CN112076397A

CN112076397A - 用于强子治疗设备的质量保证的模体和方法

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Publication number: CN112076397A
Application number: CN202010520535.7A
Authority: CN
Inventors: 西蒙·马赛利斯; 塞维琳·罗索姆; 盖洛·德罗伊斯萨特; 约亨·克里默
Original assignee: Ion Beam Applications SA
Current assignee: Ion Beam Applications SA
Priority date: 2019-06-13
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2020-12-15
Anticipated expiration: 2040-06-09
Also published as: JP2020199258A; CN112076397B; US11554273B2; EP3750597A1; EP3750597B1; US20200391055A1; JP7404160B2

Abstract

本发明提供了一种用于在调强粒子治疗模式中使用的强子治疗设备的质量保证的模体和方法。该模体包括：包括底板的框架结构、一个或多个能量楔形件、以及2D检测器，能量楔形件第一面相对于所述底板倾斜并且能量楔形件第二面垂直于所述底板，所述一个或多个能量楔形件安装在所述底板上；所述一个或多个楔形件和2D检测器相对于所述框架结构处于已知的固定位置。所述模体还包括扩展布拉格峰楔形件，所述SOBP楔形件具有相对于所述底板倾斜的SOBP楔形件第一面和垂直于所述底板的SOBP楔形件第二面，所述SOBP楔形件由相对密度高于1.3、优选地1.5、更优选地1.7的材料支撑，该SOBP楔形件第一面与该SOBP第二面之间的距离在具有所述强子治疗设备的射束的高极限能量与低极限能量之间的能量的射束的穿透深度之间变化。本发明还提供一种用于确定计划的SOBP与实际SOBP的相符性的方法。

Description

用于强子治疗设备的质量保证的模体和方法

技术领域

本发明涉及强子治疗领域。更具体地，本发明涉及用于在调强粒子治疗(IMPT)模式(也被称为笔形束扫描(PBS)技术)中使用的强子治疗设备的质量保证的模体和方法。

背景技术

强子治疗包括通过用高能强子束进行辐照来治疗肿瘤。优选的强子通常是质子和碳离子。在当前的质子束设施中，笔形束扫描技术(PBS)涉及对目标中单独的点进行辐照，每个点具有预定义的位置和深度，并为每个点规定预定义的剂量。在该设施的每个治疗室中，需要每天对所递送射束的各种特性进行验证例程。这些特征是：

-射束范围：给定射束能量下，在给定目标(通常是水模体或多层电离室)中布拉格峰的位置(深度)；

-点位置、点大小和点对称性，其由合适的2D检测器(例如，电离室阵列或配备CCD相机的闪烁屏)测量；

-沉积剂量，其由绝对电离室测量，用于检查辐照装置的输出因子；

-质子束相对于X射线成像系统的位置；

-当使用扩展布拉格峰(SOBP)时，计划的SOBP与实际的SOBP的相符性。

通常，这些特性中的每一个都是通过单独的测量装置在许多不同的射束能级下进行测量的。完整的验证涉及许多手动操作，包括进入治疗室以调整模体或测量装置。因此，完成验证例程所需的时间大约为30至60分钟。就每天可进行的治疗次数而言，如此长的验证时间降低了治疗设施的效率。在质子束设施中用于质量保证(QA)的典型时间如下：每天QA：30分钟，即，每年总计16天；每月QA：每月3小时，即，每年总计4.5天；每年QA 16个小时，即，每年2天。因此，减少执行每天QA所需的时间很重要。

从文献WO 2016/170115已知一种用于粒子治疗设备的质量保证的模体和方法。该模体包括：框架结构；一个或多个楔形件；第一材料块和第二材料块，每个材料块具有第一块面和与第一块面平行的第二块面；布置在所述第一块面处的绝对剂量计；位于所述块中的多个高密度材料珠；以及2D检测器。这些部件相对于框架结构布置在已知的固定位置。中心珠相对于框架结构保持在中心已知的固定位置。这些部件布置在框架结构中，使得射束将穿过中心珠而穿过模体，而不会穿过除了所述中心珠之外的任何材料。IBA Dosimetry提供的产品“Sphinx PT”是根据此文献制造的。该模体的楔形件由相对密度为1,045的等效于水的材料(即，RW3)制成。该模体优选地与具有闪烁屏和CCD相机的2D检测器一起使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在调强粒子治疗(IMPT)模式中使用的强子治疗设备的质量保证的模体和方法，使得能够对粒子治疗设备进行快速而可靠的验证。更准确地，需要一种模体，该模体允许执行对计划的SOBP与实际SOBP的相符性的验证，同时将执行验证所需的时间和精力最小化。

