CN115220080B - 一种粒子治疗中在线剂量监测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种粒子治疗中在线剂量监测方法及系统，能够在不侵入治疗束斑的同时，实时快速、无损的在线监控治疗装置的出束剂量，提高监测反应速率，预防安全隐患，并且同时适用于大剂量率治疗计划；与传统的通过电离室剂量监测方式相比，不会对用于治疗的有效束流部分产生扰动，既不会导致束流能量的下降，也不会使束流轮廓变宽，能够在无损治疗束流的情况下，实时在线监测治疗剂量；本发明采用半导体传感器，可实现快速测量，做出快速反应。

Description

一种粒子治疗中在线剂量监测方法及系统
技术领域
本发明属于辐射治疗剂量监测领域，更具体地，涉及一种粒子治疗中在线剂量监测方法及系统。
背景技术
粒子治疗利用粒子束和重离子束具有的独特的布拉格峰效应，通过调整束流能量控制辐射大部分释放在病灶处，提高靶区覆盖率，减少毒性反应，可实现精准治疗。实现上述治疗效果的基础是保证治疗安全。严格监测放射治疗过程中递送到靶区的辐射剂量，并快速对超标剂量实行安全阻停是放疗安全性的基础要求，因此治疗束的剂量监测装置尤为关键。
目前在粒子放疗过程中使用的在线剂量监测装置普遍为电离室，是剂量验证、保证剂量安全的基本单元。电离室基于电离效应，主要由收集极和高压极组成。极间的气体分子受射线照射时电离产生的电子-正离子对，被极化电压形成的电场收集至正负极，进而输出电流信号反映射线剂量信息。公开号为CN110261883A的中国发明专利公开了一种剂量监测装置，这种剂量监测装置考虑到环境温度对电离室性能的决定性影响，通过控制置于电离室外部的加热组件，调控电离室的环境温度和湿度，使得置于电离室腔内的温度传感器所测环境温度在预设阈值范围内，从而使电离室工作稳定及可靠。然而，电离室监测剂量存在以下缺点：1、由电离室原理可知，其反应时间依赖于气体电离后产生的离子漂移速度，这使得反馈有延时，对安全事故的反应时间不够快速；2、当遇到大剂量率的治疗计划，粒子束穿过时会使得电离室的气体瞬间电离饱和，电离室失效，易造成放疗事故；3、测量需要射束穿透电离室，这种侵入式探测手段将造成治疗束斑一定程度的能量损失和散射，显著影响束流品质进而影响后续疗效。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种粒子治疗中在线剂量监测方法及系统，由此解决现有粒子治疗过程中的剂量监测技术所存在的有损束流品质、存在延时和安全隐患预防手段单一等技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种粒子治疗中在线剂量监测方法，包括：
离线标定阶段：
依次测量粒子治疗束束晕和束心的电荷量，并以所述束心和束晕的电荷量之比作为剂量比例系数α；
在线监测阶段：
测量粒子治疗束的束晕电荷量，当所述束晕电荷量大于预设阈值Γ时，控制所述加速器关断；其中，
Figure BDA0003720944160000021
Cplan为计划粒子治疗束的束心电荷量，k为安全剂量，取值范围为(0,0.1]。
优选地，在离线标定阶段，通过多次测量的方式确定剂量比例系数α：
Figure BDA0003720944160000022
其中，
Figure BDA0003720944160000023
CCenter和CHalo为分别为束心和束晕的电荷量，n为测量次数，n≥5。
优选地，剂量比例系数α的参考误差系数
Figure BDA0003720944160000024
按照本发明的第二方面，提供了一种粒子治疗中在线剂量监测系统，包括：依次连接的加速器、前端准直器系统、束晕探测环模块、法拉第杯及用于实现如第一方面所述的方法的控制模块；
所述前端准直器系统用于对所述加速器产生的粒子治疗束进行塑形；
所述束晕探测环模块用于拦截所述粒子治疗束的束晕部分以在离线标定阶段及在线监测阶段测量束晕电荷量；
所述法拉第杯用于在离线标定阶段测量所述粒子治疗束的束心电荷量。
优选地，所述束晕探测环模块包括环形贴片式传感器及准直器，所述环形贴片式传感器贴于所述准直器表面，所述粒子治疗束的束晕部分经所述贴片式传感器进行电荷量测量后，被所述准直器拦截。
