CN115980819A - 一种射线剂量横向分布测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射线剂量横向分布测量装置及方法，包括：闪烁体发光材料、光学反射镜、光学成像系统和数据分析系统；所述闪烁体发光材料、光学反射镜、光学成像系统均设置在外壳内，当待检测射线沿着垂直于闪烁体发光材料的方向入射时，所述闪烁体发光材料在待检测射线的照射下发出光子；所述光学反射镜用于将所述闪烁体发光材料发出的光子反射到所述光学成像系统；所述光学成像系统用于接收光子并成像；所述数据分析系统设置在所述外壳外部，用于对所述光学成像系统实时采集的图像数据进行分析，得到待检测射线的横向剂量剖面分布结果。本发明可以广泛应用于放射治疗射线剂量横向分布测量领域。

Description

一种射线剂量横向分布测量装置及方法

技术领域

本发明属于放射治疗技术领域，具体涉及一种射线剂量横向分布测量装置及方法。

背景技术

近年来，放射治疗技术得到了飞速的发展。如何将既定的剂量精确地递送至患者肿瘤靶区，是保证治疗效果的核心问题。其中，束流的质量保证是确保束流参数和治疗计划系统保持一致的关键。束流的质量保证包括测量束流的横向位置、横向剖面分布以及纵向剖面分布。

目前，一般用胶片、二维电离室矩阵或者闪烁体探测器测量束流的横向位置和横向剖面分布。胶片方法是应用最为广泛也是最传统的测量方法，可以直接得到束流的横向位置和横向剖面，缺点是胶片不能重复利用，造价高，并且必须在静置一段时间离线获取数据，耗费时间较长。二维电离室矩阵优点是测量速度快，缺点是横向分辨率低，并且获得横向位置需要进行数据拟合，不能直观准确获得横向位置。对二维电离室矩阵而言，提高横向分辨率的代价是电子学通道数急剧增加。闪烁体探测器是一种新兴的、基于光学的测量方法，收集射线与发光材料作用后产生的光子，可以得到射线的横向分布。闪烁体探测器的优点是测量系统简单、测量时间短，它的缺点是散射噪声对测量结果影响较大。散射的射线入射到图像传感器时会给引入大量离散的噪声，表现为图像上出现大量幅值较大的像素点。图像传感器无法分辨这些噪声信号是来自于射线还是杂散射线。因此，需要去除掉这些噪声避免影响测量结果。

利用闪烁体探测器测量闪射线横向分布时，对于x射线治疗机而言，杂散射线本身也是x射线。在连续拍摄的不同照片上，散射噪声的位置一般也是不同的。因此，通过对比连续拍摄的一系列照片之间的差异可以找到噪声较大的点，将这些点的值进行修正即可；对于质子重离子治疗机而言，杂散射线包括x射线以及散射的质子重离子本身。在连续拍摄的不同照片上，部分散射噪声在图片上的位置是不同的，部分散射噪声在图片上的位置是不变的。第二种去噪方法采用中值滤波和平滑滤波。中值滤波能在一定程度上去除散射噪声，但是仍然会保留一些高频成分影响测量结果。平滑滤波是一种低通滤波，它通过将幅度较大的像素点平均分配的相邻的像素点去，它会让图像变得“模糊”。“模糊”后的图像的均匀性会“变好”，但是这种变好无法确定是射野本身就“均匀”，还是由于平滑滤波迫使图像变得“均匀”。因此中值滤波和平滑滤波对于横向剖面均匀性测量都不是一种理想的处理办法。综上所述，闪烁体探测器目前使用的去噪技术无法得到满意的结果。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种射线剂量横向分布测量装置及方法，能够实现对射线剂量横向分布的高分辨率、时间短、便捷的测量，为射线治疗装置的束流参数测量、晨检、月检和治疗计划验证提供一种技术手段。

本发明的另一目的是提供一种射线剂量横向分布测量方法，为闪烁体探测器在测量射线剂量横向分布时的消除散射噪声提供一种理想方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种射线剂量横向分布测量装置，包括：

