CN114129912B - 一种放疗剂量验证的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种放疗剂量验证的方法，属于放疗过程中的剂量验证技术领域。本发明的方法首先由EPID上的灰度响应值提取出EPID上的原射线灰度响应值并转换为EPID上的原射线通量，然后反推计算出模体内每一点的原射线通量值，再利用模体内的散射核确定模体内的散射线通量值，最后，利用模体内的剂量转换因子得到对应位置的剂量值；现有技术中剂量转换是在EPID上通过拟合的方式实现的，由于放疗过程中患者体内某位置的实际剂量吸收是和穿透该位置的X(γ)射线通量相关的，与EPID上的通量没有直接的联系，与现有技术相比，本发明的剂量转换因子更符合实际物理过程，重建出的剂量精度更高。

Description

一种放疗剂量验证的方法
技术领域
本发明涉及一种放疗剂量验证的方法，该方法通过基于EPID(电子射野影像装置)的直接反演计算三维剂量，然后将模体内的三维射线剂量和TPS剂量进行比较，以实现放疗剂量验证，属于放疗过程中剂量验证技术领域。
背景技术
现有的放疗剂量验证方法可以分为两大类：正向法和反向法。正向法的主要缺陷是只能在二维平面上比较剂量差异，而且EPID平面上的剂量差和患者体内剂量差之间的关系尚不明确。为了实现精准放疗，必须使用反向法。反向法的最新发展是M.Wending等人在2012年提出的，其算法的主要步骤是：①通过建立好的模型去除EPID上的散射线灰度值；②利用拟合出来的EPID灰度-剂量响应曲线将EPID上的原射线灰度值转换为EPID上的原射线剂量；③利用原射线透射率和CT图像反演计算模体内的原射线剂量；④利用模体内的原射线剂量乘以模体内的散射线和原射线比值，再和散射核函数卷积计算模体内的散射线剂量；⑤将模体内的原射线剂量和模体内的散射线剂量相加得到模体内的剂量。该方法总体上可以得到比较满意的模体内的三维射线剂量，但是，该方法还存在几点缺陷，主要是：①该方法的剂量转换是在EPID平面上实现的，将EPID平面的灰度值转换为剂量值，然后通过指数衰减反推到模体中。但是，X射线释放的剂量值与质能衰减系数相关，EPID设备的密度值和模体不同，所以二者之间的关系不能用简单的指数衰减来转换。②在计算模体内的散射核剂量过程中，该方法假定在重建面的下面有着和重建面上面一样的材料。因此，在对计算模体内任意深度的散射线剂量时，要乘的模体内的散射线和原射线比值是入射深度两倍的函数即SPR[Tprimary(2dij geom)]，这个假设条件和实际情况并不是很符合，对剂量重建的准确性有一定的影响。③该方法在计算散射核的时候只使用中心点测量值，但是不同深度下的散射核并不相同。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种放疗剂量验证的方法，该方法通过反演计算模体内的三维射线剂量，弥补了现有技术的缺陷。该方法是一种基于EPID数据和相应的模体CT图像直接反演计算模体内的三维射线剂量的方法。
本发明的技术解决方案是：
一种放疗剂量验证的方法，该方法的步骤包括：
第一步，建立EPID上的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值比值的模型；
第二步，建立EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线模型；
第三步，建立EPID上的原射线衰减系数及原射线硬化系数模型；
第四步，建立模体内的散射核模型；
第五步，建立模体内的剂量转换因子模型；
第六步，通过EPID设备采集放疗时每个射野的图像，利用第一步建立的EPID上的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值比值模型以及第二步建立的EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线模型得到各个射野下EPID上的原射线通量；
第七步，利用第三步建立的EPID上的原射线衰减系数及原射线硬化系数模型和第六步得到的各个射野下EPID上的原射线通量确定模体内的三维原射线通量；
第八步，对第七步得到的模体内的三维原射线通量和第四步建立的模体内的散射核模型做逐层二维卷积得到模体内的三维散射线通量；
第九步，将第七步得到的模体内的三维原射线通量和第八步得到的模体内的三维散射线通量相加得到模体内的三维射线通量；
第十步，利用第五步建立的模体内的剂量转换因子模型将第九步得到的模体内的三维射线通量转换为模体内的三维射线剂量，将模体内的三维射线剂量和TPS剂量进行比较，以实现放疗剂量验证。
作为本发明的一种优选方式，所述的第一步中，建立EPID上的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值比值的模型的具体方法为：
采集固体水模体在不同射野大小、不同模体厚度下的EPID图像，采集到的EPID图像上灰度响应值Gij EPID(fs,t)包括散射线灰度响应值Gij S(fs,t)和原射线灰度响应值Gij P(t)，关系如式(1)所示：
Gij EPID(fs,t)＝Gij S(fs,t)+Gij P(t) (1)
