CN109481853A - 一种用于x射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器 - Google Patents

一种用于x射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器，其由全空和全挡两组准直器单元组成，全空准直器单元能够使得X射线在其中通过，全挡准直器单元的透射率不大于3％，使得X射线不能够在其中通过，其中全空准直器单元的四个侧端面设计为能溯源到X射线源靶中心(点)的梯形端面，构成四面聚焦。全空和全挡准直器单元按类似两维棋盘方式排列,组成蜂窝式准直器组。根据本发明的蜂窝式准直器组中的每一个全空准直器单元能够对每个进入该全空单元中的X射线笔形束进一步准直,使其每束的半高宽降至3mm‑8mm。

Description

一种用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器
技术领域
本发明涉及一种用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器，其用于X射线笔形束扫描调强放射治疗(X-ray Pencil Beam Scanning intensity modulationradiotherapy,X-PBS-IMRT)。
背景技术
癌症已成为危害人类健康的主要杀手，是威胁我国国民健康的主要疾病之一。当前，放射治疗仍是治疗恶性肿瘤的主要手段之一，约有65％-70％以上的肿瘤患者需要不同程度地接受放射治疗。
当前，肿瘤放射治疗技术已由2D放射治疗时代进入3D治疗时代，出现了三维适形(3D-CRT)和调强放射治疗(IMRT)、立体定向放射治疗(如X刀(X-knife)、伽玛刀(γ-knife)治疗)技术等，进入了以调强放射治疗(IMRT)为特征，图像引导技术(IGRT)为保证的精确治疗时代，从而显著地提高了肿瘤靶区的剂量，减少正常组织受量，更好地保护要害器官，提高了疗效，并显著改善了患者疗后生存质量。
不论使用X射线，还是使用高能电子束、质子束、碳离子束等，均要使用调强放射治疗(Intensity Modulation Radio-Therapy，IMRT)技术，它已成为当代放射治疗的主流治疗技术。目前，X射线调强放射治疗(X-IMRT)技术主要使用多叶准直器(Multi-Leaf Collimator，MLC)，通过单个(或一组)叶片的运动和停留，改变叶片形成的射野(子野)的束流通过的时间；或改变相对叶片的运动时间，调节束流到达患者肿瘤(靶区)的强度(即剂量)。目前，用MLC作调强分成两大类：MLC整野(即锥形束)调强和MLC扇形束(即断层)调强。MLC整野(即锥束)调强又分为：MLC静态调强、MLC动态调强、MLC动态旋转调强(即容积调强)等三种方法。而MLC扇形束(即，断层)调强以沿患者纵轴方向将患者的肿瘤切成一定厚度的切片、并用相同厚度的扇型束绕患者纵轴旋转，通过MLC叶片的“开”、“关”，调整叶片下束流到达患者肿瘤的时间，进行切片断层式调强，称为TOMO放射治疗。由于上述原因，MLC已成为当代医用加速器(包括鈷-60治疗机)的标准配置。由于既要方便叶片运动，又不能让射线漏射太多，因此MLC叶片间多数采取凹凸槽结构、用机械紧配，每个叶片用微型步进电机驱动。安装在治疗机上的MLC的单个叶片在每天临床治疗中要运动成千上万次，因此微型步进电机极易损坏，造成医用加速器的临床停机率的80％-90％涉及MLC故障。此外，MLC的制造成本也很高，软硬件购置成本约占整个加速器系统的1/3左右，并且在临床使用中，执行MLC的质量保证(QA)和质量控制(QC)费时费力，消耗大量人力、物力。
瑞典科学家于上世纪80年代中期提出X射线笔形束扫描概念(X-ray Pencel BeamScanning Intensity Modulation)，用电磁偏转电子束技术，实施X射线笔形束扫描。电磁偏转电子束技术已在现代电视机中被广泛使用，快速、稳定、可靠、空间分并力高。因此，与用MLC调强技术相比，用电子束的快速电磁偏转代替MLC叶片运动，具有调强速度快、精度高、无机械运动故障等优点。但是，虽然采取了对电子束打靶材料、靶厚度，以及电子束能量的优化设计，但常规的电子束击靶后的X射线笔形束的半高宽(Full Width Half Maximum，FWHM)在源轴距离(Source to Axis Distance，SAD)处约为3cm-5cm，作为调强笔形束扫描的射野过大，其不能满足临床调强放射治疗的需求。
公开于本发明的背景部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提供一种所述用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器，其能够对每一束X射线笔形束进一步准直,使其每束的半高宽降至3mm-8mm。
根据本发明的各个方面，用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器，所述蜂窝式准直器包括：一组全空准直器单元，其能够使得X射线在其中通过；一组全挡准直器单元，其透射率不大于3％，使得X射线不能够在其中通过，其特征在于，所述全空准直器单元与所述全挡准直器单元按类似二维棋盘式交替联结，构成蜂窝式准直器组。
优选地，所述用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器的每个全空准直器单元的四个端面形成为梯形锥面，所述锥面的延长面溯源聚焦于X射线源的电子击靶点，从而构成四面聚焦。
优选地，组成蜂窝式准直器的全空准直器单元和全挡准直器单元的数量相同，并且每个全空准直器单元和每个全挡准直器单元的截面大小、形状、高度都相同。