本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定了有利的实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于可在调强粒子治疗(IMPT)模式中使用的强子治疗设备的质量保证的模体，所述强子治疗设备被配置用于产生具有介于低能量极限与高能量极限之间的能量的强子束。该模体可以包括：

a)框架结构，该框架结构包括底板，该底板具有第一边缘和与所述第一边缘平行的第二边缘；

b)一个或多个能量楔形件，每个能量楔形件具有能量楔形件底面、相对于所述能量楔形件底面倾斜的能量楔形件第一面以及垂直于所述能量楔形件底面的能量楔形件第二面，所述一个或多个能量楔形件安装在所述底板上，所述能量楔形件第二面平行于所述第二边缘；

c)2D检测器，该2D检测器布置在所述第二边缘处并垂直于所述底板安装；

所述一个或多个楔形件和2D检测器相对于所述框架结构处于已知的固定位置。根据本发明，该模体包括扩展布拉格峰(SOBP)楔形件，所述SOBP楔形件具有SOBP楔形件底面、相对于所述SOBP楔形件底面倾斜的SOBP楔形件第一面以及垂直于所述SOBP楔形件底面的SOBP楔形件第二面，所述SOBP楔形件安装在所述底板上，所述SOBP楔形件第二面平行于所述第二边缘，

所述SOBP楔形件由相对密度高于1.3、优选地高于1.5、更优选地高于1.7的材料制成，

沿着平行于所述SOBP楔形件底面的线测量的所述SOBP楔形件第一面与所述SOBP楔形件第二面之间的距离在零与具有等于所述高能量极限的能量的强子束在所述材料中的穿透深度之间变化。

强子治疗设备在使用质子束时通常会产生具有在35MeV至230MeV范围内的能量的射束。当使用碳离子时，射束的能量通常在100Mev/核子至400MeV/核子的范围内。

优选地，所述能量楔形件中的至少一个由相对密度高于1.3、优选地高于1.5、更优选地高于1.7的相同材料制成。

优选地，所述材料选自聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺、聚醚醚酮聚合物、及其混合物，分别称为PVDF、PI、PEEK。

框架结构可以有利地包括固定在底板和2D检测器上的一个或两个手柄。

2D检测器可以包括非晶硅有源平板检测器。

底板、以及所述楔形件底面和/或所述SOBP楔形件底面中的一个或多个可以包括用于将所述楔形件固定到所述底板的固定装置。

沿着平行于所述能量楔形件底面的线测量的所述能量楔形件之一的所述能量楔形件第一面与所述能量楔形件第二面之间的距离在所述楔形件的中间高度处为具有介于所述高能量极限与所述低能量极限之间的标称能量的强子束在所述材料中的穿透深度，并且在所述楔形件的底部高度处小于15mm，并且在所述能量楔形件的顶部高度更高处小于15mm，其中高度是垂直于所述能量楔形件底面测量的。

根据本发明的第二方面，提供了一种

用于可在调强粒子治疗(IMPT)模式中使用的强子治疗设备的质量保证的方法，所述设备包括具有参考位置的患者定位器，该方法包括以下步骤：

a)提供根据本发明的模体；

b)将该模体定位在所述患者定位器上；

c)用经调制射束辐照该模体，所述经调制射束包括多个射束，每个射束具有不同的能量并具有选定的剂量以在物质中产生SOBP，所述经调制射束沿平行于SOBP楔形件底面的方向并在垂直于所述SOBP楔形件底面测量的高度处被引导在所述SOBP楔形件第一面上；

d)在所述2D检测器上获取所述经调制射束的图像；

e)针对所述SOBP楔形件的底部高度与所述SOBP楔形件的顶部高度之间的多个高度重复步骤和；

f)根据每个高度处的所述多个响应，重建该SOBP。

由此，可以确定计划的SOBP与实际SOBP的相符性。

根据本发明的第三方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括用于执行本发明的方法的步骤c)至f)的代码。