闪烁体发光材料、光学反射镜、光学成像系统和数据分析系统；

所述闪烁体发光材料、光学反射镜、光学成像系统均设置在外壳内，当待检测射线沿着垂直于闪烁体发光材料的方向入射时，所述闪烁体发光材料在待检测射线的照射下发出光子；

所述光学反射镜用于将所述闪烁体发光材料发出的光子反射到所述光学成像系统；

所述光学成像系统用于接收光子并成像；

所述数据分析系统设置在所述外壳外部，用于对所述光学成像系统实时采集的图像数据进行分析，得到待检测射线的横向剂量剖面分布结果。

进一步，所述闪烁体发光材料呈矩形，且所述闪烁体发光材料的宽度大于待检测射线的最大横向长度。

进一步，所述光学成像系统包括光学镜头、滤光片和相机；所述光学镜头用于收集所述闪烁体发光材料产生、并经所述光学反射镜反射的光，并将收集的光聚焦到所述相机的成像芯片上；所述滤光片用于选择能够通过的光的波长；所述相机用于将收集并聚焦的光转换为图像。

进一步，所述光学反射镜的尺寸不小于所述光学镜头拍摄到闪烁体发光材料完整像的最小尺寸。

进一步，所述闪烁体发光材料与所述光学反射镜所在平面的夹角以及所述光学反射镜与光学镜头轴线之间的夹角均为45°

进一步，所述光学成像系统安装在所述散射射线屏蔽系统内部；所述散射射线屏蔽系统安装在所述外壳外部。

进一步，所述外壳内部涂抹有吸光材料。

进一步，所述光学成像系统和光学反射镜的光谱适用范围包含所述闪烁体发光材料的光谱峰值。

第二方面，本发明提供一种射线剂量横向分布测量方法，包括以下步骤：

束流照射前，获取无射线照射时的图像作为本底图像发送到数据分析系统；

束流开始照射后，获取待检测射线照射过程中的若干幅连续拍摄的图像作为源图像并发送到数据分析系统；

基于本底图像和各源图像，数据分析系统得到待检测图像在水平和竖直方向上的剖面。

进一步，所述基于本底图像和各源图像，数据分析系统得到待检测图像在水平和竖直方向上的剖面的方法，包括：

将得到的若干幅源图像分别与本底图像进行图像减运算；

从减运算得到的图像上选取感兴趣区域，得到感兴趣图像；

对得到的感兴趣图像进行傅里叶变换和频谱中心化，得到感兴趣矩阵；

对得到的感兴趣矩阵进行低通滤波，得到滤波后矩阵，其中，低通滤波器的截止频率通过模拟计算得到；

对滤波后矩阵进行傅里叶逆变换得到滤波后图像；

分别求得滤波后图像在水平和垂直两个方向的投影，得到待检测束流在水平和竖直方向上的剖面。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明由于对闪烁体发光材料、光学反射镜以及光学成像系统的合理设置，空间分辨率好于0.5mm，相比电离室矩阵具有空间分辨率高的优点。具有快速、实时、在线的优点，

2、本发明由于将闪烁体发光材料、光学反射镜、光学成像系统等集成在外壳内，结构紧凑、方便携带，结合一台计算机即可完成数据提取，具有方便便携、快速、实时的优点。

3、本发明由于将光学成像系统安装在散射射线屏蔽系统内部，散射射线屏蔽系统安装在外壳外部，可以减少散射射线对测量结果的影响，提高了检测准确性。

4、本发明在进行测量时，通过获取束流照射前后的图像进行作差，能够有效去除射线散射噪声，并且不会去除图像的频率成分，使得检测结果的准确性进一步提高。

综上，本发明可以广泛应用于放射治疗技术领域。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明提出的一种射线剂量横向分布测量装置结构示意图；