其中，i、j为EPID图像上的坐标索引，fs表示射野尺寸，t表示模体厚度，Gij EPID(fs,t)表示射野尺寸为fs、模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的灰度响应值；Gij S(fs,t)表示射野尺寸为fs、模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的散射线灰度响应值；Gij P(t)表示模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的原射线灰度响应值。EPID上的原射线灰度响应值Gij P(t)和射野尺寸无关，而散射线灰度响应值Gij S(fs,t)受射野尺寸影响，所以可以认为射野尺寸接近0时没有散射线灰度响应值，即：
Figure BDA0003375846550000031
其中，
Figure BDA0003375846550000032
表示射野尺寸为0、模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的灰度响应值。所以，EPID上的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值的比值用SPRij(fs,t)表示，SPRij(fs,t)模型为：
Figure BDA0003375846550000033
其中，SPRij(fs,t)表示射野尺寸为fs、模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值的比值。
作为本发明的一种优选方式，所述的第二步中，建立EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线模型的方法为：
将电离室夹在三维水箱上，电离室外装平衡帽，电离室中心与EPID设备上表面对齐，射野大小根据三维水箱大小预先设定，利用电离室扫描EPID对角线方向得到的剂量剖线即为无模体时不同离轴位置的EPID上的原射线通量
Figure BDA0003375846550000041
之后，在射野大小不变的条件下使用X射线照射EPID设备，得到EPID图像，用公式(3)计算出EPID图像上与电离室中心对应位置无模体时的原射线灰度响应值
Figure BDA0003375846550000042
则EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线模型CHij为：
Figure BDA0003375846550000043
其中，CHij表示EPID图像上(i,j)点处的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线；
Figure BDA0003375846550000044
表示模体厚度为0时EPID图像上的原射线通量的离轴分布曲线；
Figure BDA0003375846550000045
表示模体厚度为0时EPID图像上与电离室中心对应位置的原射线灰度响应值。
作为本发明的一种优选方式，所述的第三步中，建立EPID上的原射线衰减系数及原射线硬化系数模型的具体方法为：
采集固体水模体在设定射野大小、不同模体厚度下的EPID图像，采集到的EPID图像上各点的原射线透射率用公式(5)计算：
Figure BDA0003375846550000046
其中，
Figure BDA0003375846550000047
表示模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的原射线透射率；
设定射野大小是指要求射野尺寸大，其目的是为了得到尽可能远离轴位置的原射线衰减系数和原射线硬化系数，射野尺寸要求在EPID设备允许的条件下尽可能大。
并且，EPID图像上各点的原射线透射率在理论上应当符合射线硬化修正后的朗伯-比尔定律，如式(6)所示：
Figure BDA0003375846550000051
其中，
Figure BDA0003375846550000052
表示模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的原射线透射率；aij表示EPID图像上(i,j)点处的原射线衰减系数；bij表示EPID图像上(i,j)点处的原射线硬化系数；
改变公式(5)中t和(i,j)的值，可以得到一组原射线透射率
Figure BDA0003375846550000053
的值，再通过拟合的方法得到公式(6)中EPID图像上的原射线衰减系数aij和原射线硬化系数bij的值；
作为本发明的一种优选方式，所述的第四步中，建立模体内的散射核模型为：
Figure BDA0003375846550000054
其中，r表示用于拟合康普顿散射所使用的高斯函数的自变量，Ker(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时的模体内的散射核，k1(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时一阶康普顿散射的权重；k2(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时高阶康普顿散射的权重；σ1(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时用于拟合一阶康普顿散射的高斯函数的标准差；σ2(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时用于拟合高阶康普顿散射的高斯函数的标准差；高阶康普顿散射指的是二阶及以上康普顿散射。为了确定式(7)中散射核模型的未知参数k1(fs,t)、k2(fs,t)、σ1(fs,t)、σ2(fs,t)，需要采集固体水模体下不同射野大小、不同模体厚度的EPID图像，并利用第一、二、三步所建立的模型确定采集到的EPID图像对应的固体水模体内的原射线通量；再用固体水模体内的原射线通量和式(7)表示的散射核模型做逐层二维卷积得到固体水模体内的散射线通量，并将固体水模体内的原射线通量和固体水模体内的散射线通量相加，得到固体水模体内的射线通量，最后，在最大值归一化的条件下和TPS剂量进行比较，调试出均方误差最小的参数。其中，固体水模体内的原射线通量的具体计算方法见第六、七步；固体水模体内的散射线通量和固体水模体内的射线通量的具体计算方法见第五步。