优选地，所述贴片式传感器为半导体传感器。
优选地，所述环形贴片式传感器与所述准直器集成制造。
优选地，还包括电离室，在线监测阶段时，所述加速器产生的粒子治疗束依次经由所述前端准直器系统、束晕探测环模块及电离室进行塑形、束晕电荷量测量及剂量测量后，发射至目标靶区。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的粒子治疗中在线剂量监测方法及系统，能够在不侵入治疗束斑的同时，实时快速、无损的在线监控治疗装置的出束剂量，提高监测反应速率，预防安全隐患，并且同时适用于大剂量率治疗计划；与传统的通过电离室剂量监测方式相比，采用束晕探测模块拦截并测量粒子治疗束的束晕部分，未被束晕探测模块拦截的束心部分为发射至目标靶区的束流，不会对用于治疗的有效束流部分(即束心部分)产生扰动，既不会导致束流能量的下降，也不会使束流轮廓变宽，能够在无损治疗束流的情况下，实时在线监测治疗剂量；本发明采用半导体传感器，可实现快速测量，做出快速反应。
2、本发明提供的粒子治疗中在线剂量监测方法及系统，能够同时适用于传统剂量率和大剂量率治疗计划，通用性强；可以与电离室共同配合进行剂量监测，为保障治疗安全提供双重手段。
附图说明
图1为本发明提供的粒子治疗中在线剂量监测参数测试/校准阶段流程示意图；
图2为本发明提供的粒子治疗中在线剂量监测在线监测阶段的流程示意图；
图3为本发明提供的粒子治疗中在线剂量监测系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
随着粒子放疗临床中发现，短时间超高剂量率的照射可在保证杀死肿瘤细胞的同时极大降低正常组织损伤。更优的生存率促使剂量处方由小剂量多分次向大剂量少分次发展，比如FLASH放疗。高剂量率使得保证治疗安全尤为重要，对反应时间要求苛刻(满足FDA中切断剂量的反应时间低于20μs的规定)。而电离室的时间分辨率受限于电离离子移动速率，对实际剂量关断反应时间大于30μs，目前需要算法辅助预测剂量才能达到FDA规定。这意味着反馈有延时，对剂量的精确控制尚有余地。随着低分割大剂量放射治疗手段的应用，如果在粒子治疗束流输运路线上仅使用普通电离室进行剂量监测，对瞬时大剂量反应速度不够或产生饱和，缺少其他安全应急手段，可能导致重大安全隐患。由此可见，电离室并不适合作为大剂量率情形下的安全保护手段。
对此，本发明实施例提供一种粒子治疗中在线剂量监测方法，包括：
离线标定阶段：
依次测量粒子治疗束束晕和束心的电荷量，并以所述束心和束晕的电荷量之比作为剂量比例系数α。
在线监测阶段：
测量粒子治疗束的束晕电荷量，当所述束晕电荷量大于预设阈值Γ时，控制所述加速器关断；其中，
Figure BDA0003720944160000051
Cplan为计划粒子治疗束的束心电荷量，k为安全剂量，取值范围为(0,0.1]。
具体地，如图1所示，离线标定阶段包括为参数测试/校准阶段：
(1)在粒子束流输运线路上，束晕探测环模块的后端安装法拉第杯，然后将加速器开机以产生粒子治疗束。
其中，束晕探测环模块的安装位置由粒子束流参数而定，选择在粒子输运束线中束流稳定的区域为佳，如治疗头的前方。
(2)粒子束先后穿过束晕探测环和法拉第杯，探测环测量束晕电荷，法拉第杯收集束心电荷。
其中，束晕探测环和法拉第杯配合使用(法拉第杯为插入件，放置在束晕探测环模块之后，仅在离线标定阶段使用，用于测量粒子治疗束的束心电荷量，以确定剂量比例系数；在线监测阶段不需要法拉第杯，可将其抽出)，束晕探测环测量束晕部分的电荷并拦截，环中间透过的束心部分的粒子束由法拉第杯收集。
(3)通过所测量的束晕、束心的电荷量计算第i次测量得到剂量比例系数αi并记录。
其中，剂量与粒子能量和电荷量线性相关，所测束心、束晕为同一束流的两个组成部分，说明两者中的粒子能量等束流品质特性均相同，故剂量比例系数可转换为电荷量比例系数。剂量比例系数αi由以下公式计算：
Figure BDA0003720944160000061
(4)多次测量后根据记录值计算得到稳定的剂量比例系数α和参考误差系数β。
为减小测量结果的误差，采用多次测量的方法，以寻求更普遍、更稳定的剂量比例系数α和参考误差系数β。
