CN1141203A - 辐射设备中调节辐射的系统和方法 - Google Patents

Abstract

在辐射设备特别是辐射治疗设备中以辐射束形式投向目的物的实际辐射量用位于辐射源和目的物之间的板装置的开口度来加以调节，故对于照域来说辐射输出具有恒定的楔因数而与开口尺寸无关。楔因数的定义是指当在辐射束路径上设有预定的物理楔时辐射束基准轴线上的一个基准辐射输出与在基本上没有能量损失的辐射束路径上的一个实际辐射输出的比率。

Description

辐射设备中调节辐射的系统和方法

本发明涉及一种辐射设备，特别是一种在辐射治疗设备中调节对目的物所作辐射的系统与方法。

辐射设备目前已被公知和公用，例如用作治疗病人的辐射治疗设备。辐射治疗设备中通常包括在治疗过程中可绕水平转动轴线转动的支架。用于产生治疗用的高能辐射束的线性加速器位于支架中。这种高能辐射束可以是电子辐射束或光子(X射线)束。在医疗过程中射束指向躺在支架旋转等角中心上的病人身上的某个区域。

为了对目的物上所受的辐射加以控制，在辐射源和目的物之间的辐射束路径上通常设有例如是板装置或准直仪等辐射束屏蔽装置。辐射束屏蔽装置在目的物上限定出一个照域，使处方规定量的辐射被投射于其上。

投射于目的物上的辐射可以分开成基本分量和散射分量。基本分量辐射是由从辐射源发出的起始或原始光子所形成，而散射分量辐射是由板装置本身散射出来的光子造成的。因为基本辐射中附加了增加的准直器散射，所以辐射束的辐射量在自由空间中也增加了。即照域上的某点在受到直接辐射即基本辐射的同时也受到从板装置上散射的辐射的照射。对于一个基准照域(如10×10cm²)，在空气中的带有散射的辐射输出与不含散射时的辐射输出之比通常称为输出因数或准直器散射因数。输出因数的概念与定义在现有技术中是被广泛了解的。

这样，由于存在这些散射的光子，使得投向目的物表面的剂量受到板装置开口尺寸也即照域的尺寸的影响。这就意味着在同一点上例如是投在目的物上的辐射束中心处所受的照射会因为板装置开度的大小而变化。在板装置的开口较小时在一点上所受的累积剂量要比开口较大时在同一点上所受的累积剂量小。

经常地在辐射束径迹上置放专用的滤器或吸收块以调节辐射束的等剂量分布。最常使用的滤器是楔形滤器。这是一种楔形的吸收块，它横跨辐射束来造成其强度的渐减，使等剂量曲线相对于它们的正常位置得以改变。这种楔形滤器通常用致密的材料来制造，例如铅、钢或其它吸收性材料。

采用楔形滤器减低了辐射机构的辐射输出，这种减少必须在治疗的计算中加以考虑。这种效应的特点被称作“楔因数”，其定义为在辐射束中轴线的目的物上一点处在有和没有楔置入射束的情况下剂量的比率。楔因数与材料、尺寸与楔角有关。楔，特别是楔因数，在Willams&Wilkins出版的Faiz M.Khan博士所著的《辐射治疗物理学》第234至238页中有所描述。

用这种辐射治疗设备进行的辐射由肿瘤医生处方规定并审核。但辐射设备的实际操作通常由治疗医生来执行。当治疗医生按肿瘤医生的处方规定来进行实际辐射治疗时，装置要被设置程序以进行具体的治疗。在设定疗法程序时，治疗医生必须考虑输出因数并必须根据板装置的开度来调节投射剂量以在目的物的表面上获得规定的照射输出。这种调节量可按已知的方法算出，但治疗医生通常不得不进行手算，故易于出错。在辐射治疗中，如出现计算错误可能导致剂量太低致使治疗无效，或剂量太高产生危险。如果出现大错，如点错小数点，则会引起生命危险。

美国专利US.5148032公开了一种辐射治疗设备，其中目的物上的等剂量曲线借助于具有至少一块可在辐射期间加以控制的活动板的板装置和改变辐射期间辐射束辐射输出来加以调节，以得到在宽范围内变化的可能的等剂量曲线。楔形等剂量分布可以由例如在等速地移动一块板的同时变化辐射束辐射输出而获得。在这种辐射治疗设备中在辐射束路径上没有物理吸收块，而治疗医生必须考虑到这一点。

