CN113406686A - 一种离子束三维剂量分布探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离子束三维剂量分布探测装置及方法，包括：发光材料、位置移动装置、光学图像采集单元和图像处理单元；所述位置移动装置上固定设置所述发光材料，用于按照预设测量位置轨迹将发光材料在垂直束流方向上逐次进行平移；待检测离子束流沿着垂直于所述发光材料厚度的方向入射，并与所述发光材料相互作用产生荧光；所述光学图像采集单元用于对产生的荧光进行实时测量，并将测量得到的包含待检测离子束流二维剂量分布的发光材料横断面图像发送到所述图像处理单元；所述图像处理单元用于根据测量得到的发光材料横断面图像以及预设测量位置轨迹得到待检测离子束流的三维剂量分布。本发明可以广泛应用于离子束测量技术领域。

Description

一种离子束三维剂量分布探测装置及方法

技术领域

本发明属于离子束放射治疗技术领域，具体涉及一种离子束三维剂量分布探测装置及方法。

背景技术

在离子束放射治疗中：首先，通过CT扫描得到患者的三维解剖结构信息；其次，在CT影像中对肿瘤靶区和周围危及器官进行勾画；再次，设计合理的照射野方向并对照射参数进行优化，得到靶区和危及器官的三维剂量分布；最后，通过计划验证的照射参数发送给加速器控制系统，实现对肿瘤靶区的精准照射。可以看出放射治疗的实现涉及到多个环节，每个环节出现问题都会对最终的治疗效果产生影响，因此需要一套可靠的质量保证措施来确保放疗各个环节能够精准的执行。从束流的角度出发，治疗计划系统需要束斑在横向和纵向的剖面分布作为基本机器参数用于束流模型的建立和剂量计算。每日的束流质量保证工作需要测量束斑的横向和纵向剖面分布，确保其和治疗计划系统中保存的数据保持一致。在患者治疗开始前，需要对患者的治疗计划进行验证，确保测量得到的剂量分布和计划设计时计算的剂量分布保持一致。因此，快速准确的束流剂量分布测量是实现精准放射治疗的前提。同时，在离子束测量的其他领域，如离子加速器束流诊断、空间离子束辐射测量等方面，快速准确获得束流的三维剖面结构和剂量分布也同样重要。

目前，离子束横向剂量分布的测量方式有：电离室配合三维水箱测量，胶片测量，二维电离室矩阵测量，闪烁体探测器测量。离子束纵向剂量分布的测量方式有：电离室配合三维水箱测量，胶片测量，深度剂量分布探测器等。电离室配合三维水箱测量方法是应用较为广泛的方法，电离室是灵敏体积较小的平行板电离室或者指形电离室，通过在三维水箱中精确控制其位置，从而实现空间不同位置的剂量测量。例如，在垂直束流方向上通过移动多个测量位置就可以得到横向的剂量分布；沿着束流方向移动多个测量位置就可以得到纵向的剂量分布。该方法精准度高，缺点是每次只能测量一个点的剂量，要得到完整的剂量分布花费时间很长，效率低。胶片测量方法应用也较为广泛，可以直接测量得到横向上和纵向上的剂量分布，缺点是不能重复利用代价高，需要手动摆位存在摆位误差，需要后处理花费时间较长。二维电离室矩阵通常应用在横向剂量分布的测量，优点是摆位方便、测量速度快，缺点是分辨率低、不能测量纵向剂量分布。深度剂量分布探测器用于纵向剂量分布的测量，优点是可快速得到完整的纵向剂量分布曲线，缺点是其测量的是积分剂量，不能反映束流在横向上的剂量分布曲线。闪烁体探测器利用束流和荧光靶相互作用发光的特性，通过摄像机探测光信号并转换为剂量分布，从而实现快速的剂量分布探测，优点是速度快、分辨率高、使用方便，目前仅应用在横向二维剂量分布的测量上，不能进行三维剂量分布的测量。因此，目前的剂量分布探测方法没有能够在探测精度、效率、和便捷性方面同时达到理想的状态。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种离子束三维剂量分布探测装置及方法，实现了精准、快速、便捷的离子束三维剂量分布探测，为离子放射治疗基础数据获取、每日束流状态检测、以及患者治疗计划的快速验证提供有力手段。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一个方面，是提供一种离子束三维剂量分布探测装置，其包括：发光材料、位置移动装置、光学图像采集单元和图像处理单元；所述位置移动装置上固定设置所述发光材料，用于按照预设测量位置轨迹将发光材料在垂直束流方向上逐次进行平移；待检测离子束流沿着垂直于所述发光材料厚度的方向入射，并与所述发光材料相互作用产生荧光；所述光学图像采集单元用于对产生的荧光进行实时测量，并将测量得到的包含待检测离子束流二维剂量分布的发光材料横断面图像发送到所述图像处理单元；所述图像处理单元用于根据测量得到的发光材料横断面图像以及预设测量位置轨迹得到待检测离子束流的三维剂量分布。