作为本发明的一种优选方式，所述的第五步中，建立模体内的剂量转换因子模型的具体方法为：
对模体内的三维原射线通量Φxyz P(t)和模体内的散射核Ker(fs,t)做逐层的二维卷积，得到模体内的三维散射线通量Φxyz S(fs,t)，如式(8)所示。再将模体内的三维原射线通量Φxyz P(t)和模体内的三维散射线通量Φxyz S(fs,t)相加得到模体内的三维射线通量Φxyz phantom(fs,t)，如式(9)所示。最后，用TPS剂量
Figure BDA0003375846550000061
除以模体内的三维射线通量Φxyz phantom(fs,t)，该比值即为模体内的剂量转换因子模型trxyz(fs,t)，如式(10)所示；TPS即为放疗计划系统；
Figure BDA0003375846550000062
其中，Φxyz S(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的三维散射线通量；Φxyz P(t)表示模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的三维原射线通量；
Figure BDA0003375846550000063
表示二维卷积；
Φxyz phantom(fs,t)＝Φxyz P(t)+Φxyz S(fs,t) (9)
其中，Φxyz phantom(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的三维射线通量；
Figure BDA0003375846550000064
其中，
Figure BDA0003375846550000065
表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的TPS剂量；trxyz(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的剂量转换因子。
作为本发明的一种优选方式，所述的第六步中，各个射野下EPID上的原射线通量的确定方法为：
由公式(2)和(3)可推知，
Figure BDA0003375846550000071
再将得到的EPID上的原射线灰度响应值Gij P(t)乘以EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线CHij对应位置的值，确定EPID上的原射线通量ψij P(t)，如式(12)所示。
Figure BDA0003375846550000072
其中，
Figure BDA0003375846550000073
表示模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的原射线通量。
作为本发明的一种优选方式，所述的第七步中，利用EPID上的原射线衰减系数及原射线硬化系数模型确定模体内的三维原射线通量的方法为：
对第六步得到的EPID图像上的原射线通量
Figure BDA0003375846550000074
进行反投影计算，反投影计算的射线数和EPID的像素数目相同且一一对应，为了便于射束计算，实际计算中可以先将模体旋转到放射源垂直向下照射，并且把放射源发出的锥形射线插值为平行射线，这样每条射线的路径都是竖直向下；插值之后，反投影可以直接沿着竖直方向计算，可以用公式(13)表示该过程：
Figure BDA0003375846550000075
其中，dxyz表示从EPID上(i,j)点处到模体内(x,y,z)位置的等效水厚度。EPID上(i,j)点处到模体内(x,y,z)位置的等效水厚度指的是：和EPID上(i,j)点处到模体内(x,y,z)位置有相同X射线强度衰减效果的水模体的厚度。等效水厚度dxyz可以根据模体的CT图像进行换算，换算方法是：对模体的CT图像做图3所示的插值计算，并依据CT值-电子密度转换曲线将CT值转换为相应的电子密度，计算EPID图像上(i,j)位置到模体内(x,y,z)插值后对应位置路径上的电子密度之和，即为EPID上(i,j)点处到模体内(x,y,z)位置的等效水厚度dxyz。
作为本发明的一种优选方式，所述的第八步中，利用模体内的三维原射线通量和模体内的散射核逐层二维卷积得到模体内的三维散射线通量的方法为：
将第七步得到的模体内的三维原射线通量Φxyz P(t)和建模得到的散射核Ker(fs,t)做逐层的二维卷积，即可得到模体内的三维散射线通量Φxyz S(fs,t)，如式(8)所示。
作为本发明的一种优选方式，所述的第九步中，将模体内的三维原射线通量和模体内的三维散射线通量相加得到模体内的三维射线通量，如式(9)所示。
作为本发明的一种优选方式，所述的第十步中，利用模体内的剂量转换因子将模体内的三维射线通量转换为模体内的三维射线剂量，并将模体内的三维射线剂量和TPS剂量进行比较的方法为：
