CN113975663B - 一种基于辐射致发光技术的精准放疗一体化质量评估系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于辐射致发光技术的精准放疗一体化质量评估系统，包括立方体避光抗辐射壳体，测量定位模块、辐射致发光组件、移轴镜头系统、探测器组件、电离室辐射剂量计和信号处理单元，其中，所述测量定位模块，包含四个相同子部件，每个子部件具有方形平板结构，其表面四角分别设置一个光照野定位标记；所述子部件表面几何中心设置一个定位激光十字准心标记，定位标记和十字准心均采用具有辐射阻隔作用的材料制成；所述辐射致发光组件，辐射致发光组件的主体为涂覆有闪烁晶体的平板结构，称其主体为闪烁体平板。本发明同时提供一种所述的精准放疗一体化质量评估系统实现的MLC叶片移动速度间接检测方法。

Description

一种基于辐射致发光技术的精准放疗一体化质量评估系统
技术领域
本发明涉及医疗器械辅助装置技术领域，具体涉及一种肿瘤放疗设备的质量控制装置。
背景技术
放射治疗即放疗是利用辐射电离产生的次级电子，通过破坏肿瘤细胞的DNA从而控制及杀死恶性肿瘤细胞的一种治疗方法，已成为目前癌症治疗的重要手段之一。在众多放疗方法中，外照射放疗为最常见的治疗形式，其有效实施高度取决于直线加速器设备(linear accelerator,LINAC)的可靠性，稳定性和控制精度。因此，对LINAC设备开展定期质量控制(QA)对确保疗效和提升治疗安全性具有重要意义。然而，在目前放疗临床中，一些关键性QA项目仍然需多种测试设备协同工作，并依赖手动操作和人工判别，不仅严重增加临床工作量，同时难以确保QA的公平性、一致性和准确度。
LINAC关键QA项目主要包括：(1)光照野/辐射野一致性；(2)LINAC等中心(Isocenter)精度；(3)多叶光栅准直器(MLC)机械特性；和(4)辐射计量验证。美国医学物理学家学会(AAPM)TG-142等报告作为LINAC质量控制(QA)的权威指南，针对一系列重点测试项目进行了详细阐述[1]。按照AAPM TG-142要求，针对项目(1)–(2)，临床上普遍采用的QA方法不仅依赖成像工具，如LINAC自带成像装置EPID或放射线胶片，还需额外光照/辐射野标记或专有仿体[2,3]，如用于光照野/辐射野一致性检测的FC-2仿体(Standard imaging公司，美国)、用于LINAC等中心测试的MIMITM仿体(Standard imaging公司，美国)和MultiPHANTM仿体(Sun Nuclear公司，美国)。申请人所在课题组就曾提出一种针对LINAC等中心检测的基于EPID的验证仿体OneIso[4]。然而，多系统协同工作时，不仅操作繁琐，各系统性能对测量结果产生直接影响，如EPID展开位置、EPID灵敏度分布均匀性、放射线胶片的一致性和稳定性、以及胶片冲印效率等。针对项目(3)，现有QA方法一般基于EPID和专有软件，如PIPSproTM(Standard imaging公司，美国)，开展相关标准检测，包括Garden-Fence、Pickect-Fence或Nongap[5]。但EPID空间分辨率有限(0.45mm),面向小射野放疗情况，如脑部肿瘤治疗，该问题尤为突出。针对QA项目(4)，临床上常用的二维计量学验证设备主要包括阵列型电离室/二极管和放射线胶片，相比而言，前者数字化优势显著，然而高分辨剂量验证设备不仅造价高昂，且成像区域通常较小，难以满足基于LINAC的临床放疗对射野范围的普遍要求[6,7]。
针对上文涉及的关键QA项目，现有方法不仅需引入相应多种仿体或实验装置，还存在各自的技术瓶颈和潜在问题。此外，各QA项目虽然可独立实施，但某些项目间存在一定程度的耦合关系，且随着放疗技术和治疗设备的持续更新，LINAC操控复杂度不断上升，该耦合关系愈发突出，表现在相应QA项目的实际测试任务量增加，这就对传统QA方法重组的技术可行性和临床可实施性提出了严格要求。据一项放疗临床相关统计，全球各放疗中心平均每月用于QA测试和数据分析的用时大约在19.5小时左右[8]。若能开发一体化的综合验证设备，为多个QA项目的协同实施提供高集成自动化解决方案，不仅有效降低临床工作量，提升检测精度和效率，更是为具有强关联性验证项目的综合评估提供了科学途径。
参考文献：
[1]Klein E E et al 2009Task group 142report:quality assurance ofmedical accelerators Med.Phys.36 4197
[2]Kang,Hyejoo,Rakesh Patel,and John C.Roeske."Efficient qualityassurance method with automated data acquisition of a single phantom setup todetermine radiation and imaging isocenter congruence."Journal of appliedclinical medical physics 20.10(2019):127-133.