进一步，所述发光材料为矩形薄片，且所述发光材料的横向长度大于待检测离子束流照射野的尺寸，所述发光材料的纵向长度大于待检测离子束流照射野的深度，所述发光材料的厚度不小于待检测离子束流与发光材料相互作用所产生的荧光强度能够被所述光学图像采集单元所获取的最小厚度。

进一步，所述发光材料采用但不限于闪烁体或晶体发光材料。

进一步，所述光学图像采集单元采用但不限于摄像机或照相机。

进一步，所述预设测量位置轨迹由一系列发光材料测量位置形成。

进一步，所述光学图像采集单元、位置移动装置和发光材料设置在封闭外壳内；所述光学图像采集单元设置在所述封闭外壳内壁上，且安装在能够对所有荧光进行检测的方位；所述移动装置设置在所述封闭外壳内壁的滑动轨道上。

本发明的第二个方面，是提供一种离子束三维剂量分布探测方法，其包括以下步骤：

1)束流开始照射前，将发光材料通过位置移动装置放置在预设初始位置，并开启光学图像采集单元和图像处理单元，确保图像处理单元能够正常从光学图像采集单元获取图像；

2)束流开始照射后，按照预设测量位置轨迹通过位置移动装置将发光材料进行平移，并获取各测量位置处待检测离子束流的二维剖面结构图；

3)对得到的各测量位置处待检测离子束流的二维剖面结构图进行三维重建，得到待检测离子束流的三维剂量分布。

进一步，所述步骤2)中，按照预设测量位置轨迹通过位置移动装置将发光材料进行平移，并获取各测量位置处待检测离子束流的二维剖面结构图的方法，包括以下步骤：

2.1)将发光材料移动到第一个测量位置，并通过光学图像采集单元进行第一个测量位置处光强分布的测量，得到第一个测量位置处深度方向上待检测离子束流的二维剖面结构图；

2.2)第一个测量位置测量完成后，通过位置移动装置将发光材料移动到第二个测量位置，并进行第二个测量位置处光强分布的测量，得到第二个测量位置处深度方向上待检测离子束流的二维剖面结构图；

2.3)重复步骤2.2)，以此类推，测量在每个测量位置处深度方向上待检测离子束流的二维剖面结构图。

进一步，所述步骤3)中，对得到的各测量位置处待检测离子束流的二维剖面结构图进行三维重建，得到待检测离子束流的三维剂量分布的方法，包括以下步骤：

3.1)根据光强和剂量之间的相对关系，将得到的各测量位置处待检测离子束流的二维剖面结构图转化为束流二维剂量分布；

3.2)根据预设测量位置轨迹中各测量位置的测量间隔，利用三维图像重建方法生成待检测离子束流的三维剂量分布。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：(1)可实现束斑二维结构的快速测量，以及三维结构的重建，为治疗计划系统基础机器参数的获取提供便利；(2)可实现快速的束流状态检测，为加速器束流每日晨检提供有力手段；(3)通过二维分布测量及三维剂量重建，可获得照射野每个位置的照射剂量，从而实现患者治疗计划的快速和精准验证；(4)设备轻巧、安装方便，提高束流检测的效率和精度；(5)应用范围不仅限于离子束放射治疗领域，可以广泛的应用于离子束探测的其他领域中。

附图说明

图1是本发明实施例提供的剂量分布探测装置结构示意图；

图2(a)是测量得到的束斑二维结构；

图2(b)是三维重建后得到的束斑三维剂量分布；

图3(a)是规则照射野下测量得到的射野二维剖面结构；

图3(b)是三维重建后得到的规则照射野下三维剂量分布；

图4(a)是患者治疗计划验证条件下，测量得到的深度方向上照射野二维剖面结构；

图4(b)是三维重建后得到的患者治疗计划的三维测量剂量分布；

图中各标记如下：

1、发光材料测量位置1；2、发光材料测量位置n-3；3、发光材料测量位置n-2；4、发光材料测量位置n-1；5、发光材料测量位置n；6、位置移动装置；7、发光材料测量位置n+1；8、发光材料测量位置n+2；9、发光材料测量位置n+3；10、发光材料测量终点位置；11、束流入射方向；12、光学图像采集单元；13、封闭外壳；14、测量得到的二维剂量分布；15、发光材料横断面；16、图像处理单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供的一种离子束三维剂量分布探测装置，能够精准的测量纵向上束流的二维剖面结构信息，通过测量束流在横向上不同位置的二维深度剂量分布，以三维重建的方法得到整个照射野的三维剂量分布，从而可实现精准三维束斑结构的测量以及患者治疗计划的三维快速验证，达到精准放射治疗的目的，为临床治疗提供保障。同时，本发明还可以应用在离子束探测的其他领域中，用于束流横向上和纵向上剖面结构的探测以及三维剂量分布的测量，提高检测效率和便捷性。