图2是本发明提出的一种射线剂量横向分布测量方法的实施流程图；

图3是本发明实施例装置在能量为190MeV/u，横向尺寸为100mm×100mm碳离子的射野下拍摄的图片；

图4a和图4b是本发明实施例图片选取的感兴趣区域以及感性兴趣区域图片的傅里叶变换频谱图；

图5a和图5b是感兴趣区域图片频域低通滤波后的频谱和傅里叶逆变换得到的图片；

图6a和图6b是模拟的横向尺寸为100mm×100mm碳离子射野的二维分布图像及傅里叶频谱图；

图6c和图6d是模拟的横向尺寸为200mm×200mm碳离子射野的二维分布图像及傅里叶频谱图；

图7a和图7b分别是对图5a感兴趣区域图片进行低通滤波后得到的水平方向和垂直方向的剖面分布；

图8a和图8b分别是对图5a所示感兴趣区域图片在低通滤波前后水平分方向剖面和垂直方向剖面对比图；

附图中各标记表示如下：

1、闪烁体发光材料；2、光学反射镜；3、光学成像系统；4、散射射线屏蔽系统；5、外壳；6、数据分析系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一些实施例中，提供一种射线剂量横向分布测量装置，首先令闪烁体发光材料在待检测射线照射下发出光子，然后通过光学反射镜和光学成像系统对闪烁体发光材料发出的光子进行聚焦成像，进而得到待检测射线的横向剂量剖面分布结果。通过对闪烁体发光材料、光学反射镜和光学成像系统的合理设计，使得本装置具有快速、实时、在线的优点，且结构紧凑、方便携带。

与之相对应地，本发明的另一些实施例中提供一种射线剂量横向分布测量方法。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种射线剂量横向分布测量装置，包括：闪烁体发光材料1、光学反射镜2、光学成像系统3和数据分析系统6。其中，闪烁体发光材料1、光学反射镜2、光学成像系统3均设置在外壳5内，当待检测射线沿着垂直于闪烁体发光材料1的方向入射时，闪烁体发光材料1在待检测射线的照射下发出光子，且发出光子的数量与待检测射线在单位闪烁体发光材料1上的功率密度成正比；光学反射镜2用于将闪烁体发光材料1发出的光子反射到光学成像系统3；光学成像系统3用于接收光子并成像；数据分析系统6设置在外壳5外部，用于对光学成像系统3实时采集的图像数据进行分析，得到待检测射线的横向剂量剖面分布结果。

进一步，待检测射线包括但不限于x射线、质子、碳离子以及其它用于治疗的重离子。

进一步，闪烁体发光材料1包括但不限于塑料闪烁体，晶体闪烁体或粉末屏等。

进一步，闪烁体发光材料1为矩形薄片，且该矩形薄片的横向尺寸W大于待检测射线的最大横向尺寸。

进一步，闪烁体发光材料1、光学反射镜2、光学成像系统3均安装在外壳5中，以避免外界自然光对测量结果产生影响。

进一步，光学成像系统3包括光学镜头、滤光片和相机组成。其中，光学镜头用于收集闪烁体发光材料1产生、并经光学反射镜2反射的光，并将收集的光聚焦到相机的成像芯片上；滤光片用于选择能够通过的光的波长；相机用于将收集并聚焦的光转换为图像。