[3]Yu,Lei,et al."Commissioning of and preliminary experience with anew fully integrated computed tomography linac."Journal of Applied ClinicalMedical Physics(2021).
[4]Capaldi,Dante PI,et al."An integrated quality assurance phantomfor frameless single-isocenter multitarget stereotactic radiosurgery."Physicsin Medicine&Biology 65.11(2020):115006.
[5]Ritter,T.A.,et al."Automated EPID-based measurement of MLC leafoffset as a quality control tool."Biomedical Physics&Engineering Express 4.2(2018):027008.
[6]Ravindran,Paul B."A study of Winston–Lutz test on two differentelectronic portal imaging devices and with low energy imaging."Australasianphysical&engineering sciences in medicine 39.3(2016):677-685.
[7]Jia,Mengyu,et al."Deep learning-enabled EPID-based 3D dosimetryfor dose verification of step-and-shoot radiotherapy."Medical Physics(2021).
[8]Palmer A,Kearton J and Hayman O 2012A survey of the practice andmanagement of radiotherapy linear accelerator quality control in the UKBr.J.Radiol.85e1067–73
发明内容
本发明目的是提供一种基于辐射致发光技术的精准放疗一体化质量评估系统，并给出基于此系统实现的MLC叶片移动速度间接检测方法。本发明通过搭建经过系统优化设计的辐射致发光成像平台，基于本发明提出的辐射致发光成像平台，可以针对关键质控项，实现复杂条件下的辐射野实时可视化及其基础上的一体化综合测量，克服传统质控方法存在的技术瓶颈以及需要多种测量设备协同工作带来的复杂度和局限性，不仅有效降低临床工作量，提升检测精度和效率，更是为具有强关联性验证项目的综合评估提供了科学途径。技术方案如下：
一种基于辐射致发光技术的精准放疗一体化质量评估系统，包括立方体避光抗辐射壳体，测量定位模块、辐射致发光组件5、移轴镜头系统6、探测器组件7、线光源8、电离室辐射剂量计10和信号处理单元，其中，
所述测量定位模块，包含四个相同子部件，四个相同子部件分别对称地贴附在立方体避光抗辐射壳体的两个相对的侧面内壁以及底面内壁和顶面内壁，每个子部件具有方形平板结构，其表面四角分别设置一个光照野定位标记11；所述子部件表面几何中心设置一个定位激光十字准心标记12，定位标记和十字准心均采用具有辐射阻隔作用的材料制成；
所述辐射致发光组件5，辐射致发光组件5的主体为涂覆有闪烁晶体的平板结构，称其主体为闪烁体平板，闪烁体平板倾斜放置于所述立方体避光抗辐射壳体内部，闪烁体平板的两个短边，一个与测量定位模块的贴附在侧面内壁的一个子部件的边界重合，另一个与贴附在底面内壁的子部件边界重合，闪烁体平板的四个顶角分别设置有基准点；
所述电离室辐射剂量计10，用于所述信号处理单元中绝对辐射剂量校正，在进行绝对辐射剂量校正时，其传感部件置于所述辐射致发光组件5的几何中心；
所述移轴镜头系统6，设置有调节部件，能够实现聚焦平面的倾斜和偏移改变，从而实现对倾斜放置的辐射致发光组件5成像时的透视畸变校正；
所述探测器组件7，其主体为相机，置于主辐射野外侧，所采集的图像被送入信号处理单元。
进一步地，闪烁晶体为Gd2O2S:Tb。
进一步地，闪烁体平板倾斜45°水平夹角放置。
进一步地，所述立方体避光抗辐射壳体的内壁顶部固定有线光源。