优选地，所述用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器的近X射线源的电子击靶点侧的表面以及近患者侧的表面分别位于以X射线源的电子击靶点为圆心的两个圆弧面上。
优选地，所述全挡准直器单元由钨合金铸造，其高度为6cm至10cm。
优选地，所述全空准直器单元和所述全挡准直器单元中的每一个的横截面为正方形，该横截面的面积等于在源轴距离处与射线中心轴垂直的平面上的X射线笔型束的投影大小，并以50％剂量线的横向距离定义。
优选地，在所述用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器围绕其中心轴旋转±90度后，全空准直器单元和全挡准直器单元的位置互换。
优选地，当所述用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器与具有笔形电子束电磁扫描功能的加速器联用时，其安装在所述加速器的治疗机头内并位于近患者的一侧。
根据本发明的示例性实施方案的所述用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器，通过对进入每一个全空准直器单元的每一束X射线笔形束进一步准直，从而进一步有效降低X射线笔形束的半高宽。
通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体描述，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将更为具体地变得清楚或得以阐明。
附图说明
图1A为根据本发明示例性实施方案的用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器的纵截面示意图。
图1B和图1C分别显示了根据本发明示例性实施方案的用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器在旋转之前和之后的沿图1A中的线I-I的横截面示意图。
图2为根据本发明示例性实施方案的X射线在通过用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器之前和之后的X射线笔形束的束流截面分布的比较示意图。
图3为根据本发明示例性实施方案的用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器安装在具有电子束磁偏转系统加速器后的使用示意图。
在这些图中，贯穿附图的多幅图，相同的附图标记涉及本发明的相同或等同的部分。
应当了解，所附附图并非按比例地绘制，显示了说明本发明的基本原理的各种特征的略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
附图标记说明
10用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器
1全空准直器单元 2全挡准直器单元
20一级准直器 30二维矩阵电离室
40X射线靶 50扫描磁铁
60X射线笔形束。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的示例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，应当理解本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等价形式及其它实施方案。
下面将参考附图对本发明的示例性实施方案进行详细描述。
参见附图3，经过扫描磁铁50沿A-B方向和G-T方向的高能入射电子束轰击X射线靶40(例如：为5mm钨/7.25mm铜靶)，从而产生高能X射线笔形束60。通过控制扫描磁铁50对电子束进行的扫描而使得电子束偏转，从而改变其击靶方向，进而改变X射线笔形束60的射出方向。通过由治疗计划系统(TPS)输出到医用加速器的计算机控制软件，可快速地改变扫描磁铁50的电流强度，从而快速地改变高能电子束的击靶方向和击靶时间，实现对肿瘤(靶区)内某一第i个体积单元(xi；yi；zi)预定剂量的调强照射。
如图1A所示，根据本发明的用于X射线笔形束扫描调强放射治疗的准直器组件1包括：蜂窝式准直器10、一级准直器20和二维矩阵电离室30，并且按照距离X射线靶40的距离从近至远依次同轴线(该轴线穿过X射线靶40、一级准直器20、二维矩阵电离室30以及蜂窝式准直器10的中心)地设置有一级准直器20、二维矩阵电离室30以及蜂窝式准直器10。其中，所述蜂窝式准直器10包括结合在一起的多个全空准直器单元11和多个全挡准直器单元12,并可围绕其中心轴旋转。
仍如图1A所示，所述蜂窝式准直器10的四个侧端面的延长面溯源聚焦于X射线靶40的电子束击靶点，因此电子束击靶后所产生的每束X射线笔形束60能够准确地到达蜂窝式准直器10，并能够穿过蜂窝式准直器10的相应的全空准直器单元11。
如图1B和图1C所示，优选地，所述多个全挡准直器单元12和全空准直器单元11中的每个设置为相互交替地结合(即，每个全挡准直器单元和全空准直器单元沿水平和竖直方向均交替地设置)，从而构成蜂窝式准直器10。优选地，所述全空准直器单元11和全挡准直器单元12数量相同，并且每个单元的截面大小、形状、高度也相同，相互位置交错联接，构成蜂窝式准直器10。
优选地，所述全挡准直器单元12由钨合金铸造，高度为6cm-10cm，(其具体高度数值依据所使用的X射线的能量所确定)。其使得X射线的透射率不大于3％，从而使得X射线几乎不能通过全挡准直器单元12，而所述全空准直器单元11则设置为使得X射线全部通过，并对从其通过的X射线笔形束进一步准直，从而使束流的半高宽降低。