优选地，滤光片选择让500～600nm波长的光通过。

优选地，相机包括但不限于CCD相机。

进一步，光学反射镜2的尺寸不小于相机需要拍摄到闪烁体发光材料1完整像的最小尺寸。

进一步，闪烁体发光材料1与光学反射镜2所在平面的夹角α以及光学反射镜2与相机轴线之间的夹角β均为45°。

进一步，光学成像系统3安装在散射射线屏蔽系统4内部，以减少散射射线对测量结果的影响；散射射线屏蔽系统4安装在外壳5外部。

进一步，光学成像系统3和光学反射镜2的光谱适用范围必须包含闪烁体发光材料1的光谱峰值。

进一步，外壳5内部涂覆有吸光材料。

进一步，数据分析系统6包括但不限于计算机。

实施例2

如图2所示，基于实施例1公开的射线剂量横向分布测量装置，本实施例公开了一种射线剂量横向分布测量方法，包括以下步骤：

(1)束流照射前，获取无射线照射时的图像作为本底图像发送到数据分析系统6；

(2)束流开始照射后，获取待检测射线照射过程中的若干幅连续拍摄的图像作为源图像并发送到数据分析系统6；

(3)基于本底图像和源图像，数据分析系统6得到待检测射线的横向分布。

进一步，上述步骤(3)可以通过以下步骤实现：

(3.1)将得到的若干幅源图像分别与本底图像进行图像减运算；

(3.2)从减运算得到的图像上选取感兴趣区域，得到感兴趣图像；

(3.3)对得到的感兴趣图像进行傅里叶变换和频谱中心化，得到感兴趣矩阵；

(3.4)对得到的感兴趣矩阵进行低通滤波，得到滤波后矩阵，其中，低通滤波器的截止频率通过模拟计算得到；

(3.5)对滤波后矩阵进行傅里叶逆变换和逆频谱中心化得到滤波后图像；

(3.6)分别求得滤波后图像在水平和垂直两个方向的投影，得到待检测射线的横向分布，也即其在水平和竖直方向上的剖面。

实施例3

在本实施例采用的射线剂量横向分布测试装置中，外壳5采用铝合金型材制成，其内表面涂抹黑色吸光材料。闪烁体发光材料1采用塑料闪烁体，且该塑料闪烁体1的尺寸优选为200mm×200mm。光学反射镜2的尺寸为282mm×200mm。

在本实施例中，镜头焦距优选为12mm。滤光片的中心波长优选为550nm，带宽优选为100nm。在本实施例中，相机的视场大小为798mm×498mm，空间分辨率为0.43mm/像素。视野能够覆盖闪烁体发光材料1的横向尺寸。

本实施例中，闪烁体发光材料1的光谱峰值为550nm，光学反射镜2在500-600nm范围内的反射率大于90％。

实施例4

基于实施例3中的射线剂量横向分布测量装置，本实施例对本发明公开的射线剂量横向分布测量方法进行进一步介绍。

(1)相机在无射线照射时拍摄一幅图像作为本底图像存在计算机中(记为P1)。

(2)相机在有射线照射时拍摄一幅图像作为源图像(记为P2)。

(3)进行数据分析，得到待检测射线在水平和垂直两个方向的投影，即可得到两个方向的剖面。

具体地，包括以下步骤：

(3.1)将源图像与本底图像进行图像减运算得到一幅去除了本底的图像(记为P3)。在本实施例中，源图像在能量为190MeV/u，横向尺寸为100mm×100mm碳离子的射野拍摄得到。如图3所示。

(3.2)在图像P3上选取感兴趣区ROI，得到ROI部分的图像(记为P4)。

(3.3)对图像P4进行二维傅里叶变换和频谱中心化，得到矩阵M1。图像P4和矩阵M1如图4a和图4b所示。

(3.4)对矩阵M1进行低通滤波，得到矩阵M2。

对矩阵M1进行低通滤波，也即将矩阵M1中频率成分大于f的数据乘以0，而频率成分小于f的点乘以1，进而得到矩阵M2。其中，低通滤波器截止频率f通过以下办法得到：

(3.4.1)创建大小为100mm×100mm和200mm×200mm射野的模拟虚拟图像，虚拟图像的边缘用标准差为5mm的高斯分布来模拟。

(3.4.2)将2组模拟虚拟图像分别进行二维傅里叶变换以及频谱中心化。查看其频谱图像，如图6a～6d所示。可以看到，模拟虚拟图像的高频分量等于零。另外，对图3的感兴趣区域图像(图4a)进行二维傅里叶变换和频谱中心化，得到感兴趣区域图像的频谱图(图4b)。可见图像P4有很丰富的高频成分。因此，图像P4中的高频分量主要是射线的散射噪声。

(3.4.3)从模拟虚拟图像的频谱矩阵来看，当频率点坐标大于矩阵长度的1/10时，该频率点的幅值小于峰值的0.4％。因此频率大于1/10的高频成分可以忽略不计。因此选择f＝1/10作为低通滤波器的截止频率。

