子束更好地应用于放射治疗，本发明提供了一种可用于电子束放疗的囊状施照器及其设计方法，更具体而言，确定囊状施照器中的散射箔和调制器的厚度的方法。本发明的囊状施照器能够将电子束部分转换为X射线，并且调制电子束和X射线混合辐射的强度，在囊状施照器的表面以外区域形成均匀的剂量分布，用于囊状肿瘤(包括球囊状、管状以及其它类囊状肿瘤)的放射治疗，从而拓展电子束放疗的应用领域。
根据一示例性实施例，提供一种用于放疗的囊状施照器，包括：外壳，具有带开口的中空囊状结构；散射箔，设置在所述中空囊状结构的开口处，配置为接收第一辐射，并对所述第一辐射进行散射，同时将第一辐射的一部分转换为第二辐射；以及调制器，设置在所述中空囊状结构内部，配置为调制包括所述第一辐射和所述第二辐射的混合辐射的强度。
在一些示例中，优选地，所述散射箔具有优化的厚度，以保证在达到预定的第一辐射散射角的同时，又保持预定的混合辐射的强度。
在一些示例中，优选地，所述调制器具有优化的厚度，以使得所述混合辐射在所述外壳的外表面上具有期望的强度分布。
在一些示例中，所述第一辐射是电子束辐射，所述第二辐射是X射线辐射。
在一些示例中，所述外壳包括刚性的软组织等效材料，以支承所述散射箔和所述调制器。
在一些示例中，所述中空囊状结构包括球形囊状、管形囊状、或与待放疗肿瘤区对应的不规则囊状。
在一些示例中，所述囊状施照器还包括：限光筒，在所述外壳的开口处连接到所述外壳，所述第一辐射通过所述限光筒照射到所述散射箔上。
在一些示例中，所述限光筒与所述外壳形成为一体结构。
在一些示例中，所述调制器的外表面接触所述外壳的内表面。
在一些示例中，所述散射箔包括高原子序数的材料，其可以在较大的散射角范围内产生X射线。
在一些示例中，所述散射箔的厚度经过优化，保证在较大的散射角范围内产生X射线还能保留足够的混合辐射强度，进而保持较高的剂量率。
在一些示例中，所述调制器与穿过散射箔的混合辐射发生相互作用，以调制混合辐射的强度。
在一些示例中，所述调制器包括低原子序数的材料，其可以调制X射线强度，但不易产生光电子。
在一些示例中，所述调制器的厚度角分布经过优化，可以调制混合辐射的强度，在囊状施照器表面以外区域形成均匀的剂量分布。
根据另一示例性实施例，提供一种用于确定囊状施照器中的散射箔厚度的方法，包括：在中空囊状结构的开口处设置N个散射箔，以将所述第一辐射散射到一个大的角度范围，同时将第一辐射的一部分转换为第二辐射，N为零或正整数，每个散射箔具有预定厚度；在所述散射箔正下方的平面内，确定对应于每个散射箔的所述第一辐射的扩散角；在所述散射箔正下方的平面与所述中空囊状施照器中心轴交点处，确定对应于每个散射箔的辐射强度；选择适当的散射箔厚度，以在达到预定的第一辐射散射角的同时，又保持预定的混合辐射的强度。
根据另一示例性实施例，提供一种用于确定上述囊状施照器中的调制器厚度的方法，包括：提供不包括所述调制器的所述囊状施照器；在所述囊状施照器的外壳内堆叠地设置N个调节层，以调节所述混合辐射的强度，N为零或正整数，每个调节层具有预定厚度；在所述囊状施照器的外壳的外表面上的多个点处，测量所述混合辐射的强度，以确定在每个点处所述混合辐射的强度与调节层厚度之间的关系曲线；基于所述关系曲线，确定在每个点处与期望的混合辐射强度对应的目标调节层厚度；以及基于所述目标调节层厚度确定在每个点处所述调制器的厚度。
在一些示例中，所述调节层与所述调制器由相同材料制成，在每个点处所述调制器的厚度等于所述目标调节层厚度。
