CN114796897A - 一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统及方法，解决了人体呼吸运动会导致放射治疗靶区移动，从而造成放射治疗“脱靶”和靶区内剂量不均整的问题，具有使放射治疗射线在呼吸运动周期内始终按照治疗计划照射在靶区上的有益效果，具体方案如下：一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，包括通过同步呼吸直线运动机构连接于加速器治疗头下方的准直器、红外线发射装置和与红外线发射装置相对设置的红外线接收装置，红外线发射装置采集呼吸运动的幅度并通过红外线发射给红外线接收装置，红外线接收装置将红外线的幅度变化转化为电信号发送到运动控制器，运动控制器控制同步呼吸直线运动机构上的准直器进行同步直线运动。

Description

一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统及方法

技术领域

本发明涉及放射治疗技术领域，尤其是一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在当前放射治疗领域，人体呼吸运动会导致靶区移动，从而造成放射治疗“脱靶”问题，解决此问题的方法之一是采用加速器的呼吸门控系统，当加速器监测到呼吸运动的某一位置时开启照射，其治疗费时且患者存在配合难度(需要进行呼吸训练)；而使用具有呼吸追踪功能的放疗设备来进行治疗，例如射波刀(美国进口)，其设备购置费及治疗费用昂贵，难以在靶区移动的放射治疗中得到普遍应用。

申请号为CN201420024528.8的中国专利文献提供了一种具有旋转运动的多叶准直器，解决的是现有多叶准直器不能跟随患者因呼吸而导致的肿瘤的运动而可能对患者的健康器官造成过剂量或者对肿瘤造成欠剂量的技术问题，但是其三级准直器由于旋转运动，与治疗头上的一、二级准直器形成小角度夹角，治疗射线经过三级准直器时，由于夹角关系将造成治疗射线与三级准直器发生“碰撞”，从而造成射线散射，导致靶区内剂量不均整；而靶区剂量均整是放射治疗剂量调强的前提条件。尤为关键的是，申请号为CN201420024528.8的中国专利文献并未提供如何实现跟随肿瘤运动的任何技术方法。

发明人发现，目前还没有一种放射治疗准直器系统既能够解决因呼吸运动造成的放射治疗“脱靶”问题，又能够满足应用方便，配置及治疗费用低，易于被医患双方接受的放射治疗技术需求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统及方法，解决人体呼吸运动导致的放射治疗靶区移动，从而造成放射治疗“脱靶”和靶区内剂量不均整的技术问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，包括通过同步呼吸直线运动机构连接于加速器治疗头下方的准直器、红外线发射装置和与红外线发射装置相对设置的红外线接收装置，红外线发射装置采集呼吸运动的幅度并通过红外线发射给红外线接收装置，红外线接收装置将红外线的幅度变化转化为电信号发送到运动控制器，运动控制器控制同步呼吸直线运动机构上的准直器进行同步直线运动。

如上所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，所述同步呼吸直线运动机构包括接口卡槽和控制电路，所述运动控制器通过接口卡槽与控制电路连接。

如上所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，所述准直器两侧分别设置滑杆，准直器与滑杆滑动连接，准直器两侧的滑杆相互平行。

如上所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，所述滑杆远离准直器一侧设置传动螺杆，所述传动螺杆与所述滑杆平行设置。

如上所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，所述准直器靠近所述滑杆一侧与连接结构的一侧固定连接，连接结构另一侧与传动螺杆螺纹配合。

如上所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，所述准直器两侧的滑杆之间通过支撑结构连接。

如上所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，所述准直器底部设置卡槽，所述滑杆上设置导轨，准直器通过卡槽沿着滑杆上的导轨直线运动。

如上所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，所述同步呼吸直线运动机构还包括驱动电机，所述运动控制器通过控制电路控制驱动电机运动，所述驱动电机的输出端连接所述传动螺杆，所述传动螺杆的长度大于所述滑杆的长度。

第二方面，本发明还提供一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统的质控方法，包括如下步骤：

将带有电离室插板的运动模体进行4DCT扫描，勾画靶区并输出治疗计划，将运动模体转移至治疗床，开启红外线发射装置，启动运动模体，同步呼吸直线运动机构连接于加速器治疗头下方，按照治疗计划输出剂量，测量动态输出剂量，进行偏差计算；同样的，将胶片插入运动模体胶片插板进行4DCT扫描，加速器治疗头按照治疗计划照射，取出胶片并标记照射野方向，扫描胶片，进行偏差计算，输出照射野尺寸偏差；

