CN1176143A - 以动态方式建立照域尺寸重合的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种建立辐射系统调定模态中所用光域的区域尺寸与此系统操作模态中所用辐射域的区域尺寸之间的重合的方法,包括提供区域限定装置的自动调节以补偿光和辐射在光学性质方面的差别。经过区域限定装置的光束一般比经过它的X射线束有更大的散射。对于区域限定装置的许多设定中的每一设定,确定和记录光和辐射的区域尺寸间的差别。然后,对于某一具体所需的区域尺寸,区域限定装置可以自动地予以调节以提供补偿。

Description

以动态方式建立照域尺寸 重合的方法和系统

本发明一般地涉及一种改进调定辐射治疗区域的方法，而更为具体地涉及在调定模态光域、治疗模态辐射域和用以促进调定治疗区域的显示器之间建立区域尺寸重合。

辐射设备目前已被公知和公用，例如用作治疗病人的辐射治疗设备。辐射治疗设备中通常包括在治疗过程中可绕水平转动轴线转动的支架。用于产生治疗用的高能辐射束的线性加速器位于支架中。这种高能辐射束可以是电子辐射束或光子(X射线)束。在医疗过程中辐射束指向躺在支架旋转等角中心上的病人身上的某个区域。

为了对目的物上所受的辐射加以控制，在辐射源与目的物之间的辐射束路径上通常设有例如是板装置或准直仪等辐射束屏蔽装置。该束屏蔽装置在目的物上限定一规定投射辐射量的照域。

投射于目的物上的辐射可以分开成基本分量和散射分量。基本分量辐射是由从辐射源发出的起始或原始光子所形成，而散射分量是由板装置本身散射出来的光子造成的。因为基本辐射中附加了增加的板-准直仪散射，所以辐射束的辐射量在自由空间中也增加了。即照域上的某点在受到直接辐射(即基本辐射)的同时也受到从板装置上散射的辐射的照射。对于一个基准照域(如10×10cm)，在空气中的带有散射的辐射输出与不含散射时的辐射输出之比通常称为“输出因数”或“准直仪散射因数”。输出因数的概念与定义在现有技术中是被广泛了解的。

这样，由于存在这些散射的光子，使得投向目的物表面的剂量受到板装置开口尺寸也即照域尺寸的影响。这就意味着，在同一点上例如是投在目的物上的辐射束中心处所受的照射会因为板装置开口尺寸而变化。在板装置的开口较小时在一点上所受的积累剂量要比开口较大时在同一点上所受的积累剂量小。

辐射治疗设备的照域尺寸是很重要的，因为它确定病人身体接受辐射的区域。在使用设备的调定模态中，可以启动一可见光源，以便从治疗机头向病人身上投射一光域。此光域有助于调节射束各参数和相对于治疗机头正确地安置病人。

照域尺寸是通过改变穿过治疗机头中准直仪的一个孔口来予以调节的。此孔口由设定X轴准直仪颚板和Y轴准直仪颚板而予以限定。各颚板是可通过限制射束的斜向散布而确定照域尺寸的辐射衰减材料板块。依照惯例，X轴颚板位于Y轴颚板以下。

理想的是，X射线辐射束的照域尺寸是用在为病人调定之中的光域尺寸的复制。不过，许多因素使得难以达到辐射域尺寸对光域尺寸的重合。可见光束和X射线束的一些特征量(光强、点斑尺寸，以及位置)是有显著区别的。其次，不同的X射线能量具有不同的散射分量也是使照域尺寸难以重合的另一现象。两种区域边沿的半影是不一致的。结果，如果各准直仪颚板在调定过程中予以调节，以致只照射有待治疗区，则X射线束的照域尺寸可以是显著不同的。