根据本发明的第四和最后一个方面，提供了一种用于强子治疗设备的质量保证的系统，该系统包括根据本发明的模体和包括根据本发明的计算机程序的控制器。

附图说明

将通过举例方式并参考附图对本发明的这些和进一步方面进行更详细解释，在附图中：

图1是根据本发明实施例的模体的透视图；

图2a和图2b是SOBP楔形件的侧视图和透视图；

图3a和图3b是针对第一标称能量的能量楔形件的侧视图和透视图；

图4a和图4b是针对第二标称能量的能量楔形件的侧视图和透视图；

图5a和图5b是针对第三标称能量的能量楔形件的侧视图和透视图；

图6是被配置用于产生SOBP的在不同高度处穿过SOBP楔形件的经调制射束的示意图；

图7是被配置用于产生SOBP的在不同高度处穿过SOBP楔形件的经调制射束的示意图，其中在经调制射束中存在缺陷；

附图既未按比例绘制也不成比例。通常，在附图中，相同的部件由相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1是根据本发明实施例的模体10的透视图。框架结构30包括底板35，该底板具有第一边缘50和第二边缘60。可以在底板上安装多个元件：能量楔形件70、SOBP楔形件170、材料块100。示出了三个能量楔形件，但是可以使用更多或更少的能量楔形件。还存在SOBP楔形件170。材料块100可以用于支撑绝对剂量计和/或支撑用于定位模体的标记。2D检测器布置在底板35的第二边缘60处并且垂直于该第二边缘安装。一个或两个手柄32可以布置在模体10的侧面，以便于操纵，并提高模体10的刚度。

SOBP楔形件170以及可选地能量楔形件70由相对密度高于1.3、优选地高于1.5、优选地高于1.7的材料制成。申请人已经确定用于这些楔形件的合适材料是聚偏二氟乙烯，也称为PVDF。从现有技术的模体已知，使用等效于水的材料(诸如RW3)将需要SOBP楔形件的尺寸较大，从而导致难以操纵模体。已经发现，等于或大于1.7的相对密度适合于获得具有优选尺寸的模体。由于强子束产生的活化作用，已经发现金属是不合适的。已经发现PTFE(聚四氟乙烯)是不合适的，因为其不耐辐射。还发现石墨是不合适的，因为其在辐照下变脆。已经发现聚偏二氟乙烯满足有关密度、辐射硬度和机械特性的所有要求。其他合适的材料是聚酰亚胺聚合物。聚酰亚胺聚合物的密度在1.3至1.4的范围内。合适的聚酰亚胺聚合物由Ensinger Plastics以商标名TECASINT出售。其他合适的材料是PEEK(聚醚醚酮)材料。Ensinger Plastics以商标名TECAPEEK出售的PEEK材料的相对密度为1,31，并且也已经发现是合适的。

2D检测器可以有利地是用于X射线成像的平板。这样的面板具有1024×1024个传感器单元的矩阵，每个传感器单元包括作为传感器的二极管和用于对线路进行寻址并传输信号的TFT(薄膜晶体管)。以200μm的间距，这种面板具有200mm×200mm的敏感区域。当使用质子或碳离子时，可以去除用于X射线成像的闪烁体。合适的平板是由PerkinElmer提供的XRD 0822AO、AP。

图2a和图2b是SOBP楔形件170的侧视图和透视图。SOBP楔形件170在其底部处的宽度Wsobp被确定为使得沿着该宽度从第一面180到第二面190并且平行于SOBP楔形件170的底部175引导的笔形束在SOBP楔形件内部、SOBP楔形件170的第二面190上游具有布拉格峰。SOBP楔形件的高度Hsobp被确定为使得被引导在SOBP楔形件顶部处的射束将到达2D检测器200的上部区域。当选择相对密度为1.7的材料(例如PVDF)时，值

Wsobp＝151mm

用于与使用能量高达230MeV的质子的强子治疗设备一起使用。技术人员将知道如何确定其他离子的Wsobp值、其他能量以及材料的其他相对密度。如下文所述，SOBP楔形件底部195用于将楔形件固定至底板。典型的2D检测器可以具有200mm×200mm的敏感区域。因此，高度Hsobp可以是220mm，其中包括SOBP楔形件底部195的高度F的20mm。SOBP楔形件170的厚度可以在20mm至30mm的范围内。选定的值为28mm。对于所描绘的SOBP楔形件，角度α为36.7°。

图3a和图3b、图4a和图4b、图5a和图5b是针对三个标称能量的能量楔形件的侧视图和透视图。这些能量楔形件的目的是精确确定具有标称能量的笔形束的能量。参考图3a和图3b，能量楔形件70具有能量楔形件第一面80(射束入口)和能量楔形件第二面90(射束出口)以及能量楔形件底面75。如下文所述，能量楔形件底部95用于将楔形件固定至底板。