符合要求的标准为：输出剂量偏差限值和照射野尺寸偏差限值处于设定范围内。

如上所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统的质控方法，重新对加速器治疗头设置参数，将胶片放在固体水上，胶片上放置设定厚度固体水，加速器治疗头输出设定剂量；

关闭加速器治疗头，将准直器连接于加速器治疗头下方，输出相同剂量后分析胶片图像，测量两个照射野中心之间的距离，符合要求的标准为：准直器对中心偏差限值处于设定范围内；

重新对加速器治疗头进行参数设置，分别将准直器与实心准直器连接于加速器治疗头下方，分别测量准直器与实心准直器的输出剂量，计算准直器泄漏辐射率，符合要求的标准为：准直器泄漏辐射率限值处于设定范围内。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明通过同步呼吸直线运动机构外挂于加速器治疗头下方，红外线发射装置将运动信号发送至红外线接收装置，红外线接收装置将红外线的变化幅度转化成电信号发送到运动控制器，运动控制器连接同步呼吸直线运动机构实现加速器治疗头发出的射线始终跟随放射治疗靶区移动，实现呼吸运动同步治疗。

2)本发明通过同步呼吸直线运动机构内的准直器作为加速器治疗头的三级准直器，与加速器治疗头内的一、二级准直器为平行关系，治疗射线“垂直”通过三级准直器，不会发生任何射线“碰撞”，可以保证靶区内射线剂量均整。

3)本发明同步呼吸直线运动机构的准直器两侧通过卡槽沿着滑杆上的导轨做直线运动，保证准直器的稳定直线运动，同步呼吸直线运动机构不用时可以拆卸，具有使用灵活、方便、安全的特色，同时治疗成本低，可广泛应用。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例中一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统的轴测示意图。

图2是本发明实施例中呼吸运动同步机构的结构示意图。

图3是本发明实施例中肿瘤随呼吸运动位移图。

图4是本发明实施例中准直器不同运动状态示意图。

图5是本发明实施例中准直器运动原理图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1.同步呼吸直线运动机构，2.准直器，3.滑杆，4.支撑结构，5.传动螺杆，6.连接结构，7.接口卡槽，8.控制电路，9.加速器治疗头，10.红外线发射装置，11.红外线接收装置，12.治疗床，13.患者，14.驱动电机。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中人体呼吸运动会导致放射治疗靶区移动，从而造成放射治疗“脱靶”和靶区内剂量不均整的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1-图3所示，一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，包括红外线发射装置10、红外线接收装置11和通过同步呼吸直线运动机构1连接于加速器治疗头下方的准直器，红外线接收装置11与红外线发射装置10相对设置，并将接收的红外线转化为电信号发送到运动控制器，运动控制器连接同步呼吸直线运动机构1，从而实现射线治疗与呼吸同步，保证放射治疗不会出现脱靶的问题发生。

本实施例的同步呼吸直线运动机构1外挂于加速器治疗头9下方，同步呼吸直线运动机构1不用时可以拆卸，具有使用灵活、方便、安全的特色，同时治疗成本低。在实际应用时，患者13躺在治疗床12上，当需要对患者13的胸腔部位进行放射治疗时，将红外线发射装置10固定在患者的胸廓体表，红外线接收装置11固定于红外线发射装置10对面斜上方；

红外线发射装置10将患者13呼吸运动的幅度通过红外线的方式发射给红外线接收装置11，红外线接收装置11接收红外线发射装置10发射来的红外线，并将红外线的幅度变化转换为电信号，发送到运动控制器，运动控制器包括控制软件，其作为运动控制器的程序软件，在经过程序分析、计算后，控制同步呼吸直线运动机构1上的准直器2运动，从而实现患者的呼吸运动与同步呼吸直线运动机构1上的准直器运动的同步，解决放射治疗过程中的射线脱靶问题；其中，红外线发射装置10采用红外线发射器，红外线接收装置11采用红外线接收器。