将模体内的三维射线通量Φxyz phantom(fs,t)和对应射野尺寸及模体厚度下的剂量转换因子trxyz(fs,t)相乘得到模体内的三维射线剂量Dxyz(fs,t)，如式(14)所示。
Dxyz(fs,t)＝Φxyz phantom(fs,t)·trxyz(fs,t) (14)
其中，Dxyz(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的三维射线剂量；
最后计算模体内的三维射线剂量Dxyz(fs,t)和TPS剂量
Figure BDA0003375846550000081
的差值，用伽马分析法进行比较(一般采用3％/3mm标准，通过率大于95％)，如式(15)所示。
Figure BDA0003375846550000082
其中，Evaxyz(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的相对剂量误差。
有益效果
(1)本发明的方法首先由EPID灰度值转换为EPID平面的通量，然后反推计算出模体内每一点的通量值，再利用通量-剂量转换关系得到对应位置的剂量值；现有技术中是在EPID上(二维)通过拟合的方式实现的，由于放疗过程中患者体内某位置的实际剂量吸收是和穿透该位置的X(γ)射线通量相关的，与EPID上的通量没有直接的联系，与现有技术相比，本发明的通量-剂量转换更符合实际物理过程，重建出的剂量精度更高。
(2)本发明在原射线通量反演中使用的原射线衰减系数和原射线硬化系数是由固体水模体实验拟合得到的，不需要对重建平面上下方的材料做一致性假设就可以直接进行反演计算，与现有技术方案相比更加符合实际情况，剂量重建的精度更高。
(3)本发明的散射核拟合是在不同深度条件下对比均匀水模体内的原射线通量和TPS剂量得到的，现有技术方案只在模体中心点位置拟合了散射核，并认为不同深度的散射核是不变的。与之相比，本发明的技术方案更加符合实际情况，剂量重建的精度更高。
(4)本发明的方法主要包括参数建模和剂量反演计算，该方法能够利用建模得到的衰减规律直接反演计算三维原射线通量，且对于同一台设备，参数建模只需要进行一次，后续使用过程中可以直接使用该参数进行剂量计算。
(5)本发明利用固体水模体的TPS计划数据和计算出的三维原射线通量拟合出的三维剂量转换因子，从而实现通量-剂量转换。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为采集到的EPID图像示意图；
图3为剂量反推过程中使用的的插值计算示意图；
图4为10cm*10cm2射野下CIRS胸模内三维剂量计算结果示意图；
图5为10cm*10cm2射野下CIRS胸模内TPS剂量示意图；
图6为10cm*10cm2射野下CIRS胸模剂量验证结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
本实施例采用的加速器为瓦里安C2300型，配置HD120型多叶光栅，可以释放射线能量为6MV的X射线用于放射治疗；使用的EPID型号为aS1000，有效探测面积30cm×40cm，成像大小768×1024像素，单个像素大小约为0.039cm×0.039cm，EPID上表面与加速器源之间的距离为150cm，采集图像前已经对EPID进行了本底校正和泛野校正。采集软件使用瓦里安的IAS3(Image Acquistion System3)，采集的EPID图像通过Aria软件导出，后续的剂量验证在MATLAB2019a平台上实现。
利用固体水模体实现该放疗设备的参数建模，再对相同X射线照射条件下的CIRS仿真胸模进行剂量验证，如图1所示；
第一步，建立EPID上的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值比值的模型；
在射线中心轴方向为竖直向下时采集不同射野大小、不同模体厚度的EPID射野图像。如图2所示，采集到的EPID图像上灰度响应值Gij EPID(fs,t)包括EPID上的散射线灰度响应值Gij S(fs,t)和EPID上的原射线灰度响应值Gij P(t)，其关系如前述流程中式(1)。本实施例中，分别采集了射野中心在EPID上(i,j)位置且射野尺寸为3*3、5*5、8*8、10*10、12*12、15*15、18*18、20*20、25*25(单位：cm2)的正方形射野；模体厚度为0、3、5、8、10、12、15、18、20(单位：cm)的固体水模体下的EPID图像。
确定EPID上(i,j)位置原射线灰度响应值Gij P(t)的方法是：取射野中心在EPID上(i,j)位置时不同射野尺寸正方形射野、某一模体厚度t的一组EPID图像；将这一组EPID图像中(i,j)位置的EPID图像上灰度响应值描绘在以横轴为射野尺寸、纵轴为EPID图像上灰度响应值的坐标系中，再根据这些点拟合出一条曲线，该曲线和纵轴的交点即为模体厚度为t时EPID上(i,j)位置的原射线灰度响应值Gij P(t)。改变位置(i,j)和模体厚度t的取值，可以得到其他情况的EPID上的原射线灰度响应值。
确定了EPID上(i,j)位置原射线灰度响应值Gij P(t)之后，根据前述流程中式(1)，用EPID图像上灰度响应值Gij EPID(fs,t)减去EPID上(i,j)位置原射线灰度响应值Gij P(t)即可得到EPID上的散射线灰度响应值Gij S(fs,t)。
第二步，建立EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线模型；
