CN112083467A - 一种粒子治疗装置的三维剂量测量探测系统 - Google Patents

一种粒子治疗装置的三维剂量测量探测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种粒子治疗装置的三维剂量测量探测系统，包括探测器主体、前端电子学系统、数据采集装置及上位机；探测器主体，用于对粒子束流进行探测；前端电子学系统，用于对探测器本体产生的电离信号进行放大；数据采集装置，用于采集经前端电子学系统放大的信号；上位机内设置有粒子照相系统和三维剂量重建系统；其中：粒子照相系统用于采用靶前和靶后同步采样的数据通过预先训练的机器网络模型得到目标靶的成像结果；三维剂量重建系统根据目标靶成像结果和束流经过不同厚度靶的剂量分布信息，基于预先测量的束流参数剂量曲线模型进行三维剂量重建，得到束流经过目标靶的三维剂量分布。

Description

一种粒子治疗装置的三维剂量测量探测系统
技术领域
本发明涉及质子、碳离子治疗肿瘤技术领域，特别是关于一种粒子治疗装置的三维剂量测量探测系统。
背景技术
采用质子、碳离子治疗肿瘤的技术是一种疗效显著，且具有很大发展潜力的肿瘤治疗手段。其用于放射治疗既有生物学优势，又有剂量分布优势Bragg峰(离子能量大部分沉积在射程末端)，能够确保在临床照射治疗中的高精度(毫米量级)，高疗效和高安全性。目前在世界范围内粒子治疗装置数量迅速增加，相关技术也日新月异。
粒子治疗的优势是能够将粒子的剂量精确控制到肿瘤位置，在正常组织上沉积的剂量足够小，对人体的伤害比起常规射线放疗要小很多。要确保粒子治疗精确定位的优势，除了精确可靠的束流配送系统还需要高精度的剂量验证系统。粒子治疗装置的束流配送方式一般采用点扫描或光栅扫描两种方式。不论哪种配送方式，最终的目的都是希望最大限度地精确控制束流杀死癌细胞，保护正常组织器官。目前粒子治疗中正在发展的超高剂量率的闪疗技术和新的适形治疗技术都需要更高精度的剂量控制和验证。目前用于粒子治疗的剂量验证探测系统主要有矩阵电离室、医用剂量胶片、笔形电离室等。但是上述探测系统都无法直接测量并重建出三维的剂量分布，只能得到粗略的二维剂量分布或特定点的剂量值。
目前基于闪烁体的荧光屏探测器研制的QA(治疗计划验证和粒子治疗装置的日常质量保证)探测器能够直接测量2D的剂量分布，在束流扫描均匀的前提下配合楔形体膜也可以测量纵向剂量的分布信息。例如基于ZnS或Al2O3:C的荧光屏探测器系统。但是所用的发光剂量测量系统光强和剂量的非线性比较明显，都需要进行修正，这样测量结果精度也会受到限制。另外，这一系统不能直接用于三维剂量分布测量，只能通过特定位置的验证实现QA。IBA公司的MatriXX PT可以用来测量2D和3D剂量分布，但是3D的测量是在不同时间测量2D结果基础上重建的，会受到束流扫描的均匀度，束流不同时间的参数变化的影响。
综上所述，现有技术中目前没有可以用于临床的，通过实时采样方式直接测量三维剂量的探测系统用于粒子治疗装置的QA探测系统。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够简化剂量验证过程，提高剂量验证精度且能够通过实时采样方式直接获得三维剂量分布的粒子治疗装置的三维剂量测量探测系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种粒子治疗装置的三维剂量测量探测系统，包括探测器主体、前端电子学系统、数据采集装置及上位机；
探测器主体，用于对粒子束流进行探测；
前端电子学系统，用于对所述探测器本体产生的电离信号进行放大；
数据采集装置，用于采集经所述前端电子学系统放大的信号；
所述上位机内设置有粒子照相系统和三维剂量重建系统；其中：
所述粒子照相系统用于采用靶前和靶后同步采样的数据通过预先训练的机器网络模型得到目标靶的成像结果；所述三维剂量重建系统根据目标靶成像结果和束流经过不同厚度靶的剂量分布信息，基于预先测量建立的束流参数剂量曲线模型进行三维剂量重建，得到束流经过目标靶的三维剂量分布。
所述的三维剂量测量探测系统，进一步地，所述探测器主体包括靶前探测器部分和靶后探测器部分，其中，所述靶前探测器部分，包括第一分条电离室和第一平板电离室；所述靶后探测器部分，包括多个分条电离室和平板电离室加组织等效体的阵列组合，其中，所述分条电离室按照设定间隔插入到多个平板电离室加组织等效体的组合中，分条电离室用于获得每个时刻的束流投影信息；平板电离室加组织等效体的组合用于获得每个时刻的深度剂量分布信息。