如图1所示，本发明提供的一种离子束三维剂量分布探测装置，其包括：发光材料、位置移动装置6、光学图像采集单元12和图像处理单元16。其中，位置移动装置6上设置有发光材料，用于按照预设测量位置轨迹将发光材料在垂直束流方向上逐次进行平移，以达到测量束流深度方向上不同剖面的二维剂量分布的目的；待检测离子束流沿着垂直于发光材料厚度的方向入射(见图1中的束流入射方向11所示)，且待检测离子束流与发光材料相互作用产生荧光；光学图像采集单元12用于对产生的荧光进行实时测量，并将得到的包含二维剂量分布14的发光材料横断面15图像发送到图像处理单元16；图像处理单元16用于根据测量得到的二维剂量分布14以及预设测量位置轨迹得到待检测离子束流的三维剂量分布。

进一步，发光材料包括但不限于闪烁体、晶体发光材料等。

进一步，光学图像采集单元12包括但不限于摄像机、照相机等。

进一步，发光材料的长度和宽度需要满足实际测量的需要，如横向(即垂直于束流方向)需要大于照射野的尺寸、纵向(即沿着束流方向)需要大于照射野的深度，发光材料的厚度固定，需要满足大于待检测离子束流与发光材料相互作用所产生的荧光强度能够被光学图像采集单元所获取的最小厚度。

进一步，预设测量位置轨迹由若干发光材料测量位置1～5和7～10形成。各发光材料测量位置的间距根据实际需要进行设置。

进一步，光学图像采集单元12、移动装置6和发光材料设置在封闭外壳13内，光学图像采集单元12设置在封闭外壳13内壁上，且安装在能够对所有荧光进行检测的方位；移动装置6设置在封闭外壳内壁的轨道上，用于根据预设测量位置轨迹将发光材料在垂直束流方向上逐次进行平移。封闭外壳可以避免外加光照对荧光信号的影响。

基于上述离子束三维剂量分布探测装置，本发明还提供一种离子束三维剂量分布探测方法，其包括以下步骤：

1)束流开始照射前，将发光材料通过移动装置放置在预设初始位置，并开启光学图像采集单元和图像处理单元，确保图像处理单元能够正常从光学图像采集单元获取图像。其中，预设初始位置根据测量需要进行设置，例如，若待检测离子束流的照射野范围较大，则预设初始位置相对中心位置要远一些，反之亦然。

2)束流开始照射后，按照预设测量位置轨迹通过位置移动装置将发光材料进行平移，并获取各测量位置处待检测离子束流的二维剖面结构图。

具体的，包括以下步骤：

2.1)根据测量需要将发光材料移动到第一个测量位置，并通过光学图像采集单元进行第一个测量位置处光强分布的测量，得到第一个测量位置处深度方向上待检测离子束流的二维剖面结构图。

2.2)第一个测量位置测量完成后，通过移动装置将发光材料移动到第二个测量位置，并进行第二个测量位置处光强分布的测量，得到第二个测量位置处深度方向上待检测离子束流的二维剖面结构图。