本发明的有益效果是：使用该方法，能够将电子束部分转换为X射线，并调制X射线强度，在囊状施照器表面以外区域产生均匀的剂量分布，用于囊状肿瘤(包括球囊状、管状以及其它类囊状肿瘤)的放射治疗，拓展电子束使用范围。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1示出了根据本发明一示例性实施例的囊状施照器的结构示意图。
图2示出了根据本发明另一示例性实施例的囊状施照器的结构示意图。
图3示出了根据本发明一示例性实施例的用于确定囊状施照器中的调制器的厚度的方法的流程图。
图4示出了根据本发明一示例性实施例的在确定调制器厚度的方法中的调节层设置的示意图。
图5示出了调节层径向厚度计算方法的示意图。
图6示出了囊状施照器外壳上点的剂量和调节层径向厚度的关系曲线。
图7示出了囊状施照器表面以外区域冠状面的剂量分布。
图8示出了囊状施照器表面以外区域横断面的剂量分布。
具体实施方式
下面，将参考附图详细地描述根据本申请的示例实施例。这里，需要注意的是，在附图中，将相同的附图标记赋予基本上具有相同或类似结构和功能的组成部分，并且将省略关于它们的重复描述。注意，附图可能不是按比例绘制的。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。
图1示出根据本发明一示例性实施例的囊状施照器的结构示意图。如图1所示，囊状施照器包括外壳101，其可以为中空囊状结构，并且具有一开口。中空囊状结构可包括任意形状，例如但不限于球形囊状、管形囊状、或与待放疗肿瘤区对应的不规则囊状，为了简单和方便，这里示出了球形。外壳101的材料可以是软组织等效材料，并且其是刚性的，具有较强的硬度，以支承后面描述的散射箔102和调制器103等结构，并且可以支撑包围外壳的肿瘤区。在一种示例中，外壳可由有机玻璃、PMMA、塑料、聚酯等材料制成。
囊状施照器还包括散射箔102，其设置在外壳101的开口处。散射箔102可以接收并散射来自辐射头(未示出)的第一辐射，例如电子束，并且将第一辐射的一部分转换为第二辐射，例如X射线。由于高能电子与物质相互作用的散射角与物质原子序数平方成正比，与物质厚度成正比，所以，对于单一方向来源的电子束而言，为了在囊状施照器表面以外区域形成均匀的剂量分布，需要有较大的散射角，因此，散射箔102的材料可以选择高原子序数材料，例如高原子序数的金属钨。在另一方面，增加散射箔102的厚度也能增大散射角，但是散射箔102的厚度越大射线的剂量率越低，所以需要对散射箔102的厚度进行优化，保证在较大的散射角范围内产生足量散射线的同时，又保持较高的剂量率。
根据本发明一示例性实施例的用于确定囊状施照器中的散射箔102的厚度的方法步骤如下：第一步，在中空囊状结构的开口处设置不同数量(例如0个、1个、2个、...、10个、更多个)的散射箔，散射箔的厚度从0mm开始，逐个增加0.1mm；第二步，在散射箔正下方的平面内，确定对应于所设置的不同数量的散射箔的电子束扩散角；第三步，在散射箔正下方的平面与中空囊状施照器中心轴交点处，确定对应于所设置的不同数量的散射箔的辐射强度；第四步，选择合适的散射箔厚度，以保证在较大的散射角范围内产生足量散射线的同时，又保持较高的剂量率。从而，确定散射箔的厚度。在一示例性实施例中，剂量率为50cGy/分钟左右。确定电子束扩散角和混合辐射的强度可通过多种方法进行，例如可以通过物理测量，或者也可以通过模拟计算。例如，在每个散射箔的衰减和散射条件下，可以使用蒙特卡洛模拟方法来计算扩散角和剂量。在一示例性实施例中，散射箔102的厚度可以为0.1-2mm的范围，例如为0.5mm左右。