所述的三维剂量测量探测系统，进一步地，每一分条电离室均包括两个间隔设置的高压电极，两个所述高压电极之间设置有条状阳极；其中，所述条状阳极在垂直束流入射的方向上与粒子治疗装置的加速器坐标重合，电极正面的读出条与电极背面的读出条相互垂直，用于得到水平和垂直的束流投影信息；或者，所述条状阳极在垂直束流入射的平面上与加速器坐标形成某种设定角度以获得某角度的投影信息。
所述的三维剂量测量探测系统，进一步地，所述平板电离室是将高压电极膜和信号电极膜粘在电极框上制作而成。
所述的三维剂量测量探测系统，进一步地，所述组织等效体降能片采用PMMA或其它可以被用作体膜的高分子材料。
所述的三维剂量测量探测系统，进一步地，使用前需要在相应的粒子治疗装置上测量各种形状密度参数已知的组织等效体降能片数据训练得到目标靶成像的机器网络模型。
所述的三维剂量测量探测系统，进一步地，束流参数剂量曲线模型的训练基于有监督的机器学习算法，采用每个平板电离室的信号和分条电离室的每个通道信号作为机器学习的网络训练数据，使用剂量胶片测量的实际剂量分布作为预期结果对网络进行训练，经过实验数据的训练，建立粒子束流不同入射能量和束流光斑参数的束流参数剂量曲线模型，用于三维剂量分布的重建。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明基于电离室的原理，使用机器学习的方法，研制用于粒子治疗装置三维剂量测量的探测器系统，该探测系统可以用于直接测量粒子治疗装置的三维剂量分布，实现治疗计划的快速验证；可以作为QA探测器在日常的质量验证过程中使用，简化剂量验证过程，提高剂量验证精度；
2、本发明通过直接同步测量得到的三维剂量分布，可以更真实的反映治疗装置的性能，基于本发明快速得到的治疗装置剂量三维分布，快速验证治疗装置束流参数及束流配送系统的工作状态，简化日常QA过程，节省时间；
3、本发明在靶区前面增加平板电离室和分条电离室的组合，用于束流均匀性和强度的归一化，保证使用该系统实现粒子照相功能不受束流强度变化和均匀性变化影响；
综上，通过本发明得到的粒子治疗装置的三维剂量分布可以直接、全面用于治疗计划优劣的评价，能够优化治疗计划设计。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例的探测器主体结构示意图；
图2(a)是本发明一实施例的条状阳极正面结构示意图；
图2(b)是本发明一实施例的条状阳极背面结构示意图；
图2(c)是本发明另一实施例的条状阳极正面结构示意图；
图2(d)是本发明另一实施例的条状阳极背面结构示意图；
图3是本发明实施例的平板电离室结构示意图；
图4(a)、(b)和(c)是本发明实施例的实验靶设计；
图5(a)和(b)是本发明实施例的实验重建结果对照效果图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
本实施例提供的粒子治疗装置的三维剂量测量探测系统，包括前端电子学系统、探测器主体、数据采集装置及上位机。本发明具有粒子照相功能，可以在治疗过程中通过提高引出束流能量实现粒子照相，进而实现在束的位置验证功能。无论本实施例用于QA的三维剂量验证还是粒子照相，都需要在靶前安装电离室用于束流信号的归一化，安装在靶前的探测器本体需要与靶后的探测器阵列同步采样，才能实现上述功能，其中：
探测器主体放置在靶前和靶后，用于对粒子束流进行探测；
前端电子学系统用于将探测器本体的电离室产生的电离信号进行放大，具体是前端电子学系统将电离室上一个固定时间段内的电信号收集并放大，使得ADC能够将其转换为数字信号。具体地，前端电子学的工作原理类似一个电容器，在固定的时间内将电离室电极上的信号积分，电容上的电压代表这段时间里面的电离信号强度，前端电子学系统具体原理为现有技术故不作赘述。
数据采集装置用于采集经前端电子学系统放大的信号；
上位机用于将获取的放大信号进行目标靶成像，并根据目标靶成像结果和束流经过不同厚度靶的剂量分布信息，基于预先测量建立的束流参数剂量曲线模型进行三维剂量重建，得到束流经过目标靶的三维剂量分布。
本发明的一些实施例中，探测器主体包括靶前探测器部分和靶后探测器部分。
靶前探测器部分设置在靶前用于束流均匀性和强度的归一化，这样的设计可以保证使用该系通实现粒子照相功能不受束流强度变化和均匀性变化影响，靶前探测器部分包括一个条电离室和一个板电离室，其中，分条电离室和电离室间隔放置，具体放置要求不做限定，根据实际需要进行选择。