将电离室夹在三维水箱上，电离室外装平衡帽，电离室中心与EPID设备上表面对齐。由于第一步中所采集的最大射野尺寸为25*25cm2，所以该步骤中也采用25*25cm2尺寸的正方形射野照射。利用电离室扫描EPID对角线方向得到的剂量剖线即为无模体时不同离轴位置的EPID上的原射线通量
Figure BDA0003375846550000111
在射野大小不变的条件下使用X射线照射EPID设备，得到EPID图像，再利用本实施例第一步得到的EPID图像上与电离室中心对应位置无模体时的原射线灰度响应值
Figure BDA0003375846550000112
结合前述流程中的公式(4)即可确定EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线模型CHij。
第三步，建立EPID上的原射线衰减系数及原射线硬化系数模型；
将第一步中得到的射野尺寸为25*25cm2正方形射野、模体厚度分别为0、3、5、8、10、12、15、18、20(单位：cm)的固体水模体的EPID上(i,j)位置的原射线灰度响应值Gij P(t)代入前述流程中的式(5)，计算出模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的原射线透射率
Figure BDA0003375846550000113
又因为理论上EPID图像上各点的原射线透射率
Figure BDA0003375846550000114
符合前述流程中式(6)所示的规律，所以，将EPID上(i,j)位置在不同模体厚度下的原射线透射率
Figure BDA0003375846550000115
描绘在横轴为模体厚度t，纵轴为原射线透射率
Figure BDA0003375846550000116
的坐标系中，即可拟合出EPID图像上(i,j)点处的原射线衰减系数aij以及EPID图像上(i,j)点处的原射线硬化系数bij。改变位置(i,j)并重复该步骤，即可建立EPID上的原射线衰减系数及原射线硬化系数模型。
第四步，建立模体内的散射核模型；
待拟合的散射核模型如前述流程中式(7)所示，散射核模型中各参数的拟合方法是：
通过前述流程的第七步确定本实施例第一步中不同射野尺寸fs、不同固体水模体厚度t时EPID上的原射线通量Gij P(t)所对应的模体内的三维原射线通量Φxyz P(t)，将模体内的三维原射线通量Φxyz P(t)与不同参数的散射核模型分别做逐层的二维卷积，如前述流程中的式(8)所示，确定不同参数的散射核模型下的模体内的三维散射线通量Φxyz S(fs,t)。再将模体内的三维原射线通量Φxyz P(t)和不同参数的散射核模型下的模体内的三维散射线通量Φxyz S(fs,t)相加得到一组模体内的三维射线通量Φxyz phantom(fs,t)。最后，在对这一组模体内的三维射线通量Φxyz phantom(fs,t)和TPS剂量
Figure BDA0003375846550000121
做最大值归一化，再计算归一化之后的模体内的三维射线通量和TPS剂量之间的均方误差，选均方误差最小的一组参数作为散射核模型的最终参数，即可建立模体内的散射核模型。
第五步，建立模体内的剂量转换因子模型；
在确定好第四步中的散射核模型之后，将模体内的三维原射线通量Φxyz P(t)与该散射核模型做逐层的二维卷积，如前述流程中的式(8)所示，确定模体内的三维散射线通量Φxyz S(fs,t)。再将模体内的三维原射线通量Φxyz P(t)和模体内的三维散射线通量Φxyz S(fs,t)相加得到模体内的三维射线通量Φxyz phantom(fs,t)，如前述流程中的式(9)所示。最后，直接用TPS剂量
Figure BDA0003375846550000122
除以模体内的三维射线通量Φxyz phantom(fs,t)，如前述流程中的式(10)所示，即可建立模体内的剂量转换因子模型trxyz(fs,t)。
实施例的前五步已经建立了本实施例所使用的实验设备对固体水模体的各项模型，在后续对其他模体的三维射线剂量计算过程中，可以通过将其他模体换算为等效水模体的方式直接使用固体水模体的各项模型。本实施例后续的EPID图像采集和剂量计算都是针对CIRS 002LFC型仿真胸模进行的。
第六步，通过EPID(电子射野影像装置)设备采集放疗时每个射野的图像，利用EPID上的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值比值以及EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线得到各个射野下EPID上的原射线通量；
本实施例以10*10cm2正方形射野竖直方向照射得到的EPID图像为例进行计算，其余射野下的计算方法类似。取该照射条件下的模体CT图像，按照前述流程中第七步所述的插值方法对模体的CT图像做插值；插值之后再根据CT值-电子密度转换曲线将CT值转换为相应的模体电子密度图像；最后，沿射束中心轴方向做累加，得到EPID上(i,j)位置的等效水厚度dxyz。取射野尺寸10*10cm2、模体厚度dxyz时的EPID上的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值比值SPRij(fs,t)即可确定EPID上的原射线灰度响应值Gij P(t)；再利用已知的EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线模型依照前述流程中的式(12)即可确定10*10cm2正方形射野下CIRS胸模在EPID上的原射线通量
Figure BDA0003375846550000131