2.3)重复步骤2.2)，以此类推，测量在每个测量位置处深度方向上待检测离子束流的二维剖面结构图。

3)对得到的各测量位置处待检测离子束流的二维剖面结构图进行三维重建，得到待检测离子束流的三维剂量分布。

具体的，包括以下步骤：

3.1)根据光强和剂量之间的相对关系，将得到的各测量位置处束流的二维剖面结构图转化为束流二维剂量分布。

3.2)根据二维图像的测量间隔，利用三维图像重建方法生成离子束流的三维剂量分布。

实施例1

如图2(a)所示为利用本发明中剂量分布探测装置得到的束斑横向上某个位置在深度方向上的二维剖面结构。可以看出，利用本发明的探测装置可以精确得到照射野在深度方向上的结构信息，从而可得到束斑的一些基本信息，如深度方向上不同位置束斑的尺寸分布。图2(b)是经过三维重建后得到的束斑的三维剂量分布。图3(a)所示为规则照射野下某个断层在深度方向上的二维剖面结构。利用本发明装置可以快速获得照射野的二维剂量分布。图3(b)是重建后得到的规则照射野下的三维剂量分布。图4(a)所示为患者治疗计划验证条件下利用本发明装置测量得到的某个断层在深度方向上的二维照射野结构信息，图4(b)为三维重建后得到的三维剂量分布。说明利用本发明中的剂量探测装置和三维剂量重建方法可得到照射野每个位置的照射剂量，从而实现患者治疗计划的精准快速验证，为精准放射治疗的实现提供保障。本发明提出的离子束三维剂量分布探测装置及方法，不仅可以应用在离子束放射治疗中，还可以广泛的应用在离子束探测的其他领域中，用于束流横向上和纵向上剖面结构的探测以及三维剂量分布的重建，提高检测效率和便捷性。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种离子束三维剂量分布探测装置，其特征在于，包括：

发光材料、位置移动装置、光学图像采集单元和图像处理单元；

所述位置移动装置上固定设置所述发光材料，用于按照预设测量位置轨迹将发光材料在垂直束流方向上逐次进行平移；待检测离子束流沿着垂直于所述发光材料厚度的方向入射，并与所述发光材料相互作用产生荧光；

所述光学图像采集单元用于对产生的荧光进行实时测量，并将测量得到的包含待检测离子束流二维剂量分布的发光材料横断面图像发送到所述图像处理单元；

所述图像处理单元用于根据测量得到的发光材料横断面图像以及预设测量位置轨迹得到待检测离子束流的三维剂量分布。

2.如权利要求1所述的一种离子束三维剂量分布探测装置，其特征在于，所述发光材料的横向长度大于待检测离子束流照射野的尺寸，所述发光材料的纵向长度大于待检测离子束流照射野的深度，所述发光材料的厚度不小于待检测离子束流与发光材料相互作用所产生的的荧光强度能够被所述光学图像采集单元所获取的最小厚度。

3.如权利要求1所述的一种离子束三维剂量分布探测装置，其特征在于，所述发光材料采用闪烁体或晶体发光材料。

4.如权利要求1所述的一种离子束三维剂量分布探测装置，其特征在于，所述光学图像采集单元采用摄像机或照相机。

5.如权利要求1所述的一种离子束三维剂量分布探测装置，其特征在于，所述预设测量位置轨迹由一系列发光材料测量位置形成,各所述发光材料测量位置的间距根据实际需要进行设置。

6.如权利要求1所述的一种离子束三维剂量分布探测装置，其特征在于，所述光学图像采集单元、位置移动装置和发光材料设置在封闭外壳内；所述光学图像采集单元设置在所述封闭外壳内壁上，且安装在能够对所有荧光进行检测的方位；所述移动装置设置在所述封闭外壳内壁的滑动轨道上。

7.一种采用如权利要求1～6任一项所述装置的一种离子束三维剂量分布探测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)束流开始照射前，将发光材料通过位置移动装置放置在预设初始位置，并开启光学图像采集单元和图像处理单元，确保图像处理单元能够正常从光学图像采集单元获取图像；

2)束流开始照射后，按照预设测量位置轨迹通过位置移动装置将发光材料进行平移，并获取各测量位置处待检测离子束流的二维剖面结构图；

3)对得到的各测量位置处待检测离子束流的二维剖面结构图进行三维重建，得到待检测离子束流的三维剂量分布。

8.如权利要求7所述的一种离子束三维剂量分布探测方法，其特征在于：所述步骤2)中，按照预设测量位置轨迹通过位置移动装置将发光材料进行平移，并获取各测量位置处待检测离子束流的二维剖面结构图的方法，包括以下步骤：

2.1)将发光材料移动到第一个测量位置，并通过光学图像采集单元进行第一个测量位置处光强分布的测量，得到第一个测量位置处深度方向上待检测离子束流的二维剖面结构图；

2.2)第一个测量位置测量完成后，通过位置移动装置将发光材料移动到第二个测量位置，并进行第二个测量位置处光强分布的测量，得到第二个测量位置处深度方向上待检测离子束流的二维剖面结构图；

2.3)重复步骤2.2)，以此类推，测量在每个测量位置处深度方向上待检测离子束流的二维剖面结构图。

9.如权利要求8所述的一种离子束三维剂量分布探测方法，其特征在于：所述步骤3)中，对得到的各测量位置处待检测离子束流的二维剖面结构图进行三维重建，得到待检测离子束流的三维剂量分布的方法，包括以下步骤：

3.1)根据光强和剂量之间的相对关系，将得到的各测量位置处待检测离子束流的二维剖面结构图转化为束流二维剂量分布；

3.2)根据预设测量位置轨迹中各测量位置的测量间隔，利用三维图像重建方法生成待检测离子束流的三维剂量分布。

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