如图1所指示的非限制性实施例中，靶后探测器部分包括两个分条电离室和70组平板电离室加组织等效体降能片的组合(一个平板电离室和一个组织等效体降能片叠装在一起算一个组合)。从束流入射方向的排列顺序依次为：分条电离室、35组平板电离室加体膜的组合、分条电离室、35组平板电离室加体膜的组合，以此为例，不限于此，具体的阵列组合适量可以根据精度等实际要求进行选择，在此不做限定。在一些实现中，在正式测量之前可以对前端电子学系统进行设定时间例如15分钟的预热，接下来需要对前端电子学系统和数据采集装置引入的电压偏置进行记录并存储，用于在随后的数据处理中进行扣除。
本发明的一些实施例中，如图1所示的非限制性实施例中，每一分条电离室1均可以包括两个高压电极1-1，两个高压电极1-1之间设置一个条状阳极1-2，优选地，本实施例中分条电离室1的有效面积为200mm×200mm，以此为例，可以根据实际需要进行确定。
高压电极1-1可以由镀铝电极膜粘在高压电极框制作而成，优选地，镀铝电极膜厚度可以7μm，以此为例，可以根据实际需要进行确定。
条状阳极1-2可以采用PCB工艺制作而成。在一种实现中，如图2(a)和2(b)所示，将条状阳极1-2在垂直束流入射的方向上与加速器的坐标重合，电极正面1-2-A的读出条与电极背面1-2-B的读出条相互垂直，这样可以分别得到水平和垂直的束流投影信息。在另一种实现中，当然也可以将条状阳极1-2在垂直束流入射的平面上与加速器坐标形成一定角度安装，或者多个角度组合安装等方法到更多角度上的投影信息。例如如图2(c)和2(d)所示，阳极条的正面1-2`-A和背面1-2`-B分别与水平和垂直成45度角，加速器坐标系的X、Y轴垂直于束流前进的方向，Z轴沿束流前进方向。比如水平束线终端，X代表水平方向，Y代表高低方向；由上到下供束的终端，X和Y一般与建筑物四周墙体平行。
本发明的一些实施例中，如图3所示的非限制性实施例中，平板电离室2是将高压电极膜2-1和信号电极膜2-2粘在电极框2-3上制作而成。
本发明的一些实施例中，密度大于人体组织密度的组织等效体降能片3可以采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯polymethyl methacrylate,在医学上被认为可以作为人体组织等效体)等。
本发明的一些实施例中，使用时，探测器主体的所有器件都可以固定设置在一外壳上，方便操作，在此不做限定。
本发明的一些实施例中，上位机内设置有粒子照相系统和三维剂量重建系统，粒子照相系统用于完成目标靶成像，三维剂量重建系统根据目标靶成像结果和束流经过不同厚度靶的剂量分布信息，基于预先测量建立的束流参数剂量曲线模型进行三维剂量重建，得到束流经过目标靶的三维剂量分布。
在一些实现中，在使用前需要在相应的粒子治疗装置上测量各种形状密度参数已知的PMMA或者其他医学体膜数据用来训练学习机器网络。使用粒子照相功能时，该系统直接使用靶前和靶后同步采样的数据通过训练好的机器网络直接预测得到目标靶二维成像，用于成像的数据需要完整的对靶区进行照射，且数据点的位置间隔不能小于束斑全高半宽。
在另一些实现中，使用三维剂量测量功能时，该系统需要先进行目标靶成像，然后使用束流数据和该治疗装置的束流经过不同厚度靶的剂量分布信息进行三维剂量重建。三维剂量重建的原理是通过多个已知形状的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯polymethylmethacrylate,在医学上被认为可以作为人体组织等效体)体膜配合实验数据使用机器学习算法进行训练。具体地，束流参数剂量曲线模型的训练基于有监督的机器学习算法，使用每个平板电离室2的信号和分条电离室1的每个通道信号作为机器学习的网络训练数据，使用剂量胶片测量的实际剂量分布作为预期结果对网络进行训练，经过大量实验数据的训练，建立粒子束流不同入射能量和束流光斑参数的剂量曲线模型，用于经过目标靶后的三维剂量分布的重建。其中，束流在其他参数不变的情况下，束流的深度剂量分布曲线和束流剖面随深度的变化只与能量相关，可以通过逐渐增加例如0.2mm的PMMA片通过实验测量到更加精细的曲线数据，经过归一化、差值后得到连续曲线就成为训练机器学习网络和最终三维剂量重建的标准曲线数据模型。当然束流可能变化的参数如发射度、剖面、能量分散，在变化范围内的曲线模型也需要测量并存储于数据库内。