为了加大光域尺寸与辐射域尺寸之间的重合，可在各颚板的边沿上装接调整片。调整片由一种可透过X射线辐射但却阻挡可见光线的材料制成。比如，调整片可以由铝材制成。一般，光域大于X射线域，以致具有适当宽度的调整片会至少减小这种差别。调整片可以是X射线透明板片，稍微(比如4.3mm)突出在各准直仪颚板的端面之外以调整光域。不过，造成不重合现象的半影部分地取决于能量位级。当辐射系统设定得在较低能量位级(比如，6MV)上提供辐射时是适合的调整片，将在此系统重新设定得在较高能量位级上(比如，23MV)提供辐射时，在建立重合方面是较少有效的。任由选择的是，调整片的宽度可以选定得在可以由此系统生成的能量位级范围的中心处达到光域尺寸对辐射域尺寸的重合，但是这要求使用者让步于在系统的能量容量的高、低两端处的非最佳状况。

所以需要一种方法和系统，可以动态方式建立辐射系统的在调定模态中的光域和操作模态中的辐射域的区域尺寸之间的重合。

辐射系统的区域尺寸重合是由每当此系统在发光模态与辐射模态之间切换时自动地调节区域限定装置来形成的。在一项实施例中，区域限定装置是X射线系统准直仪的颚板组件，其中发光模态用以调定过程之中，以便向予先选定的区域施加辐射。实施区域限定装置的自动调节是为了补偿在发光模态中限定的光域与在辐射模态中限定的辐射域之间的尺寸差别。需要的补偿取决于至少一种变量，诸如有待辐照的区域的尺寸和辐射的能量位级。因而，此最佳实施例包括确定和存储可指出在区域限定装置的不同设定和在辐射的不同能量位级情况下的所需补偿增量的数据。

图1是按照本发明用于形成自动化区域尺寸重合的一种辐射系统的透视图。

图2是图1中辐射系统的框图。

图3是用于图2中准直仪的区域限定装置的示意图。

图4表明按照本发明用于实施自动化区域尺寸重合的一种工艺流程的一项实施例。

图5是在实施例4中工艺期间计算和存储的区域尺寸的表格。

图6是本发明的一种合适形状的镜具。

参照图1，所示用于医学用途的辐射系统10包括一支架，可在治疗过程中围绕水平转动轴线14旋转。支架的治疗机头16沿着轴线18向病人20发出辐射束。辐射束是由支架内的一线性加速器产生的。此辐射束可以是电子辐射或光子辐射，亦即X射线辐射。辐射束指向病人的治疗区22。

一特定疗程的各治疗参数是在辐射系统10处于调定模态之中时被确定的。治疗区22通过围绕水平轴线14转动支架和通过移动病人20躺在其上的治疗台24而相对于支架12予以正确定位。在治疗区被正确地定位之后，则设定射束各参数。最好是，辐射系统10允许选定能量位级，诸如6MV、15MV和23MV的X射线能量位级。辐射域的尺寸应当匹配治疗区22的尺寸，以致只有病人的有待治疗的区域将接受辐射。下面将要比较充分地说明，辐射域的尺寸是由治疗机头16内的区域限定装置来确定的。在调定阶段，沿轴线18的射束是可见光束，允许使用者无干扰地调节沿轴线18投射的光束的目标和尺寸。可以在系统的调定模态中启动一投射灯具以便在治疗区22处形成所需的光域。当系统切换到操作模态时，可见光由辐射束代替。

在使用可见光束来调定随后使用的辐射束的尺寸方面需要关心的是，散射和衍射影响是部分地取决频率和能量位级的。因而，在辐射系统10的调定模态期间的光束区域尺寸和操作模态期间的辐射束区域尺寸方面往往存在差别。一般，光域的区域尺寸大于辐射域的区域尺寸。调整片可以用以减小光域尺寸而不会影响辐射域尺寸，但是，除非调整片随着所需治疗射束各参数之中几乎每一项改变而改变，两种区域尺寸之间的基本上精确的重合是不可能的。因而，本发明提供一种动态调节以补偿各区域尺寸之间的尺寸差别。

现在参照图2，一种通常的线性加速器(“linac”)26可以用来产生从图1中辐射系统10发出的电子束。此电子束的能量位级由可以驱动线性加速器的电子枪的控制器28来确定。出自电子枪的电子采用公知的能量传输技术沿着一波导管予以加速。