(3.5)对矩阵M2进行逆频谱中心化和二维逆傅里叶变换，得到处理后的图像(记为P5)。矩阵M2和图像P5如图5a和图5b所示。

(3.6)根据图像P5分别求得水平和垂直两个方向的投影即可得到两个方向的剖面，如图7a和图7b所示。剖面中间部位的细节展示了低通滤波前后的效果，如图8a和图8b所示。可以看出滤波前的剖面有大量波动幅度较大的数据，这些数据是散射射线引入的噪声。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种射线剂量横向分布测量装置，其特征在于，包括：

闪烁体发光材料、光学反射镜、光学成像系统和数据分析系统；

所述闪烁体发光材料、光学反射镜、光学成像系统均设置在外壳内，当待检测射线沿着垂直于闪烁体发光材料的方向入射时，所述闪烁体发光材料在待检测射线的照射下发出光子；

所述光学反射镜用于将所述闪烁体发光材料发出的光子反射到所述光学成像系统；

所述光学成像系统用于接收光子并成像；

所述数据分析系统设置在所述外壳外部，用于对所述光学成像系统实时采集的图像数据进行分析，得到待检测射线的横向剂量剖面分布结果。

2.如权利要求1所述的一种射线剂量横向分布测量装置，其特征在于，所述闪烁体发光材料呈矩形，且所述闪烁体发光材料的宽度大于待检测射线的最大横向长度。

3.如权利要求1所述的一种射线剂量横向分布测量装置，其特征在于，所述光学成像系统包括光学镜头、滤光片和相机；所述光学镜头用于收集所述闪烁体发光材料产生、并经所述光学反射镜反射的光，并将收集的光聚焦到所述相机的成像芯片上；所述滤光片用于选择能够通过的光的波长；所述相机用于将收集并聚焦的光转换为图像。

4.如权利要求3所述的一种射线剂量横向分布测量装置，其特征在于，所述光学反射镜的尺寸不小于所述光学镜头拍摄到闪烁体发光材料完整像的最小尺寸。

5.如权利要求3所述的一种射线剂量横向分布测量装置，其特征在于，所述闪烁体发光材料与所述光学反射镜所在平面的夹角以及所述光学反射镜与光学镜头轴线之间的夹角均为45°。

6.如权利要求1所述的一种射线剂量横向分布测量装置，其特征在于，所述光学成像系统安装在所述散射射线屏蔽系统内部；所述散射射线屏蔽系统安装在所述外壳外部。

7.如权利要求1所述的一种射线剂量横向分布测量装置，其特征在于，所述外壳内部涂抹有吸光材料。

8.如权利要求1所述的一种射线剂量横向分布测量装置，其特征在于，所述光学成像系统和光学反射镜的光谱适用范围包含所述闪烁体发光材料的光谱峰值。

9.一种采用如权利要求1～8任一项所述装置的射线剂量横向分布测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

束流照射前，获取无射线照射时的图像作为本底图像发送到数据分析系统；

束流开始照射后，获取待检测射线照射过程中的若干幅连续拍摄的图像作为源图像并发送到数据分析系统；

基于本底图像和各源图像，数据分析系统得到待检测图像在水平和竖直方向上的剖面。

10.如权利要求9所述的一种射线剂量横向分布测量方法，其特征在于，所述基于本底图像和各源图像，数据分析系统得到待检测图像在水平和竖直方向上的剖面的方法，包括：

将得到的若干幅源图像分别与本底图像进行图像减运算；

从减运算得到的图像上选取感兴趣区域，得到感兴趣图像；

对得到的感兴趣图像进行傅里叶变换和频谱中心化，得到感兴趣矩阵；

对得到的感兴趣矩阵进行低通滤波，得到滤波后矩阵，其中，低通滤波器的截止频率通过模拟计算得到；

对滤波后矩阵进行傅里叶逆变换得到滤波后图像；

分别求得滤波后图像在水平和垂直两个方向的投影，得到待检测束流在水平和竖直方向上的剖面。

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