散射箔102的形状与外壳101的开口形状相同，能使电子束与散射箔物质发生作用。在一种实施方式中电子束为经过直径20mm圆形限光筒111的6Mev电子线，散射箔102的形状为直径20mm的圆形。为了保持较高的剂量率，散射箔102的厚度只将部分电子转化为X射线，当电子束射入到散射箔102产生作用后，得到的射线束为混合束，其中有X射线，也有电子。
继续参照图1，囊状施照器还包括调制器103，其设置在外壳101内部。应理解，在图1的示例中，外壳101为带开口的中空球形结构，调制器103紧贴外壳101的内壁设置，也就是说，在图1中，外壳由实线101示意性示出，而实线101和103之间的区域为调制器，实线103为调制器的内表面。调制器103用于调制包括第一辐射例如电子束和第二辐射例如X射线的混合辐射的强度，其可由低原子序数的材料制成，该材料能够调制混合束的强度，但是不易产生光电子。公知的是，对于特定材料，其厚度越大，对辐射的衰减就越大。为了在外壳101的表面上实现均匀的强度分布，需要调制器103在各位置处具有期望的厚度。例如，如果某位置强度高，则调制器103需要设置得厚一些，如果某位置强度低，则调制器103需要设置得薄一些，最终实现均匀的强度分布。在本发明一些实施例中，调制器103具有优化的厚度，以使得混合辐射在外壳101的外表面上具有期望的强度分布，例如均匀的强度分布，当然也可以是根据实际应用需要而非均匀的其他所需强度分布。调制器厚度的优化方法如后文所述。
图1所示的囊状施照器还可以包括限光筒111，其在外壳101的开口处连接到外壳101，电子束可通过限光筒111照射到散射箔102上。限光筒111的材料可以为有机玻璃，筒壁厚度可以为5mm。在图1的示例中，限光筒111与外壳101形成为一体结构，一体化的设计便于保持囊状施照器中散射箔102和调制器103相对于电子束的位置，从而保持射线特性。此外一体化的设计还便于简化临床操作流程，缩短放疗时间。
在另一些实施例中，如图2所示，限光筒111和外壳101可以是单独的结构，通过诸如卡扣112之类的连接结构在外壳101的开口处连接到外壳101，并且二者可以分离和组合。图2所示的施照器的其他方面与图1相同，此处不再赘述。
图3示出了根据本发明一示例性实施例的用于确定囊状施照器中的调制器103的厚度的方法的流程图。如图3所示，该方法可始于步骤S301，提供不包括调制器103的囊状施照器，即外壳101内不包括调制器103。
接下来，在步骤S302中，可以在外壳101内堆叠地设置N个调节层，以调节混合辐射的强度，N为零或者正整数，并且在步骤S303中，确定外壳101的外表面上的多个点处的混合辐射的强度，从而确定在每个点处混合辐射的强度与调节层厚度之间的关系曲线。
图4示出了在球形外壳101内设置的多个调节层的示例。如图4所示，113是电子束的入射方向，401是囊状施照器的中心轴，402是囊状施照器的几何中心，即球形外壳101的圆心，110是球形外壳101的径向方向，403是中心轴401上的一个点，404和405分别是囊状施照器开口处的两点。每个调节层具有预定的形状和厚度，在图4的示例中为月牙形，该月牙形的外圆弧和内圆弧都经过点403、404和405，并且其圆心也在中心轴401上。例如，形成月牙的弧线可以为外壳101的内壁，或者为弧线406、407等。图4中外壳101的内壁为第一个调节层的外壁，弧线406为第一个调节层的内壁，也是第二个调节层的外壁，弧线407为第N个调节层的内壁。各调节层的形状和厚度为已知的，可以设定在中心轴上各调节层之间存在1mm的厚度差。调节层的数量与穿过散射箔102后射线的特征相关，射线能量越高强度差异越大，需要越大的厚度衰减调整，因此需要的调节层数量越多。