出自线性加速器26波导管的电子束进入通常的导引磁铁30，此磁铁可使电子束弯转大约270°。电子束随后穿过可透过电子束的窗口离开，但是在线性加速器内维持真空状态。

沿着电子束的轴线32是一散射箔片或一标板34。如果部件34是一散射箔片，电子就散开而形成锥形束。另一方面，如果部件34是一标板，则辐射束是X射线束。

准直仪36沿着辐射束路径设置。准直仪起着限制辐射束斜向散布的作用。例如，一些辐射衰减材料的板块可以用来限定穿过准直仪到接受者38的辐射域。该接收者可以是病人，或者可以是在下面将要说明的标定过程期间用以标定辐射系统的装置。

在一项实施例中，准直仪36包括各X轴颚板和各Y轴颚板。在图3中，各Y轴颚板由第一和第二辐射衰减材料板块40和42表示。在各Y轴颚板下面是构成各X轴颚板的第三和第四板块44和46。第一与第二板块之间的间距限定了人体50上标的区48的一个尺寸，而第三与第四板块之间的间距限定了一个正交尺寸。在用本发明时，“区域限定装置”指的是诸如示于图3中的用于确定标的区48的各项尺寸的装置。

在辐射系统的调定阶段，线性加速器26被去激发而光源52被激发。光源向一光学器件诸如一分光器投射可见光，用于将光线重新投入准直仪36。光源可以是150W石英卤灯，但这不是至关重要的。光学器件54对于来自线性加速器26的辐射是可透过的。在光线已经穿过准直仪时，光束可以用来正确地定位准直仪的各颚板。比如，如果在图3中人体50上的标的区48是病人身上的纹身过的面积，则板块40-46可予以调节，直至发自准直仪的光域重合于标的区的面积。辐射系统随后可以切换到操作模态，其中辐射束代替了光束。不过，不象现有技术的辐射系统，而是动态调节器56和58可自动地改变X轴颚板和Y轴颚板的设定，以便补偿光束与辐射束尺寸之间任何固有的不一致。X轴和Y轴颚板的调节也可以在灯光打开时进行。

动态调节器56和58由控制器28控制。在最佳实施例中，各调节增量是按照存储在图2中器件60处的各表格计算出来的。因而，可由计算机软件使“调整”光域成为可能。对于给定的X射线辐射能量位级和对于所需10cm的区域尺寸，可以从存储在器件60处的数据得知，在为光域适当地设定各颚板的情况下，当辐射束在操作模态期间被启动时，将会有0.2cm的差别。动态调节器将自动地改变板块40-46以补偿差别。

构成动态调节器56和58的结构对于本发明来说不是至关重要的。任何能够以电子方式予以控制以处理板块40-46的设定的装置都是可以应用的。

图4表明用于建立图1中系统10的光域与辐射域区域尺寸之间重合的一种过程的一项实施例。在步骤62中，准直仪区域尺寸针对辐射输出予以标定。辐射系统的X射线输出标定在本技术领域中是为人熟知的，而在执行步骤62时可以应用任何公知的技术。比如，一罐水可以用来模拟人体或其他构件，以及某一探头可以用来测定穿过此水的辐射。在水面在900mm标的表面距离(TSD)处和探头在等角中心处的情况下，区域尺寸可以针对各颚板的某一具体设定而予以测定。通常，区域尺寸测定是关于辐射的百分之五十最大剂量值的。这一测定结果存储在图2中器件60处。此过程针对各颚板的多次设定而予以重复，而每一测定结果都记录下来。最好是，辐射的能量位级和TSD在整个标定步骤中都是不变的，因为这两个因素会影响线束的散射和衍射。不过，下面将更为充分地说明，过程的各步骤最好是关于多于一个能量位级和/或关于多于一个TSD而进行的。

在步骤64中，在步骤62中所获得的区域尺寸测定结果与辐射系统使用者所使用的显示器上的数值相协调。显示监测器66示于图2之中。此监测器将包括尺寸的标示。在图4的示范实施例中，读数都是可以作运算处理的，以致显示值可以与在每一不同的颚板设定测出的区域尺寸相协调。在步骤68中，得自步骤62和64的数据被记录下来。