具体的，同步呼吸直线运动机构1包括接口卡槽和控制电路，运动控制器通过接口卡槽7与控制电路8连接，实现对同步呼吸直线运动机构1的控制。

如图2所示，同步呼吸直线运动机构1上的准直器2两侧分别设置滑杆3，准直器2与滑杆3滑动连接，准直器2两侧的滑杆3相互平行，准直器2两侧的滑杆3之间通过支撑结构4连接，支撑结构4可以是连接板，连接板与滑杆3的两端部固定连接，对滑杆3起到支撑的作用，同时连接板不会影响准直器2沿着滑杆3做直线滑动运动，具体的，准直器2底部设置卡槽，滑杆3上设置导轨，卡槽与导轨配合，准直器2通过卡槽沿着滑杆3上的导轨直线运动。

滑杆3远离准直器2一侧设置传动螺杆5，传动螺杆5与滑杆3平行设置，准直器2靠近滑杆3一侧与连接结构6的一侧固定连接，连接结构6另一侧与传动螺杆5螺纹配合，具体的，连接结构6为滑块，滑块靠近准直器2一侧与准直器2固定连接，滑块另一侧与传动螺杆5套接，并且是螺纹配合，同步呼吸直线运动机构1还包括驱动电机，运动控制器通过控制电路8控制驱动电机14运动，驱动电机14的输出端连接传动螺杆5的一端，传动螺杆5的长度大于滑杆3的长度，从而保证准直器2的运动距离。

驱动电机14带动传动螺杆5转动，实现连接机构4带动准直器2沿着滑杆3滑动，将驱动电机14的转动转变为准直器2的直线运动，进而实现放射治疗同步呼吸运动，本实施例在准直器2的两侧均设置驱动电机14，准直器2两侧的滑块关于准直器对称设置，保证准直器2能够在滑杆3上稳定的做直线运动。

本实施例的传动螺杆5设置为两根，滑杆3设置为两根，驱动电机14为两个，共同带动一个准直器2做直线运动，准直器2采用铅质材料制成。如图2所示，准直器2中心设有通孔，一个同步呼吸直线运动机构1包含一个准直器2，在临床使用时，可以采用更换不同型号的同步呼吸直线运动机构，具体的，同步呼吸直线运动机构可以设计多组以备选用，准直器中心的通孔的直径可以为5mm、7.5mm、10mm、12.5mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、50mm、60mm等多种型号，该部分结构为放射治疗射线的准直结构，同步呼吸直线运动机构1上的准直器2作为三级准直器，与加速器治疗头内的一、二级准直器为平行关系，治疗射线“垂直”通过三级准直器，不会发生任何射线“碰撞”，可以保证靶区内射线剂量均整，通过不同直径大小的准直器组合，达到靶区适形的目的，通过驱动电机14带动准直器2运动达到实时追踪靶区的目的，同步呼吸直线运动机构1外挂于加速器治疗头9上，不用时可以拆卸，具有使用灵活、方便、安全的特色。

可以理解的是，同步呼吸直线运动机构1在应用时，需要建立放射治疗数据库，包括准直器百分深度剂量、准直器输出因子等参数。应用时，可配备两套不同型号的同步呼吸直线运动机构1，其分别装配不同直径尺寸的准直器2，以实现快速手动更换准直器2的目的，准直器2具体的运动过程如图3所示，T1表示吸气末的准直器运动状态，，T2表示中间态的准直器运动状态，，T3表示呼气末的准直器运动状态。

上述同步呼吸直线运动机构1外挂于加速器治疗头9上对患者进行放射治疗，可以应用于肺下部肿瘤(呼吸运动时，其位移较大)、肿瘤形状为类圆形(同步运动准直器设计为圆形)、肿瘤直径小于10cm等多种情况，应用广泛。

如图3-图5所示，具体的工作原理是：

将同步呼吸直线运动机构外挂于加速器治疗头上，将红外线发射装置固定于患者胸部体表，红外线接收装置固定于红外线发射装置对面斜上方；

患者呼吸运动造成胸廓起伏，固定于患者胸部体表的红外线发射装置随之起伏，红外线接收装置接收到红外线发射装置发出的运动信号；

具体的，红外线接收装置接收到的运动信号转化为电信号传递到运动控制器，运动控制器控制驱动电机带动准直器沿着滑杆做直线运动；加速器治疗头发出的治疗射线照射到与呼吸做同步运动的三级准直器上；三级准直器的直线运动使加速器治疗头发射出的治疗射线始终照射在运动靶区上。