本发明同时提供一种所述的精准放疗一体化质量评估系统实现的MLC叶片移动速度间接检测方法，包括如下的步骤：
(1)建立辐射剂量估计模型，方法如下：a.针对标准水模创建包含不同射野形状的治疗计划，利用治疗计划系统中的剂量计算单元得到水模中指定深度的辐射剂量分布，然后在放疗设备上实施上述治疗计划，并利用一体化质量评估系统进行辐射致发光图像的采集；b.利用采集到的辐射致发光图像和经计算得到的辐射剂量分布分别做为源数据和目标数据，对用于辐射剂量估计的卷积神经网络(CNN)进行训练，从而得到能够将辐射致发光图像映射到水模中指定深度辐射剂量的CNN模型，称为辐射剂量估计模型；c.利用该辐射剂量估计模型，对上述一体化质量评估系统采集到的辐射致发光图像进行相应辐射剂量的估计；
(2)针对标准水模建立治疗计划，设置准直器中的MLC叶片组形成宽度为Δd的窄条状射野，沿固定方向移动一段距离d；计算移动射野总剂量Dtotal，根据设置的剂量率
Figure BDA0003365166210000041
和d,计算得到MLC叶片的理论平均移动速度/>
Figure BDA0003365166210000042
其中/>
Figure BDA0003365166210000043
为MLC总运动时间；
(3)在放疗设备上实施治疗计划，利用所述的精准放疗一体化质量评估系统进行辐射致发光图像的采集，处理方法如下：在放疗实施过程中，由MLC叶片形成的窄条状射野能够致使所述测量定位模块的相应区域发光，并利用所述移轴镜头系统和所述探测器组件进行成像，根据所述测量定位模块的光照野定位标记和十字准心标记，实时获取发光区域的几何中心相对位置，以Δd间距记录上述发光区域的成像结果，并基于训练好的辐射剂量估计模型，对所记录的不同位置发光区域进行辐射剂量的估计，设为Di，其中i＝1,…,[d/Δd+1/2]；
(4)根据辐射致发光组件所探测到的辐射剂量Di，计算MLC叶片移动的瞬时速度Vi，即第i个Δd微距离内的平均速度，Di由下式表示：
Figure BDA0003365166210000044
其中
Figure BDA0003365166210000045
为第i个位置的瞬时剂量率；/>
Figure BDA0003365166210000046
为第i个位置的MLC穿透剂量率，α为MLC开野和闭野时探测剂量比值，即MLC穿透率；设第i个位置相对中心位置/>
Figure BDA0003365166210000047
的剂量率比值为/>
Figure BDA0003365166210000051
在MLC叶片移动速度无误差情况下，MLC窄条扫描后的叠加剂量与MLC开野剂量经分别归一化后具有相同分布，即下式成立：
Figure BDA0003365166210000052
其中
Figure BDA0003365166210000053
和/>
Figure BDA0003365166210000054
分别为MLC开野时第i个和中心位置的剂量；联合式(1)和式(2)，瞬时速度Vi可表示为：
Figure BDA0003365166210000055
其中
Figure BDA0003365166210000056
有：
Figure BDA0003365166210000057
其中ttotal为实际测量值，将式(4)带入式(3)可得：
Figure BDA0003365166210000058
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于辐射致发光技术的精准放疗一体化全自动质量评估系统的结构示意图，图1中：
1-4.测量定位模块5.辐射致发光组件6.移轴镜头系统7.探测器组件8.线光源9.旋钮10.电离室辐射剂量计
图2为系统中测量定位模块子部件定位标记示意图，图2中：
11.光照野定位标记12.定位激光十字准心标记
图3为本发明提供的基于辐射致发光技术的精准放疗一体化全自动质量评估系统的应用场景示意图。图3中：
13.机架 14.准直器 15.治疗床
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行说明。本发明采用如下技术方案：
本发明的基于辐射致发光技术的精准放疗一体化质量评估系统，包括立方体避光抗辐射壳体，四个测量定位模块、辐射致发光组件5、移轴镜头系统6、探测器组件7、线光源8、电离室辐射剂量计10和信号处理单元，其中，