三维剂量重建之前除了需要上述曲线数据外，还需要使用训练好的网络先进行靶厚度的预测，最后使用曲线数据库、预测的靶模型和记录的每个不同位置的束流强度信息进行三维剂量重建。实验中使用如图4(a)、(b)和(c)所示的PMMA靶作为网络训练的素材，对网络进行训练。图4(a)、(b)和(c)分别是用PMMA制作而成的旋转阶梯靶、台阶靶和斜面靶。这些靶的形状尺寸数据都是已知的，用它们进行束流实验后产生的数据可以用于网络训练。训练后使用图5b所示的三层台阶靶进行验证，验证结果如图5a所示，图5b是一个未知的三层台阶靶，使用训练好的网络预测的形状如图5a所示，与真实的靶尺寸基本吻合，整体预测精确度为93.14％(厚度的符合程度)。
在又一些实现中，机器学习算法的输入节点为每个平板电离室信号和每个分条电离室的所有通道的信号；输出节点为每个像素点，每个像素点上的期望值可以通过束流测量的数据得到。优选地，使用一层剂量胶片加一层PMMA重复叠装的方式可以用来测量剂量的三维分布，但是测量过程中的束流扫描均匀度必须好于95％。本实施例适用于按照固定频率均匀扫描或者点扫描方式的束流配送方式。束流光斑可以近似为二维的高斯分布，且半高全宽在3mm—20mm范围内,同时探测器系统单次采样周期内束流移动距离≤1.5mm。对于特定的粒子治疗装置，需建立不同入射能量，束流光斑参数的三维重建模型，分别用于三维剂量分布的重建。在得到束流光斑分布及其在体膜中随深度的变化数据后，三维剂量重建的准确度可以好于90％(像素2mm3)。
本发明一些实施例中，实验中对探测器本体的多通道电子学使用标准的电流源进行线性标定，每个通道标定五个数据点，并做了线性拟合作为标定系数。电子学信号与吸收剂量值则使用三维水箱系统进行了标定，上述技术均为有技术，故不作赘述。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种粒子治疗装置的三维剂量测量探测系统，其特征在于包括探测器主体、前端电子学系统、数据采集装置及上位机；
探测器主体，用于对粒子束流进行探测；
前端电子学系统，用于对所述探测器本体产生的电离信号进行放大；
数据采集装置，用于采集经所述前端电子学系统放大的信号；
所述上位机内设置有粒子照相系统和三维剂量重建系统；其中：
所述粒子照相系统用于采用靶前和靶后同步采样的数据通过预先训练的机器网络模型得到目标靶的成像结果；所述三维剂量重建系统根据目标靶成像结果和束流经过不同厚度靶的剂量分布信息，基于预先测量建立的束流参数剂量曲线模型进行三维剂量重建，得到束流经过目标靶的三维剂量分布。
2.根据权利要求1所述的三维剂量测量探测系统，其特征在于，所述探测器主体包括靶前探测器部分和靶后探测器部分；
所述靶前探测器部分，包括第一分条电离室和第一平板电离室；
所述靶后探测器部分，包括一个以上分条电离室和平板电离室加组织等效体的阵列组合，其中，所述分条电离室按照设定间隔插入到多个平板电离室加组织等效体的组合中；其中，
所述分条电离室用于获得每个时刻的束流投影信息；
所述平板电离室加组织等效体的组合用于获得每个时刻的深度剂量分布信息。
3.根据权利要求2所述的三维剂量测量探测系统，其特征在于，每一分条电离室均包括两个间隔设置的高压电极，两个所述高压电极之间设置有条状阳极；其中，所述条状阳极在垂直束流入射的方向上与粒子治疗装置的加速器坐标重合，电极正面的读出条与电极背面的读出条相互垂直，用于得到水平和垂直的束流投影信息；或者，所述条状阳极在垂直束流入射的平面上与加速器坐标形成某种设定角度以获得某角度的投影信息。
4.根据权利要求2所述的三维剂量测量探测系统，其特征在于，所述平板电离室是将高压电极膜和信号电极膜粘在电极框上制作而成。
5.根据权利要求2所述的三维剂量测量探测系统，其特征在于，所述组织等效体采用PMMA。
6.根据权利要求5所述的三维剂量测量探测系统，其特征在于，使用前需要在相应的粒子治疗装置上测量各种形状密度参数已知的组织等效体数据训练得到目标靶成像的机器网络模型。
7.根据权利要求5所述的三维剂量测量探测系统，其特征在于，束流参数剂量曲线模型的训练基于有监督的机器学习算法，采用每个平板电离室的信号和分条电离室的每个通道信号作为机器学习的网络训练数据，使用剂量胶片测量的实际剂量分布作为预期结果对网络进行训练，经过实验数据的训练，建立粒子束流不同入射能量和束流光斑参数的束流参数剂量曲线模型，用于三维剂量分布的重建。
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