CN116492609A - 一种粒子放疗束斑大小调制装置及调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粒子放疗束斑大小调制装置及调制方法，涉及粒子放疗领域，包括：外壳，外壳前后两侧均贯穿开设有矩形通孔，外壳左右两侧对称开设有若干滑槽；若干散射体，多个散射体与多个滑槽一一对应，散射体包括散射箔，散射箔两侧固定连接有导向滑轨，导向滑轨滑动连接于滑槽内部，若干个独立驱动机构，多个独立驱动机构与多个散射体一一对应，外壳左侧前端向左侧延伸形成电机安装板，电机安装板前侧固定安装有若干驱动电机，多个驱动电机与多个独立驱动机构一一对应。本发明的优点在于：提出一种能够调节粒子放疗主动式束流配送方法中的束斑尺寸大小的方案，保证剂量分布适形均匀情况下降低放疗照射时间，进而提升放疗设备使用效率。
Description
技术领域
本发明涉及粒子放疗领域，具体是涉及一种粒子放疗束斑大小调制装置及调制方法。
背景技术
粒子束是肿瘤放疗中使用的射线源之一，其独特的深度剂量分布有利于保护正常组织和关键器官。目前，粒子束主要采用主动式束流配送方法，通过横向磁偏转和纵向改变束流能量来实现束流位置三维控制。其工作原理为：治疗计划系统将肿瘤靶区分割为数个等能量薄层，根据剂量分布要求，优化和输出各个等能量薄层不同照射位置的权重(粒子数)。粒子束在均匀介质中的的横向剂量分布呈高斯分布，因此束斑尺寸用等中心点处的束斑半高全宽值(FWHM)表征。但是由于扫描位置的数量很多，并且每个点都需要独立的计算、控制和监测，主动式束流配送方法所需照射时间更长。患者体验感较差且放疗装置使用效率较低。
发明内容
为解决上述技术问题，提供一种粒子放疗束斑大小调制装置及调制方法，本技术方案解决了上述的由于扫描位置的数量很多，并且每个点都需要独立的计算、控制和监测，主动式束流配送方法所需照射时间更长，患者体验感较差且放疗装置使用效率较低的问题。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种粒子放疗束斑大小调制装置，包括：
外壳，所述外壳前后两侧均贯穿开设有矩形通孔，所述外壳左右两侧对称开设有若干滑槽；
若干散射体，多个所述散射体与多个所述滑槽一一对应，所述散射体包括散射箔，所述散射箔两侧固定连接有导向滑轨，所述导向滑轨滑动连接于滑槽内部。
优选的，所述散射箔的厚度为0.1mm-0.5mm。
优选的，还包括若干个独立驱动机构，多个所述独立驱动机构与多个所述散射体一一对应设置。
优选的，所述外壳左侧前端向左侧延伸形成电机安装板，所述电机安装板前侧固定安装有若干驱动电机，多个所述驱动电机与多个独立驱动机构一一对应设置。
优选的，左侧所述导向滑轨外侧设置有驱动齿条，所述独立驱动机构包括驱动齿轮，所述驱动齿轮与驱动齿条相啮合，所述驱动齿轮前侧固定连接有传动轴，所述传动轴向前延伸，并与电机安装板转动连接，多个所述传动轴分别与对应的驱动电机的输出端固定连接。
进一步的，提出一种粒子放疗束斑大小调制方法，适用于如上述的粒子放疗束斑大小调制装置，包括：
依次获取穿过n个散射箔的束流束斑尺寸大小，获得散射尺寸数据，n＝0、1、2、3、……；
基于散射箔的预设厚度和散射尺寸数据建立扩散束斑大小与散射箔厚度之间的关系曲线；
根据放疗需求，确定所需的扩散束斑大小，获取预设扩散束斑尺寸；
根据预设扩散束斑尺寸、扩散束斑大小与散射箔厚度之间的关系曲线确定所需的散射箔厚度；
根据所需的散射箔厚度和散射箔的预设厚度，计算所需的散射箔数量；
按照所需散射箔数量控制对应数量的散射体升起，使束流穿过粒子放疗束斑大小调制装置后达到预设扩散束斑尺寸。
可选的，所述散射箔的材质为原子序数大于20的任一种金属材料及相应的合金材料。
可选的，n个所述散射箔的总厚度为0-1.5mm。
可选的，所述束流为质子束和/或碳离子束和/或氦离子束
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提出粒子放疗束斑大小调制装置，通过设置可升降的散射体，进而实现调节束流穿过的散射箔数量，能够调节粒子放疗主动式束流配送方法中的束斑尺寸大小，在肿瘤靶区内部使用较大的束斑进行照射，在肿瘤靶区边缘位置使用较小的束斑进行照射，从而保证剂量分布适形均匀情况下降低放疗照射时间提升放疗设备使用效率；还能降低次级辐射的强度，减少非治疗辐射。