可以确定当设置不同数量(例如0个、1个、2个、...、10个、更多个)的调节层时，外壳101的外表面上的多个点处的混合辐射的强度。例如，对于球形外壳101，可以认为外壳101的与中心轴401垂直的截面上的点处，辐射强度是相同的，因此可以取外壳101上不同极角(以圆心为极点，中心轴401为极轴，例如图5示出的角度505)处的点，确定其辐射强度，从而确定在每个点处混合辐射的强度与调节层厚度之间的关系曲线。应理解，这里可以通过插值、拟合等方法，从与调节层数量对应的多个点确定整条关系曲线。图6示出了曲线601、602和603，其分别表示外壳101上极角为0度、30度和60度三点处的辐射强度与调节层厚度之间的关系，其中散射箔102为0.5mm厚度的钨，第一辐射束为6Mev的电子束。在图6中，剂量被归一化至无调节层时的剂量，而且横坐标为调节层数，应理解，每个调节层都有预定的形状和厚度，因此调节层数目可以容易地转换成调节层厚度，这将在后面描述。
确定各个点处的混合辐射的强度可通过多种方法进行，例如可以通过物理测量，或者也可以通过模拟计算。例如，在每个调节层的衰减和散射条件下，可以使用蒙特卡洛模拟方法来计算外壳101表面以外区域每个点的剂量。
然后，在步骤S304中，基于所得到的调节层厚度与辐射强度的关系曲线，可以确定在每个点处与期望的混合辐射强度对应的目标调节层厚度。例如，如果期望辐射强度为80％，则确定与80％对应的调节层厚度，进而在步骤S305中，基于所确定的目标调节层厚度来确定在每个点处调制器103的期望厚度。
为了制作方便，调制器103的厚度可以表示为以圆心402为极点，以中心轴401为极轴，在不同极角处的厚度角分布，因此也需要计算各个调节层在该极坐标系中的厚度角分布。下面参照图5来描述调节层径向厚度的计算方法。
如图5所示，点501是第i个调节层的几何中心Ii，点502是囊状施照器的几何中心I0，即球形外壳101的圆心，点504是囊状施照器外壳表面上的一点。505和506分别是点504在以点502为极点，503虚线箭头所指方向为极轴的极坐标系下的极角θ和极径r。507是极径506与第i个调节层的交点。508和509分别是点507在以点501为极点，503虚线箭头所指方向为极轴的极坐标系下的的极角θi和极径ri。第i个调节层在极角θ处的累积厚度di由下面的公式1计算：
di(r，θ)＝r-ri0 (1)。
公式1中，ri0是点507在以点502为极点，503虚线箭头所指方向为极轴的极坐标系下的极径，
当θi∈(3π/2，π/2)时，
当θi∈[π/2，3π/2]时，
因此，根据上述公式1-3，即可计算当设置i个调节层时，调节层的累积径向厚度。应理解，这里i不一定是整数，而是根据图6中的曲线图确定的与期望剂量对应的调节层个数，其可以是大于等于零的任意值。因此，在步骤S304中，可以确定在每个点处与期望的混合辐射强度对应的目标调节层厚度，进而在步骤S305中，基于所确定的目标调节层厚度来确定在每个点处调制器103的期望厚度。在一些实施例中，调节层与调制器103可以由相同材料制成，因此在每个点处期望的调制器厚度就等于所确定的目标调节层厚度。当然，调节层与调制器103也可以由不同材料制成，此时需要根据材料属性将调节层厚度换算成调制器厚度。
图7示出本发明实施例提供的囊状施照器表面以外区域冠状面的剂量分布。图中所示为经过囊状施照器几何中心的冠状面的剂量分布，以囊状施照器的几何中心为原点，图中所示等剂量线从20％开始，以20％的步长进行绘制。在距离囊状施照器表面相等距离的位置剂量分布均匀，与囊状施照器几何形状一致。