具体的，在此需要对患者进行4DCT扫描，目的是建立“胸廓起伏幅度”(胸廓表面红外线信号)与“胸腹部肿瘤位移动度”之间的线性关系，将4DCT扫描数据导入TPS，建立“呼吸曲线”、“靶区位置”与“准直器”运动位置之间的关系，准直器移动位置与靶区位置保持一致，例如：在水平方向(头脚方向)上，靶区离呼吸中间态位置移动1cm，则准直器离开等中心位置移动1cm，准直器2的移动距离是靠红外线信号控制的，根据4DCT扫描结果，可以分析出：相对于呼吸“中间态”，当靶区移动某一距离时，红外线移动某一相应距离，例如，靶区移动1.0mm，红外线移动10mm。如此，就建立起红外线移动和靶区移动二者的数学关系，当红外线接收装置接收到红外线移动某一距离时，将信号传递到“运动控制单元”，运动控制器再将此信号传递到准直器，控制准直器移动某一距离，例如：红外线移动10mm，则控制同步准直器移动1.0mm。如此，即可保证准直器始终追踪靶区位置。

实施例二

本实施例基于实施例一的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统的质控方法，包括如下步骤：

首先，采用运动模体，运动模体为现有技术，可以采用专利ZL201721641507.0中的运动模体，对运动模体进行4DCT扫描，将扫描图像导入TPS，在TPS中勾画靶区，给出准直器(例如通孔直径60mm)处方剂量D_p，测量照射野尺寸，输出治疗计划，将运动模体转移至治疗床上，将电离室插入运动模体电离室插板，开启红外线发射装置，启动运动模体，将同步呼吸直线运动机构连接于加速器治疗头下方，启动，准直器跟踪运动模体上的红外线发射装置发出的红外信号，在运动控制器控制下进行同步运动；

加速器治疗头按照治疗计划照射，使用剂量仪及电离室，测量动态输出剂量D_a，将实际测量得到的动态输出剂量与治疗计划剂量按照如下公式计算偏差D_v：

式中：

D_v——动态输出剂量偏差，％；

D_a——实际测量得到的动态输出剂量，单位为戈瑞(Gy)；

D_p——治疗计划处方剂量，单位为戈瑞(Gy)。

对于动态照射野尺寸偏差的检测，将胶片插入运动模体胶片插板，对运动模体进行4DCT扫描；将扫描图像导入TPS；在TPS中勾画靶区；使用TPS中的测量工具，测量通过靶区中心照射野轴线(X轴、Y轴)上的照射野尺寸(50％等剂量曲线之间的距离)；给出的处方剂量能够使胶片受照剂量保持在剂量灰度曲线的最佳线性区域内；输出治疗计划；

将运动模体转移至加速器治疗床上；开启运动模体的红外线发射装置，启动运动模体，将同步呼吸直线运动机构外挂于加速器治疗头下方，启动；

准直器跟踪运动模体发出的红外信号，在运动控制器控制下进行同步运动，加速器按照治疗计划照射，照射完成后，取出胶片，标记照射野方向；使用胶片扫描仪扫描胶片，保存图像；

使用胶片分析软件打开图像；使用软件中的测量工具，测量通过靶区中心照射野轴线(X轴、Y轴)上的照射野尺寸(50％等剂量曲线之间的距离)；按照如下公式计算动态照射野尺寸偏差S_v：

S_v＝S_p-S_a

式中：

S_v——动态照射野尺寸偏差，单位为毫米(mm)；

S_p——治疗计划中的照射野尺寸，单位为毫米(mm)；

S_a——胶片照射野尺寸，单位为毫米(mm)。

最后，对比，符合要求的标准为：输出剂量偏差限值：≤±5％，照射野尺寸偏差限值：≤2mm。

上述方式可以实现对运动靶区的计划剂量精度测量和照射野位置精度的测量。

然后对准直器对中心偏差和准直器泄漏辐射率进行质量控制，具体为：

将加速器治疗头设置为6MV X射线，10cm×10cm照射野，常用剂量率，在治疗床上，将12cm×12cm的胶片放置在5cm厚的固体水上并调整治疗床高度，使加速器治疗头靶到胶片的距离为100cm，胶片上置1.5cm厚固体水，开启加速器，输出200MU；