本发明的粒子放疗束斑大小调制方法可通过确定扩散束斑大小与散射箔厚度之间的关系曲线，进而计算出粒子放疗主动式束流配送方法中的束斑大小所需要的散射箔厚度，进而便于计算束流穿过的散射箔数量，实现在肿瘤靶区内部使用尺寸较大的束斑进行照射，在肿瘤靶区边缘位置使用尺寸较小的束斑进行照射，从而保证剂量分布适形均匀情况下降低放疗照射时间提升放疗设备使用效率。
附图说明
图1为本发明提出的粒子放疗束斑大小调制装置结构示意图；
图2为本发明提出的粒子放疗束斑大小调制装置方法流程图；
图3为束流线中束流能量为200MeV/u的离子的束斑位置分布；
图4为束流线中束流能量为250MeV/u的离子的束斑位置分布；
图5为束流线中束流能量为300MeV/u的离子的束斑位置分布；
图6为束流线中束流能量为350MeV/u的离子的束斑位置分布；
图7为束流线中束流能量为400MeV/u的离子的束斑位置分布；
图8为散射箔材料为钛的扩散束斑大小与散射箔厚度之间的关系曲线；
图9为散射箔材料为钽的扩散束斑大小与散射箔厚度之间的关系曲线。
图中标号为：
1、外壳；101、矩形通孔；102、滑槽；103、电机安装板；2、散射体；201、散射箔；202、导向滑轨；203、驱动齿条；3、独立驱动机构；301、驱动齿轮；302、传动轴；4、驱动电机。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
参照图1所示，一种粒子放疗束斑大小调制装置，包括：
外壳1，外壳1前后两侧均贯穿开设有矩形通孔101，外壳1左右两侧对称开设有若干滑槽102；
若干散射体2，多个散射体2与多个滑槽102一一对应，散射体2包括散射箔201，散射箔201两侧固定连接有导向滑轨202，导向滑轨202滑动连接于滑槽102内部，散射箔201具有优化的材料，以保证在达到预定的第一辐射束斑尺寸，散射箔201的厚度经过优化，保证第一辐射拥有较大的束斑尺寸还能保留足够的辐射强度，进而保持较高的剂量率，其中第一辐射为质子束辐射和/或碳离子束辐射和/或氦离子束辐射，具体的，散射箔201的材质选择高原子序数材料，本实施例中，散射箔201的材质选择原子序数大于20的任一种金属材料及相应的合金材料，例如高原子序数的金属钛、钽，单个散射箔201的厚度与其原子序数相关，原子序数越小，单个散射箔的厚度越大，同时考虑到加工难度，本方案中的散射箔厚度为0.1mm-0.5mm。
通过设置可升降的散射体，通过升起或降下散射体2可实现调节束流穿过的散射箔201数量，能够调节粒子放疗主动式束流配送方法中的束斑尺寸大小，在肿瘤靶区内部使用较大的束斑进行照射，在肿瘤靶区边缘位置使用较小的束斑进行照射，从而保证剂量分布适形均匀情况下降低放疗照射时间提升放疗设备使用效率；还能降低次级辐射的强度，减少非治疗辐射。
在一些实施例中，粒子放疗束斑大小调制装置还包括若干个独立驱动机构3，多个独立驱动机构3与多个散射体2一一对应设置，外壳1左侧前端向左侧延伸形成电机安装板103，电机安装板103前侧固定安装有若干驱动电机4，多个驱动电机4与多个独立驱动机构3一一对应设置，左侧导向滑轨202外侧设置有驱动齿条203，独立驱动机构3包括驱动齿轮301，驱动齿轮301与驱动齿条203相啮合，驱动齿轮301前侧固定连接有传动轴302，传动轴302向前延伸，并与电机安装板103转动连接，多个传动轴302分别与对应的驱动电机4的输出端固定连接。
本实施例中，当需要驱动散射体2进行升降时，由驱动电机4驱动传动轴302转动，进而带动驱动齿轮301转动，通过驱动齿轮301和驱动齿条203的啮合关系，将转动扭矩转化为升降驱动力进行驱动散射体2进行上升或下降。
本发明的使用过程为：首先根据根据放疗需求，确定所需的散射箔数量，之后由对应数量的驱动电机4带动驱动传动轴302转动，进而带动驱动齿轮301转动，通过驱动齿轮301和驱动齿条203的啮合关系，将转动扭矩转化为升降驱动力进行驱动散射体2进行上升至散射区域，使经过粒子放疗束斑大小调制装置的束斑尺寸大小符合放疗需求。
请参阅图2所示，为进一步的说明本方案，以下提出一种粒子放疗束斑大小调制方法，包括：
依次获取穿过n个散射箔的束流束斑尺寸大小，获得散射尺寸数据，n＝0、1、2、3、……，束斑半高全宽值(FWHM)是高斯分布离散度(sigma)的2.355倍，采用束斑分布离散度(sigma)来表征束斑尺寸，结果如图3-图7所示，其中图3为同一束流线中，束流能量为200MeV/u的离子的束斑位置分布，图4为同一束流线中，束流能量为250MeV/u的离子的束斑位置分布，图5为同一束流线中，束流能量为300MeV/u的离子的束斑位置分布，图6为同一束流线中，束流能量为350MeV/u的离子的束斑位置分布，图7为同一束流线中，束流能量为400MeV/u的离子的束斑位置分布，确定束斑尺寸大小例如可以通过物理测量，或者也可以通过模拟计算。例如，在每个散射箔的衰减和散射条件下，可以使用蒙特卡洛方法来计算扩散束斑尺寸大小，其中，束流为质子束和/或碳离子束和/或氦离子束；