图4和图5的能量楔形件是类似的，但尺寸不同。

这三个能量楔形件的高度He1、He2、He3等于100mm，其中包括能量楔形件底部95的高度20mm。能量楔形件的底部宽度Wbei和顶部宽度Wtei如下：

能量楔形件70的厚度也可以在20mm至30mm的范围内。选定的值为28mm，与SOBP楔形件相同。

优选地，可以将SOBP楔形件、能量楔形件和模体的其他部件(诸如材料块100)紧固到框架结构30的底板35。在这些固定装置的一个实施例中，这些部件具有基部195(用于SOBP楔形件)或95(用于能量楔形件)。在底板35中钻出孔，并且在这些基部中钻出相应的孔。然后可以用螺栓紧固这些部件。长度螺栓限于部件的底部区域，以使得射束不会受到这些螺栓的干扰。已经发现合适的高度为20mm，在图2a中用F表示。使用直径为4mm的孔和螺栓，并且发现这是方便的。可以考虑其他紧固装置。可以在底板上以与楔形件的厚度(即，28mm)相对应的距离钻出连续的孔，以实现模块化，并允许楔形件的各种组合。

图6是被配置用于产生SOBP的在不同高度处穿过SOBP楔形件的经调制射束的示意图。描绘了在三个不同高度处的经调制射束220，其在三个入口点225、225’、225”处进入SOBP楔形件第一面180，并且在SOBP楔形件第二面190处离开SOBP楔形件，在该处它们撞击2D检测器。因此，2D检测器对在该高度的那个经调制射束的响应对应于针对SOBP楔形件材料中与该高度处SOBP楔形件的宽度相对应的深度的SOBP值。对于每个经调制射束，表示2D检测器响应的值(其取决于楔形件中的穿透深度)在图6的右侧表示，并表示了SOBP的形状。

图7类似于图6，不同之处在于，SOBP具有缺陷230，该缺陷由一定深度处SOBP的水平下降(虚线)表示。例如，如果在确定用于制作经调制射束的各个笔形束中的一个或多个的重量时出现错误，则可能会发生这种情况。如果用于调制能量的装置中存在缺陷，诸如降能器中的缺陷，则也可能发生这种情况。如从图7右侧所示的曲线(其示出了响应水平的相应下降)可以看出，通过使用本发明的装置和方法，可以容易地检测出这种缺陷。

本发明的模体可以如下使用：

·将模体定位在患者定位器上。模体很轻且小，因此这很容易完成。根据以上描述构建的模体重量包括2D检测器在内约为11kg。模体的整体尺寸为30×36×18cm。

·经调制射束沿SOBP楔形件的高度被引导在SOBP楔形件的一系列高度处。

·对于每个经调制射束，都将获取2D检测器的响应以及相应的高度。

·根据这些获取的数据，可以再现实际的SOBP。

可以在控制器的控制下自动执行引导一系列经调制射束、获取数据和显示结果曲线的步骤。

使用本发明的模体，可以高效且快速地验证放射治疗设备的部件(包括用于提供SOBP的装置)的运作。所获取的2D剂量可以由程序处理，以便计算要应用于形成SOBP的射束的校正。

本发明的模体10中存在框架结构30具有许多优点：可以容易操作模体，框架是模体各个部件位置的可靠且精确的参考。标记可以设置在框架上，并且用于将模体对准激光束或用于在视觉上对准模体。

通过使用本发明的模体和方法，可以以可靠的方式对粒子治疗设备的运作进行日常验证，包括对所述设备的部件进行验证，诸如定位系统、X射线成像系统、射束引导系统、剂量、点特性、均匀性。当在程序控制下执行时，该方法尤其高效且快速，可以在不到10分钟的时间内执行全面的质量保证。利用本发明的方法，治疗师节省了许多耗时的操作，诸如进入治疗室以进行模体更换以及离开治疗室以进行测量。

已经根据特定实施例描述了本发明，这些特定实施例是对本发明的说明，而不被解释为限制性的。更一般地，本领域技术人员将认识到，本发明不限于上文已经具体示出和/或描述的内容。在附图中讨论和示出的示例实施例中，楔形件的倾斜面朝向射束源，而楔形件的垂直面朝向2D检测器。然而，将理解的是，在另一取向上定位楔形件是等效的。而且，楔形件的最长或最短的侧面可以无差别地抵靠底板定位。

权利要求书中的附图标记不限制其保护范围。使用动词“包括(to comprise)”、“包括(to include)”、“由…组成(to be composed of)”、或任何其他变体、以及它们各自的词形变化并不排除存在除所陈述的要素之外的要素。在要素之前使用冠词“一个(a)”、“一个(an)”或“该(the)”并不排除存在多个这种要素。