第七步，利用EPID上的原射线衰减系数及原射线硬化系数模型确定模体内的三维原射线通量；
对第六步得到的10*10cm2正方形射野下CIRS胸模在EPID上的原射线通量
Figure BDA0003375846550000132
进行反投影计算。反投影时，为了计算方便，需要做和第六步中CT图像相同的插值计算。如图3所示，插值之后，反投影可以直接沿着竖直方向计算，计算公式如前述流程中式(13)所示，计算结果即是10*10cm2正方形射野下CIRS胸模内的三维原射线通量Φxyz P(t)。
第八步，利用模体内的三维原射线通量和模体内的散射核逐层二维卷积得到模体内的三维散射线通量；
将第七步得到的10*10cm2正方形射野下CIRS胸模内的三维原射线通量Φxyz P(t)和对应射野尺寸以及模体厚度下的散射核Ker(fs,t)做逐层的二维卷积，即可确定10*10cm2正方形射野下CIRS胸模内的三维散射线通量Φxyz S(fs,t)，计算公式如前述流程中式(8)。
第九步，将模体内的三维原射线通量和模体内的三维散射线通量相加得到模体内的三维射线通量；
将第七步得到的10*10cm2正方形射野下CIRS胸模内的三维原射线通量Φxyz P(t)和第八步得到的10*10cm2正方形射野下CIRS胸模内的三维散射线通量Φxyz S(fs,t)相加，即可确定10*10cm2正方形射野下CIRS胸模内的三维射线通量Φxyz phantom(fs,t)，计算公式如前述流程中式(9)。
第十步，利用模体内的剂量转换因子将模体内的三维射线通量转换为模体内的三维射线剂量，将模体内的三维射线剂量和TPS剂量进行比较；
将第九步得到的10*10cm2正方形射野下CIRS胸模内的三维射线通量Φxyz phantom(fs,t)和10*10cm2正方形射野、模体内(x,y,z)位置对应的剂量转换因子trxyz(fs,t)相乘得到10*10cm2正方形射野下CIRS胸模内的三维射线剂量Dxyz(fs,t)，计算公式如前述流程中式(14)。在得到10*10cm2正方形射野下CIRS胸模内的三维射线剂量Dxyz(fs,t)之后，计算它和10*10cm2正方形射野下CIRS胸模内的TPS剂量
Figure BDA0003375846550000141
的差值，计算公式如前述流程中式(15)。用式(15)的结果跟现有的放疗剂量标准进行比较(一般采用3％/3mm标准)，即可完成10*10cm2正方形射野下CIRS胸模的放疗三维剂量验证。
本实施例中10*10cm2正方形射野下CIRS胸模的放疗三维剂量计算结果(沿射束轴的纵剖面)如图4所示，图中的背景为CIRS胸模对应层的CT图像，中间有色带的梯形部分表示射线照射区域，不同的亮度代表不同的放疗剂量，剂量单位为cGy；10*10cm2正方形射野下CIRS胸模的TPS剂量(沿射束轴的纵剖面)如图5所示，TPS剂量是根据放疗计划系统计算出的剂量，通常作为剂量验证的金标准，图5的表示形式和图4相同；剂量验证结果如图6所示，图中射线照射区域的剂量值几乎为0，说明使用本发明公布的方法计算出的剂量和TPS剂量很接近，可以用于放疗剂量验证。

Claims (5)

1.一种放疗剂量验证的方法，其特征在于该方法的步骤包括：
第一步，建立EPID上的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值比值的模型；
第二步，建立EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线模型；
第三步，建立EPID上的原射线衰减系数及原射线硬化系数模型；
第四步，建立模体内的散射核模型；
第五步，建立模体内的剂量转换因子模型；
第六步，通过EPID设备采集放疗时每个射野的图像，利用第一步建立的EPID上的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值比值模型以及第二步建立的EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线模型得到各个射野下EPID上的原射线通量；
第七步，利用第三步建立的EPID上的原射线衰减系数及原射线硬化系数模型和第六步得到的各个射野下EPID上的原射线通量确定模体内的三维原射线通量；
第八步，对第七步得到的模体内的三维原射线通量和第四步建立的模体内的散射核模型做逐层二维卷积得到模体内的三维散射线通量；
第九步，将第七步得到的模体内的三维原射线通量和第八步得到的模体内的三维散射线通量相加得到模体内的三维射线通量；
第十步，利用第五步建立的模体内的剂量转换因子模型将第九步得到的模体内的三维射线通量转换为模体内的三维射线剂量，将模体内的三维射线剂量和TPS剂量进行比较，以实现放疗剂量验证；
所述的第一步中，建立EPID上的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值比值的模型的方法为：
模体采用固体水模体，采集固体水模体在不同射野大小、不同模体厚度下的EPID图像，采集到的EPID图像上灰度响应值Gij EPID(fs,t)包括散射线灰度响应值Gij S(fs,t)和原射线灰度响应值Gij P(t)，关系如式(1)所示：
Gij EPID(fs,t)＝Gij S(fs,t)+Gij P(t) (1)