图8示出本发明实施例提供囊状施照器表面以外区域横断面的剂量分布。图中所示为经过囊状施照器几何中心的横断面的剂量分布，以囊状施照器的几何中心为原点，图中所示等剂量线从20％开始，以20％的步长进行绘制。在以图5中点502为极点，503虚线箭头所指方向为极轴的极坐标系下，0°至155°和205°至360°的范围内，在距离囊状施照器表面相等距离的位置剂量分布均匀，与囊状施照器几何形状一致。
与现有技术相比，本发明提供的囊状施照器能够将电子束部分转换为X射线，并调制混合辐射(包括电子束和X射线)的强度，在囊状施照器表面以外区域产生均匀的剂量分布，用于囊状肿瘤(包括球囊状、管状以及其它类囊状肿瘤)的放射治疗，拓展电子束使用范围。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (12)

1.一种用于放疗的囊状施照器，包括：
外壳，具有带开口的中空囊状结构；
散射箔，设置在所述中空囊状结构的开口处，配置为接收第一辐射，并对所述第一辐射进行散射，同时将第一辐射的一部分转换为第二辐射；以及
调制器，设置在所述中空囊状结构内部，配置为调制包括所述第一辐射和所述第二辐射的混合辐射的强度。
2.如权利要求1所述的囊状施照器，其中，所述散射箔具有优化的厚度，以保证在达到预定的第一辐射散射角的同时，又保持预定的混合辐射的强度。
3.如权利要求1所述的囊状施照器，其中，所述调制器具有优化的厚度，以使得所述混合辐射在所述外壳的外表面上具有期望的强度分布。
4.如权利要求1所述的囊状施照器，其中，所述第一辐射是电子束辐射，所述第二辐射是X射线辐射。
5.如权利要求1所述的囊状施照器，其中，所述外壳包括刚性的软组织等效材料，以支承所述散射箔和所述调制器。
6.如权利要求1所述的囊状施照器，其中，所述中空囊状结构包括球形囊状、管形囊状、或与待放疗肿瘤区对应的不规则囊状。
7.如权利要求1所述的囊状施照器，还包括：
限光筒，在所述外壳的开口处连接到所述外壳，所述第一辐射通过所述限光筒照射到所述散射箔上。
8.如权利要求7所述的囊状施照器，其中，所述限光筒与所述外壳形成为一体结构。
9.如权利要求1所述的囊状施照器，其中，所述调制器的外表面接触所述外壳的内表面。
10.一种用于确定权利要求1-9中的任一项所述的囊状施照器中的散射箔厚度的方法，包括：
在中空囊状结构的开口处设置N个散射箔，以散射及转换所述第一辐射，N为零或正整数，每个散射箔具有预定厚度；
在所述散射箔正下方的平面内，确定对应于每个散射箔的所述第一辐射的扩散角；
在所述散射箔正下方的平面与所述中空囊状施照器中心轴交点处，确定对应于每个散射箔的辐射强度；
选择适当的散射箔厚度，以在达到预定的第一辐射散射角的同时，又保持预定的混合辐射的强度。
11.一种用于确定权利要求1-9中的任一项所述的囊状施照器中的调制器厚度的方法，包括：
提供不包括所述调制器的所述囊状施照器；
在所述囊状施照器的外壳内堆叠地设置N个调节层，以调节所述混合辐射的强度，N为零或正整数，每个调节层具有预定厚度；
在所述囊状施照器的外壳的外表面上的多个点处，确定所述混合辐射的强度，以确定在每个点处所述混合辐射的强度与调节层厚度之间的关系曲线；
基于所述关系曲线，确定在每个点处与期望的混合辐射强度对应的目标调节层厚度；以及
基于所述目标调节层厚度确定在每个点处所述调制器的厚度。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述调节层与所述调制器由相同材料制成，在每个点处所述调制器的厚度等于所述目标调节层厚度。
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