剂量比例系数α由以下公式计算：
Figure BDA0003720944160000062
引入参考误差系数β形容α的不确定性，由以下公式计算：
Figure BDA0003720944160000063
其中，β用于衡量α的波动情况，β越小说明测量得到的α越稳定，因此β可用于衡量束晕探测环模块的安装位置是否适合。
(5)根据α，计算束晕探测环的剂量安全快速联锁触发阈值Γ，关断加速器，完成参数测试/校准阶段。
剂量安全快速联锁触发阈值Γ，即束晕探测环的束晕测量电荷阈值，间接反映了放射剂量严重危害病人安全的临界值。该电荷阈值Γ与剂量比例系数α、临床上治疗安全对剂量的要求有关。
Figure BDA0003720944160000064
Cplan为计划粒子治疗束的束心电荷量，k为安全剂量，取值范围为(0,0.1]。
《IEC 60601-2-64:2014适用于治疗患者的光离子束医用电气设备(以下简称医用电气设备)的基本安全和基本性能》规定剂量安全的标准为10％，因此，优选地，把信号反应阈值定为计划束心电荷量Cplan的10％，因此可设：
Figure BDA0003720944160000071
如图2所示，离线标定阶段完成后，可进入在在线监测阶段，即为治疗过程中的使用阶段：
(1)撤出法拉第杯，获取离线标定阶段确定的剂量比例系数α；
(2)根据治疗计划的电荷量Cplan和α计算治疗剂量安全快速联锁触发阈值Γ，然后将加速器开机以产生粒子束。
剂量安全快速联锁触发阈值，Γ即束晕探测环的束晕测量电荷阈值，间接反映了放射剂量严重危害病人安全的临界值。该电荷阈值Γ与剂量比例系数α、临床上治疗安全对剂量的要求有关。《IEC 60601-2-64:2014适用于治疗患者的光离子束医用电气设备(以下简称医用电气设备)的基本安全和基本性能》规定剂量安全的标准为10％，因此把信号反应阈值定为计划束心电荷量Cplan的10％，可设：
Figure BDA0003720944160000072
(3)粒子束穿过时探测环测量束晕电荷值，与Γ进行比较，判断测量值是否超出Γ；若超出，则快速关断加速器。
若束晕探测环的测量电荷超出预设电荷阈值Γ，意味着剂量过高，将发生放疗事故严重危害病人安全。
本发明实施例提供一种粒子治疗中在线剂量监测系统，如图3所示，包括：依次连接的加速器1、前端准直器系统2、束晕探测环模块3、法拉第杯4及控制模块6，所述控制模块用于实现如上述任一实施例所述的方法；
所述加速器用于产生粒子治疗束，所述前端准直器系统用于对所述加速器产生的粒子治疗束进行塑形，到达所述束晕探测环模块；
所述束晕探测环模块用于拦截粒子治疗束的束晕部分并测量其电荷(离线标定阶段及在线监测阶段)，未被所述束晕探测环模块拦截的束心部分在离线标定阶段由所述法拉第杯收集以测量束心电荷量，也即，所述法拉第杯用于在离线标定阶段测量所述粒子治疗束的束心电荷量。
其中，法拉第杯为插入件，放置在束晕探测环模块之后，仅在离线标定阶段使用，用于测量粒子治疗束的束心电荷量，以确定剂量比例系数；在线监测阶段不需要法拉第杯，可将其抽出。
所述控制模块还用于在所述电离室测量的粒子治疗束剂量大于剂量阈值时，发出控制信号控制所述加速器关断。
具体地，加速器1是束线的起点，可产生用于治疗的粒子束。利用电磁场输运粒子束，经过前端准直器模块(即前端准直器系统)2。前端准直器系统包含多个准直器，可对束流进行塑形，使束流稳定且具有平坦的高斯分布，考虑将束晕探测环模块3安装在此之后。法拉第杯4安装在束晕探测环模块3之后，电离室5之前。
优选地，所述束晕探测环模块包括环形贴片式传感器及准直器，所述环形贴片式传感器贴于所述准直器表面，所述加速器产生的粒子治疗束的束晕部分经所述贴片式传感器进行电荷测后，被所述准直器拦截。
优选地，所述贴片式传感器为半导体传感器。
优选地，所述环形贴片式传感器与所述准直器集成制造。
束晕探测环模块3可类比嵌合半导体传感器的准直器，半导体传感器的材料为硅，可测量粒子治疗束的束晕电荷量。束晕探测环模块中的准直器部分可参考前端准直器系统中的准直器。粒子束穿过传感器后停止在准直器部分，实现测量目的的同时辅助对束流塑形。
具体地，传感器可以做成环形贴片，附着在现有准直器的表面，束流先经过传感器测量束晕电荷，而后经过准直器截停束晕部分；也可以将环形贴片传感器和准直器集成制造。