其中，i、j为EPID图像上的坐标索引，fs表示射野尺寸，t表示模体厚度，Gij EPID(fs,t)表示射野尺寸为fs、模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的灰度响应值；Gij S(fs,t)表示射野尺寸为fs、模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的散射线灰度响应值；Gij P(t)表示模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的原射线灰度响应值；EPID上的原射线灰度响应值Gij P(t)和射野尺寸无关，散射线灰度响应值Gij S(fs,t)受射野尺寸影响，射野尺寸接近0时没有散射线灰度响应值，即：
Figure FDA0003892380700000021
其中，
Figure FDA0003892380700000022
表示射野尺寸为0、模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的灰度响应值，EPID上的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值的比值用SPRij(fs,t)表示，SPRij(fs,t)模型为：
Figure FDA0003892380700000023
其中，SPRij(fs,t)表示射野尺寸为fs、模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值的比值；
所述的第二步中，建立EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线模型的方法为：
首先，利用电离室扫描EPID对角线方向得到剂量剖线，该剖线即为无模体时不同离轴位置的EPID上的原射线通量
Figure FDA0003892380700000024
之后，在射野大小不变的条件下使用X射线照射EPID设备，得到EPID图像，用第一步所建立的EPID上的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值比值的模型SPRij(fs,t)计算出EPID图像上与电离室中心对应位置无模体时的原射线灰度响应值
Figure FDA0003892380700000025
则EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线模型CHij为：
Figure FDA0003892380700000031
其中，CHij表示EPID图像上(i,j)点处的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线；
Figure FDA0003892380700000032
表示模体厚度为0时EPID图像上的原射线通量的离轴分布曲线；
Figure FDA0003892380700000033
表示模体厚度为0时EPID图像上与电离室中心对应位置的原射线灰度响应值；
所述的第三步中，建立EPID上的原射线衰减系数及原射线硬化系数模型的具体方法为：
采集固体水模体在设定射野大小、不同模体厚度下的EPID图像，并利用第一步所建立的EPID上的散射线灰度响应值与原射线灰度响应值比值的模型SPRij(fs,t)计算出EPID图像上模体厚度为t时的原射线灰度响应值Gij P(t)和EPID图像上无模体时的原射线灰度响应值
Figure FDA0003892380700000034
利用公式(5)计算出采集到的EPID图像上各点的原射线透射率：
Figure FDA0003892380700000035
其中，
Figure FDA0003892380700000036
表示模体厚度为t时EPID图像上(i,j)点处的原射线透射率；
同时，EPID图像上各点的原射线透射率符合射线硬化修正后的朗伯-比尔定律，如公式(6)所示：
Figure FDA0003892380700000037
其中，aij表示EPID图像上(i,j)点处的原射线衰减系数；bij表示EPID图像上(i,j)点处的原射线硬化系数；
所以，改变公式(5)中t和(i,j)的值，得到一组原射线透射率
Figure FDA0003892380700000038
的值，再通过拟合的方法得到公式(6)中EPID图像上的原射线衰减系数aij和原射线硬化系数bij的值；
所述的第四步中，建立模体内的散射核模型为：
Figure FDA0003892380700000041
其中，r表示用于拟合康普顿散射所使用的高斯函数的自变量，Ker(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时的模体内的散射核，k1(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时一阶康普顿散射的权重；k2(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时高阶康普顿散射的权重；σ1(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时用于拟合一阶康普顿散射的高斯函数的标准差；σ2(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时用于拟合高阶康普顿散射的高斯函数的标准差；高阶康普顿散射指的是二阶及以上康普顿散射；
所述的第五步中，建立模体内的剂量转换因子模型的具体方法为：