基于散射箔的预设厚度和散射尺寸数据建立扩散束斑大小与散射箔厚度之间的关系曲线，由于带电粒子与物质相互作用的散射角与物质原子序数有关，所以对于单一方向来源的碳离子束而言，为了增大束斑尺寸，需要有较大的散射角，因此，散射箔的材料选择高原子序数金属材料，本实施例中选用原子序数大于20的任一种金属材料及相应的合金材料，例如高原子序数的金属钛、钽，结果如图8-图9所示，其中图8对应的散射箔材料为钛，图9对应的散射箔材料为钽，从图中可以看出，增加散射箔102的厚度也能增大散射角，在一些实施例中，散射箔102总厚度范围为0-1.5mm；
根据放疗需求，确定所需的扩散束斑大小，获取预设扩散束斑尺寸；
根据预设扩散束斑尺寸、扩散束斑大小与散射箔厚度之间的关系曲线确定所需的散射箔厚度；
根据所需的散射箔厚度和散射箔的预设厚度，计算所需的散射箔数量；
按照所需散射箔数量控制对应数量的散射体升起，使束流穿过粒子放疗束斑大小调制装置后达到预设扩散束斑尺寸。
综上所述，本发明的优点在于：提出一种能够调节粒子放疗主动式束流配送方法中的束斑尺寸大小的方案，保证剂量分布适形均匀情况下降低放疗照射时间，进而提升放疗设备使用效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (9)
1.一种粒子放疗束斑大小调制装置，其特征在于，包括：
外壳(1)，所述外壳(1)前后两侧均贯穿开设有矩形通孔(101)，所述外壳(1)左右两侧对称开设有若干滑槽(102)；
若干散射体(2)，多个所述散射体(2)与多个所述滑槽(102)一一对应，所述散射体(2)包括散射箔(201)，所述散射箔(201)两侧固定连接有导向滑轨(202)，所述导向滑轨(202)滑动连接于滑槽(102)内部。
2.根据权利要求1所述的一种粒子放疗束斑大小调制装置，其特征在于，所述散射箔(201)的厚度为0.1mm-0.5mm。
3.根据权利要求2所述的一种粒子放疗束斑大小调制装置，其特征在于，还包括若干个独立驱动机构(3)，多个所述独立驱动机构(3)与多个所述散射体(2)一一对应设置。
4.根据权利要求3所述的一种粒子放疗束斑大小调制装置，其特征在于，所述外壳(1)左侧前端向左侧延伸形成电机安装板(103)，所述电机安装板(103)前侧固定安装有若干驱动电机(4)，多个所述驱动电机(4)与多个独立驱动机构(3)一一对应设置。
5.根据权利要求4所述的一种粒子放疗束斑大小调制装置，其特征在于，左侧所述导向滑轨(202)外侧设置有驱动齿条(203)，所述独立驱动机构(3)包括驱动齿轮(301)，所述驱动齿轮(301)与驱动齿条(203)相啮合，所述驱动齿轮(301)前侧固定连接有传动轴(302)，所述传动轴(302)向前延伸，并与电机安装板(103)转动连接，多个所述传动轴(302)分别与对应的驱动电机(4)的输出端固定连接。
6.一种粒子放疗束斑大小调制方法，适用于如权利要求1-5任一项所述的粒子放疗束斑大小调制装置，其特征在于，包括：
依次获取穿过n个散射箔的束流束斑尺寸大小，获得散射尺寸数据，n＝0、1、2、3、……；
基于散射箔的预设厚度和散射尺寸数据建立扩散束斑大小与散射箔厚度之间的关系曲线；
根据放疗需求，确定所需的扩散束斑大小，获取预设扩散束斑尺寸；
根据预设扩散束斑尺寸、扩散束斑大小与散射箔厚度之间的关系曲线确定所需的散射箔厚度；
根据所需的散射箔厚度和散射箔的预设厚度，计算所需的散射箔数量；
按照所需散射箔数量控制对应数量的散射体升起，使束流穿过粒子放疗束斑大小调制装置后达到预设扩散束斑尺寸。
7.根据权利要求6所述的一种粒子放疗束斑大小调制方法，其特征在于，所述散射箔的材质为原子序数大于20的任一种金属材料及相应的合金材料。
8.根据权利要求7所述的一种粒子放疗束斑大小调制方法，其特征在于，n个所述散射箔的总厚度为0-1.5mm。
9.根据权利要求8所述的一种粒子放疗束斑大小调制方法，其特征在于，所述束流为质子束和/或碳离子束和/或氦离子束。
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