关闭加速器治疗头，将准直器外挂于加速器治疗头下，开启加速器治疗头，输出200MU，照射完成后，取出胶片，标记照射野方向，使用胶片扫描仪扫描胶片，保存图像；

然后使用胶片分析软件打开图像，使用软件中的测量工具，测量方形照射野中心与圆形照射野中心之间的距离。

对于同步准直器泄漏辐射率的质量控制过程如下：

首先将加速器设置为6MV X射线，10cm×10cm照射野，常用剂量率，将准直器(直径60mm)外挂于加速器治疗头下方；

在治疗床上，放置固体水；调整治疗床高度，使加速器靶到固体水表面的距离为100cm；开启加速器治疗头，输出200MU；

使用剂量仪进行测量，电离室位于固体水下1.5cm处；记录测量结果D_O；

采用一个实心准直器外挂于加速器治疗头下，开启加速器，输出200MU；

使用剂量仪进行测量，电离室位于固体水下1.5cm处；记录测量结果D_C；

将使用实心准直器时的测量结果与使用直径60mm准直器时得到的测量结果按照如下公式计算同步准直器泄漏辐射率D_L：

式中：

D_L——准直器泄漏辐射率，％；

D_C——使用实心准直器时，测量得到的输出剂量，单位为戈瑞(Gy)；

D_O——使用直径60mm准直器时，测量得到的输出剂量，单位为戈瑞(Gy)。

当准直器对中心偏差限值：≤±2mm，准直器泄漏辐射率限值：≤1％时，符合要求的标准。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，其特征在于，包括通过同步呼吸直线运动机构连接于加速器治疗头下方的准直器、红外线发射装置和与红外线发射装置相对设置的红外线接收装置，红外线发射装置采集呼吸运动的幅度并通过红外线发射给红外线接收装置，红外线接收装置将红外线的幅度变化转化为电信号发送到运动控制器，运动控制器控制同步呼吸直线运动机构上的准直器进行同步直线运动。

2.根据权利要求1所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，其特征在于，所述同步呼吸直线运动机构包括接口卡槽和控制电路，所述运动控制器通过接口卡槽与控制电路连接。

3.根据权利要求2所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，其特征在于，所述准直器两侧分别设置滑杆，准直器与滑杆滑动连接，准直器两侧的滑杆相互平行。

4.根据权利要求3所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，其特征在于，所述滑杆远离准直器一侧设置传动螺杆，所述传动螺杆与所述滑杆平行设置。

5.根据权利要求4所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，其特征在于，所述准直器靠近所述滑杆一侧与连接结构的一侧固定连接，连接结构另一侧与传动螺杆螺纹配合。

6.根据权利要求3所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，其特征在于，所述准直器两侧的滑杆之间通过支撑结构连接。

7.根据权利要求3所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，其特征在于，所述准直器底部设置卡槽，所述滑杆上设置导轨，准直器通过卡槽沿着滑杆上的导轨直线运动。

8.根据权利要求5所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统，其特征在于，所述同步呼吸直线运动机构还包括驱动电机，所述运动控制器通过控制电路控制驱动电机运动，所述驱动电机的输出端连接所述传动螺杆，所述传动螺杆的长度大于所述滑杆的长度。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统的质控方法，其特征在于，包括如下步骤：

将带有电离室插板的运动模体进行4DCT扫描，勾画靶区并输出治疗计划，将运动模体转移至治疗床，开启红外线发射装置，启动运动模体，同步呼吸直线运动机构连接于加速器治疗头下方，按照治疗计划输出剂量，测量动态输出剂量，进行偏差计算；同样的，将胶片插入运动模体胶片插板进行4DCT扫描，加速器治疗头按照治疗计划照射，取出胶片并标记照射野方向，扫描胶片，进行偏差计算，输出照射野尺寸偏差；

符合要求的标准为：输出剂量偏差限值和照射野尺寸偏差限值处于设定范围内。

10.如权利要求9所述的一种呼吸运动同步放射治疗准直器系统的质控方法，其特征在于，重新对加速器治疗头设置参数，将胶片放在固体水上，胶片上放置设定厚度固体水，加速器治疗头输出设定剂量；

关闭加速器治疗头，将准直器连接于加速器治疗头下方，输出相同剂量后分析胶片图像，测量两个照射野中心之间的距离，符合要求的标准为：准直器对中心偏差限值处于设定范围内；

重新对加速器治疗头进行参数设置，分别将准直器与实心准直器连接于加速器治疗头下方，分别测量准直器与实心准直器的输出剂量，计算准直器泄漏辐射率，符合要求的标准为：准直器泄漏辐射率限值处于设定范围内。

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