图2中的灯52随后“打开”，如图4中步骤70所示。对于那些曾在步骤62处用于辐射输出标定之中的同样的颚板设定，光域尺寸在步骤72中予以测定。这可以使用通常的技术来完成。比如，用在步骤62中的那罐子水可以用画图纸或用胶片包来代替。针对每一设定测定受到光束照射的那部分画图纸或胶片。接着，针对每一颚板设定，确定光域与辐射域之间的尺寸差别。在步骤74记录各增量值。在一项实施例中，增量值只是从步骤72测出的光域尺寸与颚板的具体设定的显示监测值之间的某一差别。由于散射与衍射现象对X射线束和光束将具有不同的影响，所以增量值将至少部分地是各种不同效应的读数。按照步骤74，可从根据存储在图2中器件60处的数据制作一个表格，这样的表格76示于图5。

在步骤70内，第一行表示影响所关注的区域尺寸的颚板的各种设定。亦即，第一行表示可以动态方式予以调节的区域限定装置的设定78。第二行80表明在6MV能量位级时测出的X射线区域的区域尺寸。行78和行80的数值是完全相同的，因为已在步骤62处标定了辐射输出。

在第三行82中，监测器66的显示值已经记录下来。由于X射线区域尺寸和显示值已在图4的步骤64处作了协调，行82的值全同于行80的值。在X射线输出“关掉”和灯光52“打开”的情况下，光域尺寸在步骤72处测定并记录在表格76的第四行84。最后一行86记录了增量值，它们是行80的X射线区域尺寸与行84的光域尺寸之间的尺寸差别。

在图4中步骤88处，用于产生表格76的各步骤可以针对辐射系统的另外一些能量位级而予以重复。由于辐射区域尺寸可以取决于辐射束的能量位级而发生变化，因而对于不同能量存在着可能不同的增量值。通过产生根据能量位级的设定来完成的分别的表格，动态补偿过程并不是一种需要显著妥协的过程，但是，假如使用铝制的微调整片来取得区域尺寸重合，情况就会是这样的过程。

动态调节器56和58在图4中过程的步骤90处起动。随后，在图1-3中辐射系统10的操作中，使用者以通常形成对应于病人20标的区的光域的方式选定区域限定装置(即板块40-46)的一个设定，这一标的区可能受到病人20身上的纹身的勾划影响，但这并不是至关重要的。光域是通过启动光源52以使光穿过准直仪36而形成的。区域限定装置的调节在辐射系统的调定模态期间实现的。

一当板块40-46在光域的尺寸方面已经被正确地调定，系统就可以切换到操作模态。控制器28可以提供切换能力。随着执行切换功能，动态调节器56和58由图5中行86上的适当增量值所确定的增量来变动。比如，在调定模态期间所建立的光域具有的区域尺寸是，使第一板块40与第二板块42间隔开一个4.5cm的距离，则动态调节将递增一个0.5cm的增量。这样就使各板块分开一个5cm的距离。这种增量调节是用软件来完成的，以致不要求使用者作出进一步的调节。根据表格76的数据，控制器28能够内插和/或外插信息，以便适当补偿未包含在存储器之中所存储的设定。

虽然图4中最佳实施例在步骤62和64中使用X射线输出来标定系统，但可能有某些应用场合，其中光域被用在标定过程之中。本发明可以用在医疗范围以外的各种场合。

虽然不如使用计算机软件来形成区域尺寸重合为好，但还是有一些光学解决办法。一种过程的解决办法是，配置一个曲面镜以补偿光域尺寸与辐射域尺寸之间的尺寸差误。已经认定，一种形状不对称的镜具可提供较好的结果。具体地说，抛物面镜具是比较好的。用于镜面和相对于一标的区定位镜具的方程形式是：

                        f(x)＝Ax²+Bx+C其中系数“A”描述镜具的曲率，“B”是一斜率项，以及“C”是按常规确定一铅直位置的偏移项。当“A”项为零时，镜具是平面的，而负值描述凸面。