采集固体水模体下不同射野大小、不同模体厚度的EPID图像，并利用第一、二、三步所建立的模型确定采集到的EPID图像对应的固体水模体内的原射线通量Φxyz P(t)，再对模体内的三维原射线通量Φxyz P(t)和模体内的散射核Ker(fs,t)做逐层的二维卷积，得到模体内的三维散射线通量Φxyz S(fs,t)，如式(8)所示，再将模体内的三维原射线通量Φxyz P(t)和模体内的三维散射线通量Φxyz S(fs,t)相加得到模体内的三维射线通量Φxyz phantom(fs,t)，如式(9)所示，最后，用TPS剂量
Figure FDA0003892380700000042
除以模体内的三维射线通量Φxyz phantom(fs,t)，该比值即为模体内的剂量转换因子模型trxyz(fs,t)，如式(10)所示；
Figure FDA0003892380700000043
其中，Φxyz S(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的三维散射线通量；Φxyz P(t)表示模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的三维原射线通量；
Figure FDA0003892380700000044
表示二维卷积；
Figure FDA0003892380700000045
其中，Φxyz phantom(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的三维射线通量；
Figure FDA0003892380700000051
其中，
Figure FDA0003892380700000052
表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的TPS剂量；trxyz(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的剂量转换因子。
2.根据权利要求1所述的一种放疗剂量验证的方法，其特征在于：
所述的第六步中，各个射野下EPID上的原射线通量的确定方法为：
通过EPID设备采集放疗时每个射野的图像，由第一步中的公式(2)和(3)得到：
Figure FDA0003892380700000053
用公式(11)确定EPID上的原射线灰度响应值Gij P(t)，再将得到的EPID上的原射线灰度响应值Gij P(t)乘以第二步得到的EPID上的原射线灰度响应值-原射线通量转换曲线CHij对应位置的值，确定EPID上的原射线通量ψij P(t)，如式(12)所示；
Figure FDA0003892380700000054
其中，
Figure FDA0003892380700000055
表示模体厚度为t时EPID图像上(i,j)位置的原射线通量。
3.根据权利要求2所述的一种放疗剂量验证的方法，其特征在于：
所述的第七步中，利用EPID上的原射线衰减系数及原射线硬化系数模型确定模体内的三维原射线通量的方法为：
对第六步得到的EPID图像上的原射线通量
Figure FDA0003892380700000056
进行反投影计算，反投影计算的射线数和EPID的像素数目相同且一一对应，用公式(13)表示：
Figure FDA0003892380700000057
其中，dxyz表示从EPID上(i,j)点处到模体内(x,y,z)位置的等效水厚度；EPID上(i,j)点处到模体内(x,y,z)位置的等效水厚度指的是：和EPID上(i,j)点处到模体内(x,y,z)位置有相同X射线强度衰减效果的水模体的厚度；等效水厚度dxyz根据模体的CT图像进行换算，换算方法是：对模体的CT图像做插值计算，并依据CT值-电子密度转换曲线将CT值转换为相应的电子密度，计算EPID图像上(i,j)位置到模体内(x,y,z)插值后对应位置路径上的电子密度之和，即为EPID上(i,j)点处到模体内(x,y,z)位置的等效水厚度dxyz。
4.根据权利要求3所述的一种放疗剂量验证的方法，其特征在于：
所述的第八步中，利用模体内的三维原射线通量和模体内的散射核逐层二维卷积得到模体内的三维散射线通量的方法为：
将第七步得到的模体内的三维原射线通量Φxyz P(t)和第四步得到的散射核Ker(fs,t)做逐层的二维卷积，得到模体内的三维散射线通量Φxyz S(fs,t)。
5.根据权利要求4所述的一种放疗剂量验证的方法，其特征在于：
所述的第九步中，将模体内的三维原射线通量和模体内的三维散射线通量相加得到模体内的三维射线通量；
所述的第十步中，利用模体内的剂量转换因子将模体内的三维射线通量转换为模体内的三维射线剂量，并将模体内的三维射线剂量和TPS剂量进行比较的方法为：
将模体内的三维射线通量Φxyz phantom(fs,t)和对应射野尺寸及模体厚度下的剂量转换因子trxyz(fs,t)相乘得到模体内的三维射线剂量Dxyz(fs,t)，如式(14)所示；
Dxyz(fs,t)＝Φxyz phantom(fs,t)·trxyz(fs,t) (14)
其中，Dxyz(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的三维射线剂量；
最后计算模体内的三维射线剂量Dxyz(fs,t)和TPS剂量
Figure FDA0003892380700000061
的差值，用伽马分析法进行比较，如式(15)所示；
Figure FDA0003892380700000062
其中，Evaxyz(fs,t)表示射野尺寸为fs，模体厚度为t时模体内(x,y,z)位置的相对剂量误差。
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