Claims

1.一种用于可在调强粒子治疗(IMPT)模式中使用的强子治疗设备的质量保证的模体(10)，所述强子治疗设备被配置用于产生具有介于低能量极限与高能量极限之间的能量的强子束，该模体包括：

a)框架结构(30)，该框架结构包括底板(35)，该底板具有第一边缘(50)和与所述第一边缘平行的第二边缘(60)；

b)一个或多个能量楔形件(70)，每个能量楔形件具有能量楔形件底面(75)、相对于所述能量楔形件底面倾斜的能量楔形件第一面(80)以及垂直于所述能量楔形件底面(75)的能量楔形件第二面(90)，

所述一个或多个能量楔形件(70)安装在所述底板(35)上，所述能量楔形件第二面(90)平行于所述第二边缘(60)；

c)2D检测器(200)，该2D检测器布置在所述第二边缘(60)处并垂直于所述底板(35)安装；

所述一个或多个楔形件(70)和2D检测器(200)相对于所述框架结构(30)处于已知的固定位置，

其特征在于，所述模体(10)包括扩展布拉格峰(SOBP)楔形件(170)，所述SOBP楔形件(170)具有SOBP楔形件底面(175)、相对于所述SOBP楔形件底面倾斜的SOBP楔形件第一面(180)以及垂直于所述SOBP楔形件底面(175)的SOBP楔形件第二面(190)，所述SOBP楔形件(170)安装在所述底板(35)上，所述SOBP楔形件第二面平行于所述第二边缘，

所述SOBP楔形件(170)由相对密度高于1.3、优选地高于1.5、更优选地高于1.7的材料制成，

沿着平行于所述SOBP楔形件底面(175)的线测量的所述SOBP楔形件第一面(180)与所述SOBP楔形件第二面(190)之间的距离在零与具有等于所述高能量极限的能量的强子束在所述材料中的穿透深度之间变化。

2.根据权利要求1所述的模体(10)，其特征在于，所述能量楔形件中的至少一个由密度高于1.3、优选地高于1.5、更优选地高于1.7的相同材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的模体(10)，其特征在于，所述材料选自聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺、聚醚醚酮聚合物、及其混合物。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的模体(10)，其特征在于，所述框架结构包括固定在所述底板(35)和所述2D检测器(200)上的一个或两个手柄(32)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的模体(10)，其特征在于，所述2D检测器(180)包括非晶硅有源平板检测器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的模体(10)，其特征在于，所述底板(35)、以及所述楔形件底面(75)和/或所述SOBP楔形件底面(175)中的一个或多个包括用于将所述楔形件固定到所述底板的固定装置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的模体(10)，其特征在于，沿着平行于所述能量楔形件底面(75)的线测量的所述能量楔形件(70)之一的所述能量楔形件第一面(80)与所述能量楔形件第二面(90)之间的距离在所述楔形件的中间高度处为具有介于所述高能量极限与所述低能量极限之间的标称能量的强子束在所述材料中的穿透深度，并且在所述楔形件的底部高度更低处小于15mm，并且在所述能量楔形件的顶部高度更高处小于15mm，其中高度是垂直于所述能量楔形件底面(75)测量的。

8.一种用于可在调强粒子治疗(IMPT)模式中使用的强子治疗设备的质量保证的方法，所述设备包括具有参考位置的患者定位器，该方法包括以下步骤：

a)提供根据权利要求1至7中任一项所述的模体(10)；

b)将所述模体(10)定位在所述患者定位器上；

c)用经调制射束辐照所述模体(10)，所述经调制射束包括多个射束，每个射束具有不同的能量并具有选定的剂量以在物质中产生SOBP，所述经调制射束沿平行于该SOBP楔形件底面(175)的方向并在垂直于所述SOBP楔形件底面(175)测量的高度处被引导在所述SOBP楔形件第一面上；

d)在所述2D检测器(200)上获取对所述经调制射束的响应；

e)针对所述SOBP楔形件的底部高度与所述SOBP楔形件的顶部高度之间的多个高度重复步骤c)和d)；

f)根据每个高度处的所述多个响应，重建该SOBP。

9.一种计算机程序，包括用于执行如权利要求8所述的步骤c)至f)的代码。

10.一种用于强子治疗设备的质量保证的系统，该系统包括根据权利要求1至7中任一项所述的模体(10)和包括根据权利要求9所述的计算机程序的控制器。