所述测量定位模块，包含四个相同子部件，四个相同子部件分别对称地贴附在立方体避光抗辐射壳体的两个相对的侧面内壁以及底面内壁和顶面内壁，每个子部件具有方形平板结构，其表面四角分别设置一个光照野定位标记11；所述子部件表面几何中心设置一个定位激光十字准心标记12，定位标记和十字准心均采用具有辐射阻隔作用的材料制成。
所述辐射致发光组件5，其主体为涂覆有闪烁晶体(Gd2O2S:Tb)的平板结构，称之为闪烁体平板，闪烁体平板倾斜(45°水平夹角)放置于所述避光封装壳体内部，闪烁体平板的两个短边，一个与测量定位模块的贴附在侧面内壁的一个子部件的边界重合，另一个与贴附在底面内壁的子部件边界重合，闪烁体平板的四个顶角分别设置有基准点；。
所述电离室辐射剂量计10，用于所述信号处理单元中绝对辐射剂量校正，其传感部件与所述辐射致发光组件5的几何中心基本一致。除用于绝对辐射剂量校正，其他用途时应拔出本系统，从而保持对所述辐射致发光组件5采样完整性。
所述移轴镜头系统6，设置有调节部件，能够实现聚焦平面的倾斜和偏移改变，从而实现对倾斜放置的辐射致发光组件5成像时的透视畸变校正；
所述探测器组件7，为相机，置于主辐射野外侧，其采集的图像被送入信号处理单元。
利用所述避光抗辐射壳体，通过降低环境光干扰和散射辐射噪声，可有效提高测量信噪比和成像帧率，同时对所述探测器组件7起到保护作用。环境光干扰源自室内照明，在测量阶段保持有效室内照明，可避免机架运动时造成碰撞及其他潜在风险。壳体抗辐射部分不应包括所述测量定位模块1-4。成像帧率的提高源于时域中值滤波所需帧数的减少。为了可视化闪烁体平板的基准点，从而进行透视畸变校正，避光壳体内壁顶部安装有线光源8。
所述信号处理单元主要包含两项功能：(1)根据上述一体化质量评估系统采集到的辐射致发光图像，利用卷积神经网络(CNN)将其映射为水模中指定深度的辐射剂量分布，从而实现辐射计量验证。为了训练该CNN，首先在治疗计划系统中针对标准水模创建包含不同射野形状的治疗计划，并利用治疗计划系统中的剂量计算单元得到水模中指定深度的辐射剂量分布，然后在放疗设备上实施上述治疗计划，并利用上述一体化质量评估系统进行辐射致发光图像的采集。采集到的辐射致发光图像以及经计算得到的辐射剂量分布将分别做为训练CNN用的源数据和目标数据。(2)根据上述一体化质量评估系统采集到的辐射致发光图像，采用间接测量方法对MLC叶片移动速度进行检测，从而完成MLC机械特性测试。MLC由多叶光栅组成，用来产生适形靶区的辐射野，与治疗效果和辐射安全性紧密相关，是放疗设备的重要组成部分，对MLC机械特性的周期性检测是放射设备QA的关键环节之一。在针对MLC机械特性的测试项目中，MLC叶片移动速度的检测是重点和难点之一，通常要求QA设备具有较高的时间分辨率。然而，典型基于辐射致发光技术的QA设备受散射辐射影响，一般采用具有大滞后特性的时间域中值滤波方法，导致时间分辨率普遍偏低。为此，本发明采用一种基于辐射剂量估计的间接测量方法对MLC叶片的平均移动速度和瞬时移动速度进行有效检测。
优选的，上述一体化质量评估系统可有效接受LINAC机架13位于0°、90°、180°和270°时，由准直器14所发出的x射线，从而实现多机架角度下的光照野/辐射野一致性和MLC机械特性检测，以及LINAC等中心点检测。实现上述检测的关键之一在于通过倾斜所述辐射致发光组件5，实现对多角度LINAC机架下的辐射野捕获，而典型的平行平板探测器通常无法适用于斜入射野。为此，本系统一方面采用了移轴拍摄技术对产生的透视畸变进行校正；另一方面。在所述信号处理单元中，基于数据驱动型人工智能技术，实现对斜入射导致的辐射致发光图像强度一致性校正。
优选的，所述测量定位模块子部件(1-4)中的定位激光十字准心不仅用于系统摆位，同时，利用在所述辐射致发光组件的闪烁体平板上产生的辐射投影，不仅可用于LINAC等中心点范围确定，也将做为MLC机械特性测试时的参考测量位置。
优选的，所述移轴镜头系统不仅有效降低非正交拍摄角度时引起的图像畸变，提高目标图像位置信息获取的准确度，同时避免探测器倾斜摆位带来的测量系统x向和z向长度扩充，从而导致有效辐射野探测范围的降低。
下面针对本发明涉及的主要QA项目，对本发明提出的解决方案和现有方法进行比较。
1.光照野/辐射野一致性
典型方法：(1)利用LINAC自带的成像装置(EPID)，对经光场对齐后的专有仿体投影进行辐射成像，通过计算投影和辐射野相对位置得到差异量化指标；(2)在放射线胶片上按照光照野进行标记或放置仿体，曝光后计算相对位置差异。