已经确定，镜具应当是非对称的，因为，当对比相对置的各颚板时，光线与镜具的交点对于一给定的区域尺寸并不等距地与准直仪间隔开来。因而，镜具的一面具有较大的曲率。一种合格形状的镜具92示于图6之中，但为图示目的夸大了曲率。实际的曲率更可能是一种具有大约每英寸0.002到0.003英寸的微小曲率。

这种镜具解决办法的一项难处是，虽然它可以很好地处理正值区域尺寸，但是，如果准直仪各颚板之一限定了负值区域尺寸，即颚板的两个板块是在中线的同一侧，则曲面镜具的使用增加了差误。另一个问题是，镜具不随准直仪一起转动，以致这种校正光半影的方法只在准直仪处于零度处才能起作用。当准直仪处于90度时，是没有校正的。或许可行的是，形成一种适当的三维形状，但这可能是无成本效益的。

另一种可能的解决办法是，提供一种比较轻便的光源和一第二镜具，此第二镜具安放在辐射系统的机头区域，在等角中心处产生大约20勒的通常光源的后面添加一椭圆反射镜，照度可以增加到100勒。照度的这种增加可减少觉察得到的光域半影而不会增加光源的成本。不过，获得光域边沿处的均匀性要以在光束轴线处产生暗点为代价，因为灯具阻挡了由椭圆反射镜所反射的某些光线。可能使用磨砂玻璃或其他方法以使光线弥散，但这种弥散会使效率降低。

另外一些光源会形成某些好处。比如，弧光灯可以用以代替通常钨丝灯、充卤灯、石英灯。此弧光灯可提供大得多的照度。当聚焦在一个小孔上时，不需要任何区域尺寸补偿。不过，弧光灯是一种昂贵的代换物，并且由于尺寸和安全原因，灯具和电源的最佳位置可能是在机器固定结构之中，以致可能需要光导装置(比如一光纤束)。

另一可供代换的光源是激光。激光提供的优点是，可以产生经过良好准直的细小光束。此光束可以由聚光透镜聚焦通过一极小的孔口而几乎不或完全不产生半影。为了获得40勒、5Acm直径的光域，需要8流明的发光功率。在一般氦-氖激光器的波长下，一瓦功率大约等于250流明。于是，可能需要一种非常强大的并或许是过分昂贵的32MV激光器。

如前所指出，可以利用光纤。因为在辐射设备机头区域之内的空间有限，所以光纤的应用是很具吸引力的。这种作法的挑战之处在于，保持充分的高效以提供至少相等的至少等于现有系统的照度。

最后一种作法是，在辐射设备的标的滑座上配置光源。这种作法的优点是，不需要使用镜具和对中过程得以简化。在通常的辐射设备上镜具所占的空间可以用于屏蔽材料、自动楔板或类似器材。为实施这一方法，光源会在标的滑座上占据一个新的位置，而标的滑座会在病人的调定位置与实际的治疗位置之间移动。标的滑座的通常厚度在直接把光源安放在滑座方面形成困难，以致可能需要增加标的滑座的结构强度或者配置在光学上耦合于一光纤束的远处光源。

Claims (17)

1.一种建立辐射系统中用于调定模态的光域尺寸与用于操作模态的对应尺寸之间的重合的方法，该系统具有可确定所述各尺寸的区域限定装置，所述方法包括以下各步骤：

确定在所述区域限定装置的许多设定中的每一设定情况下所述光域与所述辐射域之间的尺寸差别；以及

当在所述辐射系统的所述调定模态与所述操作模态之间切换时，自动地调节所述区域限定装置以补偿所述尺寸差别。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述确定所述光域与所述辐射域之间的尺寸差别的步骤包括在所述区域限定装置的所述许多设定的情况下标定所述辐射域，还包括使所述光域与标定所述辐射域的结果相对比。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述标定所述辐射域的步骤包括，在每一所述设定的情况下，调节所述辐射域所述区域尺寸的显示值以对应于所述辐射域所述区域尺寸的测定值。