束晕探测环模块的安装位置由粒子束流参数而定，选择在粒子输运束线中束流稳定的区域为佳，如治疗头的前方。
控制模块具备数据处理与反馈控制功能，在所述粒子治疗束的束晕电荷量大于预设阈值Γ时，发出控制信号控制所述加速器关断。
所述束心电荷量由置于束晕探测环模块后端的法拉第杯4进行测量。也即，法拉第杯4用于采集束晕探测环中间透过的束心部分的粒子束。
在线监测阶段中，所述加速器产生的粒子治疗束的束晕部分被所述束晕探测环拦截，未被所述束晕探测环拦截的束心部分经治疗头或照射头发射至目标靶区。
为进一步提高装置的安全性和可靠性，优选地，所述系统还包括电离室5，在线监测阶段时，所述加速器产生的粒子治疗束依次经由所述前端准直器系统、束晕探测环模块及电离室进行塑形、束晕电荷量测量及剂量测量后，发射至目标靶区。
也即，在所述粒子治疗束经束晕探测环模块进行束晕电荷量测量之后、发射至目标靶区之前，经电离室进行剂量测量，也即在该装置中设置电离室对粒子治疗束的剂量进行二次测量，若电离室测量的粒子治疗束的剂量超过预设剂量阈值，控制模块发出控制信号控制所述加速器关断，以此作为粒子治疗监测剂量的安全联锁手段，即通过进一步设置电离室进行剂量测量，为保障治疗安全提供第二重保障，为装置的安全使用提供双重保障。
束晕探测环模块3、法拉第杯4和电离室5与控制模块6相连。控制模块用于在参数测试/校准阶段用于记录、处理探测环和法拉第杯的测量信号，计算剂量比例系数α、参考误差系数β和剂量安全快速联锁触发阈值(即预设阈值)Γ；在使用阶段，控制模块根据束晕探测环3和电离室5的测量信号，作为粒子治疗监测剂量的安全联锁手段。控制模块在束晕探测环测量的粒子治疗束的束晕电荷量超出预设阈值Γ或电离室测量的粒子治疗束的剂量超过预设剂量阈值时，发出反馈信号用以控制关断加速器1。
可将用于监测粒子束晕的束晕探测环模块3和用于监测粒子束心的法拉第杯4的读数与加速器的绝对束流联系起来，对监测装置进行定期的检查与参数修正调整。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种粒子治疗中在线剂量监测方法，其特征在于，包括：
离线标定阶段：
依次测量粒子治疗束束晕和束心的电荷量，并以所述束心和束晕的电荷量之比作为剂量比例系数α；
在线监测阶段：
测量粒子治疗束的束晕电荷量，当所述束晕电荷量大于预设阈值Γ时，控制所述加速器关断；其中，
Figure FDA0004079283760000011
Cplan为计划粒子治疗束的束心电荷量，k为安全剂量，取值范围为(0,0.1]；
在离线标定阶段，通过多次测量的方式确定剂量比例系数α：
Figure FDA0004079283760000012
其中，
Figure FDA0004079283760000013
CCenter和CHalo为分别为束心和束晕的电荷量，n为测量次数，n≥5；
剂量比例系数α的参考误差系数
Figure FDA0004079283760000014
2.一种粒子治疗中在线剂量监测系统，其特征在于，包括：依次连接的加速器、前端准直器系统、束晕探测环模块、法拉第杯及用于实现如权利要求1所述的方法的控制模块；
所述前端准直器系统用于对所述加速器产生的粒子治疗束进行塑形；
所述束晕探测环模块用于拦截所述粒子治疗束的束晕部分以在离线标定阶段及在线监测阶段测量束晕电荷量；
所述法拉第杯用于在离线标定阶段测量所述粒子治疗束的束心电荷量；
所述束晕探测环模块包括环形贴片式传感器及准直器，所述环形贴片式传感器贴于所述准直器表面，所述粒子治疗束的束晕部分经所述贴片式传感器进行电荷量测量后，被所述准直器拦截；
所述贴片式传感器为半导体传感器；
所述环形贴片式传感器与所述准直器集成制造。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括电离室，在线监测阶段时，所述加速器产生的粒子治疗束依次经由所述前端准直器系统、束晕探测环模块及电离室进行塑形、束晕电荷量测量及剂量测量后，发射至目标靶区。
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