典型方法的局限性：两种QA方法均需额外成像工具，如LINAC自带成像装置EPID或放射线胶片，以及专有仿体或光照野标记。不仅需多系统协同工作，各系统性能对测量结果产生直接影响，如EPID展开位置、EPID灵敏度分布均匀性、放射线胶片的一致性和稳定性、以及胶片冲印效率等。EPID空间分辨率有限(～0.4mm)，相比而言放射性胶片具有较高的分辨率和灵敏度，然而，当考察重力作用对光照野/辐射野一致性的影响时，即LINAC机架角度不为0°时，基于放射性胶片的验证方法难以实施或操作繁琐。
本发明的解决方案：在利用所述测量定位模块5中的定位标记11按光照野对齐后，本系统可在LINAC机架位于0°、90°、180°和270°时，自动分析光照野与辐射野一致性。为了得到高分辨辐射致发光图像从而提高验证精度，除了采用高分辨探测器和高密度薄层闪烁体材料，所述信号处理单元可有效消除所述辐射致发光材料中可见光子散射带来的图像边界模糊。此外，本发明根据所述测量定位模块5中的定位标记11和十字准心12，分别提供两种光照野/辐射野一致性量化指标：野边界距离和野中心偏移。
2.多叶光栅准直器(MLC)机械特性验证
典型方法：一般使用LINAC自带EPID对MLC辐射投影进行成像，并配合专有软件，如PIPSproTM(Standard imaging公司，美国)，开展相关标准检测，包括Garden-Fence、Pickect-Fence或Nongap。
典型方法的局限性：EPID空间分辨率有限(0.45mm),针对小辐射野放疗的应用情况，如脑部肿瘤治疗，该瓶颈问题尤为突出。尽管放射性胶片在灵活性和测量精度方面均有提升，但胶片的一致性和稳定性难以保证，并且冲印和读取较繁琐和耗时。
本发明的解决方案：本系统可在LINAC机架位于0°、90°、180°和270°时，自动分析MLC叶片到位精度、重复性和移动速度。为了得到高分辨辐射致发光图像从而提高位置信息提取精度，除了采用高分辨探测器和厚度压缩闪烁体材料，所述信号处理单元可有效消除所述辐射致发光材料中可见光子散射带来的图像边界模糊。为了得到绝对位置信息，本系统包括多个参考测量位置：所述测量定位模块的四个光照野定位标记和一个定位激光十字准心在所述辐射致发光模块上的投影。
3.LINAC等中心(Isocenter)精度
典型方法：采用专有等中心测试仿体，如MIMITM(Standard imaging公司，美国)和MultiPHANTM(Sun Nuclear公司，美国)，并基于LINAC自带的EPID装置对仿体投影进行成像。
典型方法的局限性：由于等中心测试对图像分辨率要求较高，因此QA项目(2)中存在的技术瓶颈仍然比较突出。
本发明的解决方案：本发明系统主要确定三项机械运动的等中心范围：(1)LINAC机架旋转；(2)LINAC准直器旋转；(3)治疗床旋转。其中第一项测试主要依赖所述测量定位模块子部件中的十字准心，通过其在LINAC机架不同旋转角度下的投影几何中心，确定等中心范围。得益于高分辨的辐射致发光图像，相比基于EPID的检测方式，将有效提高测试精度。剩余两项测试将通过设置MLC形成一窄条状射野并分析其在不同旋转位置叠加后的辐射投影图。
4.LINAC辐射计量验证
典型方法：临床上常用的二维计量学验证设备主要包括阵列型电离室/二极管和放射线胶片，并配合相应固态水模完成。
典型方法的局限性：(1)放射线胶片的固有缺陷；(2)高分辨阵列型电离室/二极管剂量验证设备不仅造价高昂，且成像区域通常较小，难以满足基于LINAC的临床放疗对射野范围的普遍要求；(3)一般仅在LINAC机架旋转角度为0°时实施。
本发明的解决方案：利用所述信号处理模块实现由辐射致发光图像到相应辐射剂量分布的映射，而得益于高分辨的辐射致发光图像获取，相应辐射剂量分布也具有高分辨优势，取决于训练数据源(本发明采用治疗计划系统的计算结果做为训练真值)。辐射剂量的测量可针对LINAC机架位于0°、90°、180°和270°。
本发明所提出的一体化质量评估系统除了上述各项特有优势外，其最大的亮点在于综合检测能力，涵盖但不限于上述四项QA测试。相比之下，传统方法需依赖众多测量工具，如SunCHECKTMMachine系统(Sun Nuclear公司，美国)和QA PilotTM系统(Standardimaging公司，美国)。此外，基于辐射致发光技术已开发出面向LINAC的一体化QA设备，如申请人所在课题组研制的一种全自动化QA系统，然而目前这些系统的集成度较低，尚未实现对上述所有关键QA项目的综合检测。