全空准直器单元11和全挡准直器单元12，在治疗机架的某一转角(Ga)位置，通过上述对高速电子的快速扫描,完成对所有全空准直器单元下的肿瘤(靶区)的调强照射，然后蜂窝式准直器10围绕其旋转轴线旋转90度,全空准直器单元与全挡准直器单元的位置互换(见图1B和图1C)。重复进行类似上述的扫描过程,完成原全挡准直器单元下的肿瘤(靶区)的调强照射，从而能够够对每一束X射线笔形束进一步准直,使其半高宽降至3mm-8mm。
由全空准直器单元11和全挡准直器单元12组成的蜂窝式准直器10为具有类似于正四面棱台的形状，其四个侧表面形成为梯形形状(如图1A所示)，从而使得结合后的蜂窝式准直器10的每个准直器单元具有四个锥面，并且锥面的延长面溯源聚焦于X射线靶40的电子击靶点，构成四面聚焦。此外，由全空准直器单元12和全挡准直器单元11构成的蜂窝式准直器10的靠近X射线靶40侧的顶部表面和靠近患者侧的底部表面分别为以X射线靶40的电子击靶点为圆心的圆孤面(如图1A所示)。
全空准直器单元和全挡准直器单元中的每一个的在距离X射线靶40的电子击靶点的同一水平处的横截面形状为大小相等的正方形，该横截面的面积等于在源轴距离(SAD)处X射线笔形束在与射线中心轴(其与蜂窝式准直器的旋转轴线重合)垂直的平面上的投影面积，并以50％剂量线的横向距离定义。
全空准直器单元11和全挡准直器单元12的垂直高度H为6cm-10cm(如图1A所示)，具体尺寸可依据所使用的X射线的能量的大小来进行选择。
图2显示了在X射线笔形束依次通过X射线靶40、一级准直器20和二维矩阵电离室30后而分别在通过蜂窝式准直器10之前和之后的束流截面分布比较示意图，其中横坐标表示X射线笔形束在垂直于射线中心轴的平面上的投影宽度，而纵坐标表示X射线笔形束的X射线源的能量注量的相对强度大小。由图2可见，其中曲线A为X射线笔形束60通过全空准直器单元11之前的高斯形截面剂量分布，而曲线B为X射线笔形束60通过全空准直器单元之后的高斯形截面剂量分布。如图2所示，曲线A的半高宽(FWHM A)(图2中纵坐标表示的50％强度处)大于曲线B的半高宽(FWHM B)，因此曲线A的笔形束不适宜于用作调强放射治疗，而曲线B为该X射线笔形束60在通过全空准直器单元进行准直之后呈现的高斯形截面剂量分布，其半高宽已大为减少，因而可实现类似于用于X射线的立体定向调强放疗治疗(SRT/SBRT)所需要的最小射野的笔形束。
如上所述，根据本发明的示例性实施方案的用于X射线笔形束扫描调强放射治疗的准直器组件，通过对每一束X射线笔形束进一步准直,从而进一步有效降低X射线笔形束的半高宽。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不旨在成为穷举的，也并不旨在把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (8)

1.一种用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器，所述蜂窝式准直器包括：
一组全空准直器单元，其能够使得X射线在其中通过；
一组全挡准直器单元，其透射率不大于3％，使得X射线不能够在其中通过，
其特征在于，所述全空准直器单元与所述全挡准直器单元按类似二维棋盘式交替联结，构成蜂窝式准直器组。
2.根据权利要求1所述的用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器，其特征在于，所述用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器的每个全空准直器单元的四个端面形成为梯形锥面，所述锥面的延长面溯源聚焦于X射线源的电子击靶点，从而构成四面聚焦。
3.根据权利要求1所述的用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器，其特征在于，组成蜂窝式准直器的全空准直器单元和全挡准直器单元的数量相同，并且每个全空准直器单元和每个全挡准直器单元的截面大小、形状、高度都相同。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器，其特征在于，所述用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器的近X射线源的电子击靶点侧的表面以及近患者侧的表面分别位于以X射线源的电子击靶点为圆心的两个圆弧面上。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器，其特征在于，所述全挡准直器单元由钨合金铸造，其高度为6cm至10cm。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器，其特征在于，
所述全空准直器单元和所述全挡准直器单元的每一个的横截面为正方形，该横截面的面积等于在源轴距离处与射线中心轴垂直的平面上的X射线笔型束的投影大小，并以50％剂量线的横向距离定义。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器，其特征在于，
在所述用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器围绕其中心轴旋转±90度后，全空准直器单元和全挡准直器单元的位置互换。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器，当所述用于X射线笔形束扫描调强治疗的蜂窝式准直器与具有笔形电子束电磁扫描功能的加速器联用时，其安装在所述加速器的治疗机头内并位于近患者的一侧。
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GR01 Patent grant
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