所以需要有一种方法及相应的系统来调节对目的物的辐射，以确保实际辐射输出与所要求的辐射输出精确相等而不受所应用的楔的影响。

按照本发明，从辐射源输往目的物的辐射以发出可变辐射输出的辐射束且在射束路径上基本上没有能量损失的方式作调节。辐射束路径的限定是借助于移动如一块可动板等至少一件辐射束屏蔽装置来进行。在目的物上限定了一个辐照域。辐射束的辐射输出以预置的射束屏蔽装置位置的函数来作变化，据此使辐射输出的楔因数按预定的方式变动。其中楔因数定义为在射束路径上设有预定形式的物理楔时沿基准射束轴线的辐射输出与在基本上无能量损失的辐射束路径上的实际辐射束辐射输出之比。辐射以使楔因数等于常数的方式变化而与照域的大小无关，该常数最好是1。

图1是本发明带有控制台的辐射治疗设备的示意图。

图2是图1辐射治疗设备中的处理单元、控制单元和辐射束生成系统部分的方框图。

图3显示了在辐射束路径上所设的由吸收块构成的一般楔状滤器的等剂量曲线。

图4显示了通过在辐射束路径上的板装置中的一块板的运动和变化辐射束的辐射输出而实现其中的楔状滤器功能的装置的等剂量曲线。

本发明在下文中主要地参照一个用X射线来对患者进行局部照射并用至少一块活动板来限定从辐射源发出的辐射束的照域的系统来加以描述，但这仅是用作举例而已。本发明可以用来调整任何一种能束，例如电子束(用于取代X射线)来照射任何目的物(不限于病人)，只要其射至照域的辐射能量可以检测或加以估算。

图1中所示的为一般方案的辐射治疗设备2，其中应用了按本发明的原理构成的板4、位于罩壳9内的控制单元和治疗装置100。辐射治疗设备2包括有一个可在治疗过程中绕一水平轴线8旋转的支架6。板4固定在支架6的伸出部上。为了产生治疗所需的高能辐射，在支架6内设置了线性加速器。从线性加速器与支架6发出的辐射束的轴线以标号10表示。电子、光子或其它可检测的辐射均可用于治疗。

在治疗过程中辐射束对准目标体13的区域12，目标体例如可以是一个被治疗的病人，他躺在支架旋转等角中心上。支架6的旋转轴线8、治疗台16的转动轴线14与辐射束轴线10都最好在等角区内交叉。此种辐射治疗设备的构造在1991年9月出版的编号为A91004-M2630-B358-01-4A00的西门子医疗实验室有限公司的小册子《用于辐射肿瘤学的数字系统》中有概括的描述。

病人被施照的区域被称作照域。如所熟知的，板4基本上是辐射不能穿透的。这些板被置于辐射源和病人之间以限定照域，以使身体的一些部位，例如是健康组织，尽可能地少受或最好是完全不受照射。本发明的最佳实例中至少有一块板可以移动，使得照域上的辐射强度不一定均匀分布(在一部分区域上的照射剂量比另一部分区域上的大)。再之，支架也最好可以旋转以实现多种辐射束角度与辐射量分布而不必转动患者。这些特点对本发明都不是必需的：本发明也可以采用定照域设备(没有活动板)或固定的照射率，或固定角度的辐射束(支架不能转动)。

辐射治疗设备2还带有中心治疗处理或控制单元100，后者与辐射医疗设备2通常是分开的：辐射医疗设备2通常被安放在另外的房间里以使医生免受辐射。治疗单元100包括例如至少一台视频显示器或监视器70的输出装置与例如是键盘19的输入装置，不过数据也可以通过例如是数据储存器的数据载体，或是校核并记录或是自动置位的系统102来输入，对此在下文中还要加以详述。治疗处理单元100在正常情况下由治疗医师来实际操作以控制由肿瘤医生规定的辐射治疗。借助于键盘19或其它的输入设备，治疗医生向治疗单元100的控制单元76输入限定病人所受照射的数据，例如为肿瘤医生所处方规定的。程序也可以通过数据存储器等其它输入装置通过数据传输或采用自动设定系统102来加以输入。在治疗过程之前或过程中在监视器70的屏幕上将会显示出各种数据。

在图2中更详细地显示出了辐射治疗设备2与治疗单元100的局部。在电子加速器20中产生出了电子束1。加速器20中包括有电子枪21、波导管22以及真空泡或导引磁铁23。一触发系统3将其产生的发射触发信号输往发射器5，后者根据上述发射触发信号产生发射器脉冲，并向加速器20中的电子枪21发送发射器脉冲以生成电子束1。电子束1被加速并由波导管22加以导引。为此目的设置一个高频源，该高频源提供产生向波导管22提供的电磁场所需的射频(RF)信号。电子被从发射器5注入并由电子枪21发射，在波导管22中由所述电磁场加速，再从与电子枪21相对的另一端以电子束1的形式被射出。电子束1随之进入导引磁铁23，再被导引沿轴线10通过窗口7。电子束在穿过第一散射箔15后再穿过挡块50的通道51到达第二散射箔17。随后电子束穿过测量室60，在那里对其剂量加以确定。如果将散射箔改成一个靶则辐射束即成为X射线辐射束。最终由设在辐射束1路径上的孔径板装置4来对受试体的照域进行确定。孔径板装置4包括两块板41与42。如上所述，这仅是本发明可采用的辐射束屏蔽装置的一个实例。本发明也可用其它的构成形式来运行，只要其中带有限定照域的孔径板装置就行。