放疗在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出，已成为目前癌症治疗的重要手段之一，其有效实施高度依赖治疗设备的可靠性、稳定性和控制精度。针对临床放疗中普遍采用的直线加速器治疗设备，本发明提供的一体化质量评估系统，通过发展先进辐射致发光成像平台和及其基础上的人工智能信号处理技术，克服了传统方法在系统集成度、测量综合性和自动化水平等方面的重要局限，不仅有效降低临床工作量，提升检测精度和效率，更是为具有强关联性验证项目的综合评估提供了科学途径，从而有效解决了日新月异的放疗技术与放疗设备质量评估复杂度之间的长期矛盾，对全面推进放疗加速器国产化、放疗及其辅助方法的技术进步将起到重要作用，为我国在放疗质控领域的技术更新和产业升级奠定必要的理论和方法基础。
下面结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于辐射致发光技术的精准放疗一体化全自动质量评估系统。使用前需进行系统自校正，步骤如下：
1.开启线光源8，通过调节旋钮9，对所述移轴镜头系统6的角度和偏移量进行调整，实现对所述辐射致发光组件的透视畸变校正和有效对焦；
2.关闭线光源8，完成暗场校正；
3.将系统置于开野(即铅门和MLC均处于完全缩回状态)，完成亮场校正。亮场校正需重复4次，分别针对LINAC机架13位于0°、90°、180°和270°情形。
上述步骤(2)及(3)可周期性开展，从而避免辐射致发光材料可能存在的转换效率随时间发生轻微退化问题。其他自校正项目还包括在所述信号处理单元中对铅门位置的标定。
系统自校正结束后，可针对临床LINAC开展QA测试。测试时，上述一体化全自动质量评估系统需放置在LINAC治疗床末端靠近机架位置13，使所述辐射致发光组件结构长边与治疗床15轴向垂直，并利用所述测量定位模块子部件(1-3)中的十字准心，根据治疗室内定位激光，使系统处于LINAC等中心位置。具体而言，针对临床LINAC可实现如下六类QA测试项目：
QA项目一：光照野/辐射野一致性检测。该项检测可针对LINAC机架13位于90°、180°和270°时开展。测试结果将包含野边界偏移量及野几何中心偏移量。测试开始时，按标准野(如30×30cm2)设置铅门位置，利用所述测量定位模块的光照野定位标记11，将系统按光照野对齐。辐射野边界可依据设定的采集信号强度阈值(如最大值50％)确定。
QA项目二：准直器铅门位置指示精度。利用采集到的辐射致发光图像，依据预置比例系数，实现辐射野尺寸到铅门物理位置的映射，从而确定控制终端中铅门位置指示偏差。
QA项目三：治疗室定位激光精度。利用所述测量定位模块子部件(1-3)中的十字准心12，根据治疗室内定位激光，使系统处于假定的LINAC等中心位置。在LINAC机架13位于90°、180°和270°时，分别投递标准野，根据对所述测量定位模块子部件(1-3)中的十字准心投影定位，确定定位精度偏差。
上述QA项目测试完成后，可依据治疗室内定位激光对本系统进行重新摆位，并继续开展以下QA项目：
QA项目四：MLC机械特性检测：叶片到位精度、重复性和移动速度。MLC测试可在LINAC机架13位于90°、180°和270°时进行。对到位精度和重复性的检测可按照标准Garden-Fence测试、Pickect-Fence测试或Nongap测试进行，其中参考测量位置将包括所述测量定位模块的四个光照野定位标记和一个定位激光十字准心在所述辐射致发光模块上的投影。
相比针对MLC机械特性的其他测试项目，MLC叶片移动速度的检测是重点和难点之一，通常要求QA设备具有较高的时间分辨率。然而，典型基于辐射致发光技术的QA设备受散射辐射影响，一般采用具有大滞后特性的时间域中值滤波方法，导致时间分辨率普遍偏低。为此，本发明采用一种基于辐射剂量估计的间接测量方法对MLC叶片的平均移动速度和瞬时移动速度进行有效检测，具体步骤如下：
1.在治疗计划系统中针对标准水模建立治疗计划，设置准直器14中的MLC叶片组形成一窄条状射野(宽度为Δd)，沿固定方向移动一段距离(d)；利用治疗计划系统中的剂量计算单元计算上述移动射野总剂量(Dtotal)。根据设置的剂量率
Figure BDA0003365166210000111
和d,可得MLC叶片的名义平均移动速度/>
Figure BDA0003365166210000112
其中/>
Figure BDA0003365166210000113
为MLC总运动时间。