4.如权利要求3所述的方法，其中使所述光域与所述标定结果相对比的步骤包括，在每一所述设定的情况下，确定所述光域的所述区域尺寸的所述显示值与所述区域尺寸的测定值之间的差别，从而提供用于确定对于所述区域限定装置每一所述设定的所述光域与所述辐射域之间所述差别的基础。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述自动地调节所述区域限定装置的步骤包括改变连接于线性加速器的准直仪的各颚板。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述在所述各设定的情况下确定所述尺寸差别的步骤包括构成和存储增量值的一个表格，以使所述区域限定装置的每一设定关联于表示在所述每一设定情况下所述辐射域和所述光域的测定区域尺寸方面的差别的一增量值。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述当在所述调定与操作模态之间切换时自动地调节所述区域限定装置的步骤是相应于存储于所述表格的增量值的步骤。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述自动地调节所述区域限定装置的步骤包括根据存储于所述表格的已知各增量值内插入一个未知增量值。

9.如权利要求1所述的方法，还包括改变限定所述辐射域的辐射能量位级和随后确定所述区域限定装置为之必须自动地调节以提供补偿的第二组尺寸差别的各步骤。

10.一种建立光域与从X射线准直仪发出的辐射域之间的重合的方法，包括以下步骤：

(a)调节所述准直仪的各颚板以提供所述各颚板的第一设定；

(b)通过所述各颚板分别投射X射线辐射和可见光；

(c)存储指示当通过所述各颚板分别投射所述X射线辐射和所述可见光时形成的辐射域和光域两尺寸之间差别的数据；

(d)多次改变所述各颚板的设定并针对每一设定重复步骤(b)和(c)，从而形成指示所述各尺寸差别的第一组数据；

(e)基于产生具有所需区域尺寸的辐射域，以及基于所述存储的数据，自动地调节所述各颚板以便至少部分地弥补所述辐射域与光域之间所述尺寸的所述差别。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述存储数据的步骤(c)包括：

(c.1)标定所述辐射域的所述尺寸和所述辐射域所述尺寸的一个显示值；以及

(c.2)随后当所述各颚板在所述第一设定情况下时使所述显示值与所述光域的所述尺寸相对比。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述步骤(a)、(b)、(c)和(d)在所述X射线辐射在能量位级方面加以调节以致为所述经过调节的能量位级存储第二组数据以后予以重复。

13.一种建立光域和从X射线准直仪发出的辐射域的重合的系统包括：

   X射线辐射束的第一源；

   第二可见光源，沿着一般与所述X射线辐射的所述射束同轴的轴线投射光束对准；

   可移动的各颚板，设置得沿着所述光束和X射线辐射束的所述轴线以分别限定光域和辐射域；

   控制装置，连接于第一和第二源，可供选择地在当所述系统处于调定模态时启动所述第二源与当所述系统处于操作模态时启动所述第一源之间切换；

记忆装置，用于存储指示在所述可移动的各颚板的多种设定的情况下所述光域与所述辐射域尺寸之间差别的数据表格；

自动装置，相应于所述控制装置，用于当所述控制装置在所述调定模态与所述操作模态之间切换时改变所述可活动的各颚板一个由所述数据表格确定的增量。

14.如权利要求13所述的系统，还包括具有显示所述辐射域的显示屏板，所述显示屏板具有当所述各颚板在一具体设定情况下时所述辐射域预期尺寸的指示值。

15.如权利要求13所述的系统，其中所述存储装置具有许多存储的指示所述各尺寸之间差别的数据表格，所以每一表格专属于所述X射线辐射束的具体能量位级。

16.如权利要求13所述的系统，其中所述可移动颚板包括X轴线各颚板和Y轴线各颚板，它们都是可以调节的以限定尺寸可供选择的辐射域，所述自动装置被连接到以增量方式改变至少一个所述X轴线和Y轴线颚板。

17.如权利要求13所述的系统，还包括计算装置，用于当所述可移动的各颚板处于一种不同于所述多种设定的设定之下时，内插指示所述各尺寸之间所述差别的数据。

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