板装置4包括有一对孔径板41与42以及与它们垂直的一对附加孔径板(未示出)。为了变化照域的尺寸，孔径板在驱动器43(图2中仅作用于板41)的作用下相相对于轴线10作位移。驱动器43中包括与板41与42相联的电机并由电机控制单元加以控制。位置传感器44和45也分别与板41和42相联以检测它们的位置。这仅仅是这种系统的一个实例，本发明也可以用其它系统，只要有对照域加以限定的辐射束屏蔽装置，且有检测照域尺寸的检测装置。

电机控制单元40与剂量控制单元61相联，后者包括有一个剂量仪控制单元，并与中央处理器18相联，用于提供为达到给定的等剂量曲线的辐射束的设定值。辐射束的强度由测量室60进行测定。根据设定值与实际值之间的偏差，剂量控制单元61向触发系统3提供信号，使其以已知的方式改变脉冲重复频率，以使设定值与辐射束输出实际值间的偏差减小。

在这种辐射治疗设备中，被目的物13所吸收的剂量取决于用于对辐射束整形的滤器的类型。如果将用吸收材料制成的楔形滤器插入辐射束的路径中，则为向目的物13提供所需的剂量，预置的剂量必须按楔因数增加。

图3中示出了位于从辐射源17向目的物13发射的辐射束的路径中的通常的楔形滤器的等剂量曲线。辐射束一方面由楔形滤器整形，而另一方面由孔径板41与42来整形。由于楔形滤器46的吸收性材料的影响，在目的物13上的辐射束中心10处具有最大值Dmax，该值是当没有楔形滤器46时在目的物13表面上辐射束中心10中的一点上的最大值。在图示的实例中，Dmax约为72％。楔因数被定义为有、无楔形滤器时的剂量比，在这种情况下为0.72。

图4中所示的是本发明的辐射治疗装置的等剂量曲线。作为在辐射束路径上所设楔形吸收体的替代物，滤器的功能由变化射束的辐射输出并同时移动至少板装置4中的一块板41而使其它的板保持静止的方式来实现。具有这种滤器装置的辐射治疗设备为专利US5148032所公开。虽然该美国专利叙述了移动任意一块板的可能性，在下面本发明中所述的内容只涉及移动一块板而另一块板仍保持静止。这仅是为了简单起见。本发明同样也可以采用多块活动板。

当图4中的板41相对于板42移动而同时辐射输出按所希望的楔角变化时，借助于调节板41的移动速度和/或相应件的作用，在目的物13表面上穿过射束中心的等剂量曲线的值Dmax＝100％。这样，借助于取代了楔形吸收体的楔功能建立起了等于1或100％的有效因数。也就是说，虽然仍保持着同样的相应的等剂量曲线的外形，而传送到该点的剂量是规定剂量的100％。这就意味着虽然建立了楔形等剂量曲线，但医生在确定治疗方法时不必再考虑楔因数。

图2中所示为对于实现发明是必要的治疗单元100的一些部分。治疗单元100包括其中含有治疗医生按肿瘤医生的指导所编的程序的中央处理器18，使得辐射治疗设备可执行处方规定的辐射治疗。处方规定的辐射治疗通过键盘19输入。

中央处理器18一方面与例如是键盘的用于输入处方规定的辐射治疗辐射量的输入装置相联，另一方面与为控制触发系统3而产生所需的辐射值的剂量控制单元61相联。触发系统3即以对应的通常方式改变脉冲重复频率或其它参数。能对辐射输出加以变化的技能是公知的，如采用数字剂量仪系统则效果最佳，这是因为它可方便地由中央处理器18的数字输出来加以控制。

中央处理器18带有一个控制单元76，控制单元76控制程序的执行，并提供用于控制板装置4的开口的位置信号P和用于调节辐射源17出口处辐射输出的额定剂量信号D(对应于当采用现有技术方法时所要求的板位置，即不考虑输出因数补偿)。存储器77也被设在中央处理单元18内或与之相联以提供修正信号C，而处理单元根据位置感应器44、45输出的位置信号P用该修正信号C来调节辐射输出，以实现规定的恒定输出因数。

存储器的最佳设置方式是相对于每个板位置(照域面积)都存有对应的楔形修正信号C。这样存储器中就存入了一个楔形修正因数表。如果系统中的可动板不止一套，则该表就相应地成为多维的并可使用任意的已知的数据结构来加以排列，故楔形修正因数对于板位置的任意组合形式都是可以取得的。