2.在放疗设备上实施上述治疗计划，并利用上述一体化质量评估系统进行辐射致发光图像的采集，具体处理方法如下：在放疗实施过程中，由MLC叶片形成的窄条状射野能够致使所述测量定位模块1-4的相应区域发光，并利用所述移轴镜头系统6和所述探测器组件7进行成像，根据所述测量定位模块的光照野定位标记11和十字准心标记12，实时获取发光区域的几何中心相对位置，以Δd间距记录上述发光区域的成像结果，并基于所述信号处理单元中的辐射剂量计算方法，对所记录的不同位置发光区域进行辐射剂量的估计，设为Di，其中i＝1,…,[d/Δd+1/2]。
3.在所述信号处理单元中，根据本系统探测到的辐射剂量(Di)，计算MLC叶片移动的瞬时速度(Vi)，即第i个Δd微距离内的平均速度。Di可由下式表示：
Figure BDA0003365166210000114
其中
Figure BDA0003365166210000115
为第i个位置的瞬时剂量率；/>
Figure BDA0003365166210000116
为第i个位置的MLC穿透剂量率，α为MLC开野和闭野时探测剂量比值，即MLC穿透率。设第i个位置相对中心位置/>
Figure BDA0003365166210000117
的剂量率比值为/>
Figure BDA0003365166210000118
已有研究证明，在MLC叶片移动速度无误差情况下，MLC窄条扫描后的叠加剂量与MLC开野剂量经分别归一化后具有相同分布，即下式成立：
Figure BDA0003365166210000121
其中
Figure BDA0003365166210000122
和/>
Figure BDA0003365166210000123
分别为MLC开野时第i个和中心位置的剂量。联合式(1)和式(2)，瞬时速度(Vi)可表示为：
Figure BDA0003365166210000124
其中
Figure BDA0003365166210000125
基于标准工具的实验结果表明，在不同MLC叶片移动速度和叶片宽度Δd情况下，κ值较稳定，因此有：
Figure BDA0003365166210000126
其中ttotal为实际测量值。将式(4)带入式(3)可得：
Figure BDA0003365166210000127
QA项目五：LINAC等中心点检测。该测试主要用于确定：
1.LINAC机架13的旋转中心范围。设置标准方形射野，在LINAC机架位于0°、90°、180°和270°时，自动捕捉由所述测量定位模块子部件(1-3)中十字准心的投影位置，确定一个最小圆，使其与所有十字准心相交，该最小圆半径将做为LINAC机架旋转中心范围的量化指标。
2.LINAC准直器14的旋转中心范围。设置MLC形成一窄条状射野，并设置当准直器位于不同旋转角度时出束，将所有不同旋转角度下探测得到的射野投影叠加，确定一个最小圆，使其与所有投影“线段”相交，该最小圆半径将做为LINAC准直器14旋转中心范围的量化指标。以上检测需针对不同LINAC机架角度重复进行。
3.治疗床15的旋转中心范围。设置MLC形成一窄条状射野，并设置当治疗床处于不同旋转角度时出束，剩余步骤同LINAC准直器旋转中心检测。检测期间，LINAC机架角度保持为0°。
QA项目六：辐射计量验证。计量学检测目的是得到治疗计划系统(Treatmentplanning system,TPS)计算出的水模中指定深度下辐射剂量分布与实际值的差异；检测的基础原理是利用所述信号处理模块实现由辐射致发光图像到相应辐射剂量分布的映射。检测时采用标准辐射野，由所述测量定位模块给出其位置信息，处理后的剂量分布与治疗计划系统理论值进行比较，得到相应的Gamma分布图、剂量轮廓线差异以及等中心剂量差异。
为了实现自动化测量，以上各QA项目中相关LINAC机械动作(如机架旋转、MLC运动和准直器旋转等)、治疗床移动和旋转、辐射出束控制等，分别在相应XML或DICOM格式的脚本文件中顺序指定，供治疗设备自动调用和执行。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种基于辐射致发光技术的精准放疗一体化质量评估系统，包括立方体避光抗辐射壳体，测量定位模块、辐射致发光组件(5)、移轴镜头系统(6)、探测器组件(7)、线光源(8)、电离室辐射剂量计(10)和信号处理单元，其中，
所述测量定位模块，包含四个相同子部件，四个相同子部件分别对称地贴附在立方体避光抗辐射壳体的两个相对的侧面内壁以及底面内壁和顶面内壁，每个子部件具有方形平板结构，其表面四角分别设置一个光照野定位标记(11)；所述子部件表面几何中心设置一个定位激光十字准心标记(12)，定位标记和定位激光十字准心标记(12)均采用具有辐射阻隔作用的材料制成；