控制单元76与存储器77分别向组合电路78提供额定剂量与楔形修正信号D与C，组合电路将这些量值组合起来产生设定信号S，设定信号S反过来又送往剂量控制单元61，剂量控制单元61对辐射输出进行调节。

组合电路78取决于楔形修正信号产生与存储的方式。如果楔形修正信号C以对设定的辐射输出进行加法补偿的方式被加以存储，则组合电路就是一个将楔形修正信号C加到额定剂量信号上的加法器。这是一个优选实施例，因为它最简单。但如果楔形修正因数是一个乘数，当辐射输出读出值为72％时，增量就需乘以约等于139％的修正信号。如储存的不是楔形修正信号的实际值，则也可以储存对应于各种照域尺寸的楔形修正函数的参数。处理单元即利用存储器中所存的参数来对每个当前照域的大小对楔形修正函数进行求值，并产生(加法或乘法的)楔形修正信号。

在对病人实施实际治疗前通过一个或多个校正过程对楔形修正信号加以确定。为确定相对楔形修正值需要在已知的基准板位置状态下对已知基准面进行照射，对该表面的辐射输出由通常的感应机构(未示出)读出并由其产生辐照输出信号，然后送往处理单元18。特别地要读出一个基准点(例如辐射束中心处)辐射输出。基准表面不必位于病人所在的平面上，虽然在这个平面上通常可使校准容易进行并更加精确。

随后板移动至一个新的开口位置，再读出辐射输出并定出所需的调节量以建立该位置上的正确等剂量图形。这一过程连续地进行下去，直至对于基准面来说板运动的全范围内的修正值都被存储起来。如果可动板组多于一对，则对于板位置的每一种组合都要读出和存储修正值，组合的数目取决于所期望的或所要求的精度。

修正值表明辐射输出(例如剂量率)要改变多少(通过楔形修正信号)，使发出的剂量分布等于所要求的剂量分布，即所生成的等剂量图形对应于在辐射输出保持恒定并在辐射束路径上设有物理楔时它们将呈现的形状。在实际治疗过程中，对于每一板位置，处理单元都对辐射输出加以调整，使其对应于生成正确等剂量图形所要求的辐射输出。但因为并无实际的物理楔处于辐射束路径上而在基准点上系统被校准为具100％的辐射输出，故治疗医生不需为调整楔因数而作任何计算。如果对楔形修正因数采用加法补偿，则读出辐射值与期望的辐射值之间的差会被加以存储。如果选用乘法补偿的方式，则所储存的是比率。另外任何已知的函数近似方法都可以用来生成所需的加法或乘法楔形修正因数的近似函数的参数。

辐射治疗的“疗程”可以并经常是具有多于一个的照域，并可以运行几个不同的周期。在一些情况下在一个疗程中可以采用例如几百个带不同楔的不同的(在一些情况下是固定的)连续照域，对具有复杂的几何形状或处方规定的剂量图形的照域进行正确的照射，以减轻病人的不适，或在如肿瘤缩小时对照域加以调整。故本发明也包括有选择校正和记录或“自动设定”系统102(见图2)以将参数存储及下置入照射系统(通过CPU18或直接进入存储器)，这些参数例如可以是治疗疗程中的不同的照域的几何参数和/或从先前的对各种形式的照域进行校验的过程中所取得的楔形修正因数的表。

Claims (3)

1、用于调节从辐射源投向目的物的辐射输出的方法，包括以下步骤：

产生具有可变辐射输出的辐射束和从辐射源到目的物间基本上没有能量损失的辐射束路径；

通过移动至少一个束屏蔽装置限定辐射束路径；

限定目的物照域；

按照一个辐射束屏蔽装置的位置的预定函数对辐射束的辐射输出加以变化，并由此按预定的图形对辐射输出的楔因数加以变化，其中楔因数是指在辐射束路径上带有设定的物理楔时沿辐射束基准轴线的基准辐射输出与在基本上没有能量损失的辐射束路径上的实际辐射束辐射输出的比率；

变化辐射输出使楔因数保持恒定而与照域的尺寸无关。

2、如权利要求1所述的方法，其中所述楔因数等于1。

3、用于调节从辐射源投向目的物的辐射输出的系统，包括：

产生具可变辐射输出的辐射束的辐射源；

目的物照域；

用于限定输出辐射束投向目的物上至少一个预定照域的辐射束屏蔽装置；

用于变化辐射束的屏蔽程度和辐射输出的剂量控制单元；

处理装置，用于产生所述包括额定剂量信号与楔形修正因数的设定剂量信号并将其提供给所述剂量控制单元，并用于改变辐射输出以使楔因数保持恒定而不受屏蔽程度的影响，其中所述楔因数定义为在辐射束路径上设有预定的物理楔时沿辐射束基准轴线的一个基准辐射输出与在基本上没有能量损失的辐射束路径上的一个实际辐射输出的比率。

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