所述辐射致发光组件(5)的主体为涂覆有闪烁晶体的平板结构，称其主体为闪烁体平板，闪烁体平板倾斜放置于所述立方体避光抗辐射壳体内部，闪烁体平板的两个短边，一个与测量定位模块的贴附在侧面内壁的一个子部件的边界重合，另一个与贴附在底面内壁的子部件边界重合，闪烁体平板的四个顶角分别设置有基准点；
所述电离室辐射剂量计(10)，用于对所述信号处理单元中绝对辐射剂量校正，在进行绝对辐射剂量校正时，其传感部件置于所述辐射致发光组件(5)的几何中心；
所述移轴镜头系统(6)，设置有调节部件，能够实现聚焦平面的倾斜和偏移改变，从而实现对倾斜放置的辐射致发光组件(5)成像时的透视畸变校正；
所述探测器组件(7)，其主体为相机，置于主辐射野外侧，所采集的图像被送入信号处理单元；
所述信号处理单元，执行如下的步骤：
(1)建立辐射剂量估计模型，方法如下：a.针对标准水模创建包含不同射野形状的治疗计划，利用治疗计划系统中的剂量计算单元得到水模中指定深度的辐射剂量分布，然后在放疗设备上实施上述治疗计划，并利用一体化质量评估系统进行辐射致发光图像的采集；b.利用采集到的辐射致发光图像和经计算得到的辐射剂量分布分别做为源数据和目标数据，对用于辐射剂量估计的卷积神经网络CNN进行训练，得到能够将辐射致发光图像映射到水模中指定深度辐射剂量的CNN模型，称为辐射剂量估计模型；c.利用该辐射剂量估计模型，对上述一体化质量评估系统采集到的辐射致发光图像进行相应辐射剂量的估计；
(2)针对标准水模建立治疗计划，设置准直器中的MLC叶片组形成宽度为Δd的窄条状射野，沿固定方向移动一段距离d；计算移动射野总剂量Dtotal，根据设置的剂量率
Figure FDA0004199942820000011
和d,计算得到MLC叶片的理论平均移动速度/>
Figure FDA0004199942820000012
其中/>
Figure FDA0004199942820000013
为MLC总运动时间；
(3)在放疗设备上实施治疗计划，利用所述的精准放疗一体化质量评估系统进行辐射致发光图像的采集，处理方法如下：在放疗实施过程中，由MLC叶片形成的窄条状射野能够致使所述测量定位模块的相应区域发光，并利用所述移轴镜头系统和所述探测器组件进行成像，根据所述测量定位模块的光照野定位标记和定位激光十字准心标记，实时获取发光区域的几何中心相对位置，以Δd间距记录上述发光区域的成像结果，并基于训练好的辐射剂量估计模型，对所记录的不同位置发光区域进行辐射剂量的估计，设为Di，其中i＝1,…,[d/Δd+1/2]；
(4)根据辐射致发光组件所探测到的辐射剂量Di，计算MLC叶片移动的瞬时速度Vi，即第i个Δd微距离内的平均速度，Di由下式表示：
Figure FDA0004199942820000021
其中
Figure FDA0004199942820000022
为第i个位置的瞬时剂量率；/>
Figure FDA0004199942820000023
为第i个位置的MLC穿透剂量率，α为MLC开野和闭野时探测剂量比值，即MLC穿透率；设第i个位置相对中心位置/>
Figure FDA0004199942820000024
的剂量率比值为
Figure FDA0004199942820000025
在MLC叶片移动速度无误差情况下，MLC窄条扫描后的叠加剂量与MLC开野剂量经分别归一化后具有相同分布，即下式成立：
Figure FDA0004199942820000026
其中
Figure FDA0004199942820000027
和/>
Figure FDA0004199942820000028
分别为MLC开野时第i个和中心位置的剂量；联合式(1)和式(2)，瞬时速度Vi可表示为：
Figure FDA0004199942820000029
其中
Figure FDA00041999428200000210
有：
Figure FDA00041999428200000211
其中ttotal为实际测量值，将式(4)带入式(3)可得：
Figure FDA00041999428200000212
2.根据权利要求1所述的精准放疗一体化质量评估系统，其特征在于，闪烁晶体为Gd2O2S:Tb。
3.根据权利要求1所述的精准放疗一体化质量评估系统，其特征在于，闪烁体平板倾斜45°水平夹角放置。
4.根据权利要求1所述的精准放疗一体化质量评估系统，其特征在于，所述立方体避光抗辐射壳体的内壁顶部固定有有线光源。
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