TWI485422B - High - speed optical reading device for three - dimensional radiation dosimeter - Google Patents

Description

三維輻射劑量計之高速光學計讀裝置

本發明與放射劑量測定技術有關，更詳而言之，是一種量測聚合物凝膠吸收輻射量之高速光學電腦斷層掃描儀。

已知，高科技放射治療為治療癌症的主要方法之一，在控制癌症病灶及治癒率上有極大的貢獻。在傳統放射治療中，常面臨無法完全將放射線限制在腫瘤範圍內之問題，在利用放射線殺死腫瘤細胞的同時，腫瘤周圍的正常組織亦免不了會受到一些放射劑量傷害，當腫瘤所受劑量愈高時，正常組織所受放射線劑量亦隨之升高。臨床治療上有時會為了不想使正常組織和重要器官受到太多放射線劑量，而降低投予腫瘤的放射線劑量，如此一來腫瘤細胞可能無法得到足夠的致死劑量，進而影響整體放射治療效果。

目前已發展出利用電腦斷層掃描，將腫瘤和周圍正常組織間的解剖位置關係以三度空間影像呈現，放射線射束的入射可跟隨著腫瘤的生長形狀不同而變化，換言之，是一種對腫瘤三度空間的順形放射治療。強度調控放射治療(Intensity Modulated Radiation Therapy，簡稱IMRT)是三度空間順形治療的一種延伸。利用電腦斷層掃描重組腫瘤三度空間的立體影像，並以射束眼(Beam's Eye View)來決定三度空間的多重照野，使醫師能就病人腫瘤與四周正常組織的立體影像來做擬定治療計畫。IMRT能適度調節腫瘤及正常組織放射劑量百分比，使腫瘤部位的放射劑量提升，正常組織的放射劑量降低，提高腫瘤控制率及降低正常組織或器官受損機率。

IMRT整體計畫的完成，涉及許多照野的照射和不同強度的給予。因此除了在進行治療前，必須將病灶的範圍準確地描繪出來之外，照射部位與治療計畫中所計算的劑量與位置有無偏差、腫瘤內的每一點是否都接受到正確的劑量，是非常重要的一環。換言之，IMRT必須在定位準確的前提下才能發揮功能，以避免失之毫米，劑量分佈卻差之千里的結果出現。因此，理想的劑量計可完成劑量驗證和記錄，以確保治療品質並發揮強度調控放射治療的功能。

目前在臨床常使用之放射劑量驗證工具包括有游離腔、熱發光計、底片以及聚合物凝膠劑量計，其中又以聚合物凝膠劑量計具有較佳之劑量量測能力與較高之解析度，對於目前走向三度空間且愈來愈複雜的放射治療而言，具有極大之助益。

聚合物凝膠劑量計可被包含於一試管中，置放在一擬人假體內對應目標治療部位及相鄰週邊部位的空腔中。在病人進行放射治療之前，先以擬人假體依照治療處方劑量進行放射線照射，由聚合物凝膠劑量計吸收放射線。之後，利用計讀工具讀出記錄於聚合物凝膠內的輻射劑量訊息詳實的轉成可處理的訊號，再進行資料分析，以產生劑量分佈曲線。

常用的聚合物凝膠劑量計的計讀工具包括核磁共振攝影(Magnetic Resonance Imaging,MRI)、光學電腦斷層掃描(Optics Computer Tomography,OCT)、X光線電腦斷層掃描儀(X-ray CT)、超音波(Ultrasonic)、光譜分光儀(Raman Spectroscope)。與本發明有關的是OCT定量量測，OCT定量量測所應用的光學原理大致分為兩類，一類是藉由聚合物凝膠對光的吸收性，另一類是藉由聚合物凝膠對光的散射性。

第一圖為OCT示意圖，主要元件包括雷射光源10、光分束器11、入射光反射鏡12、放在匹配液中的聚合物凝膠13(聚合物凝膠13之載具受控旋轉及上下位移)、出射光反射鏡14、透鏡15、光束探測器16、電腦系統17。原理為聚合物凝膠經輻射照射後，照射區域的光阻射程度會與照射劑量成比例關係。雷射光源10發出的雷射光束經由光分束器11和入射光反射鏡12掃描聚合物凝膠13(該聚合物凝膠13是經輻射照射的)，光速探測器16記錄雷射光束通過聚合物凝膠13強度衰減的差異值。雷射光需掃描聚合物凝膠13的每個切面，之後，聚合物凝膠13旋轉特定角度，再上下移動，直到整個體積的訊號都擷取到為止。每一掃描的單點訊號經由電腦系統進行資料分析和影像重建，得到一趨近實際的接收劑量。

第二圖描述一個實際的OCT裝置，該裝置是設置在一避光環境中，包括一盛裝匹配液的匹配液槽20，該槽20的頂端架設一馬達21，聚合物凝膠被盛裝在圓筒形容器22中，圓筒形容器22的一端配有一基座23，夾爪24夾住基座23，而夾爪24的中心軸25連接於於馬達21的驅動軸。圓筒形容器22是由上而下的被懸吊入匹配液槽20中。OCT裝置還包括光源、光分束器、入射光反射鏡、出射光反射鏡、透鏡、光束探測器、電腦系統等，它的配置原則上與第一圖類似，在此不多加贅述。

聚合物凝膠在匹配液槽20中必需保持精確的垂直度，它的中心軸線必需對準光束且與之正交，如此才能防止光源通過凝膠劑量計後發生非預期性偏折而影響量測準確性。然而，第二圖所描述的OCT裝置，實際上面臨了中心校正困難的問題。首先，夾住圓筒形容器22的數個夾爪24是可獨立移動的，因此使中心軸25與圓筒形容器22的中心點對應必需經過反覆 的調整和校正；再者，為了更換圓筒形容器22(更換待測凝膠樣本)，馬達21的驅動軸可與夾爪24的中心軸25結合或分離，因此馬達21可以從匹配液槽20上被取下及被重新安裝。但重新安裝又需再以繁瑣的步驟調整馬達21的位置，才能確保聚合物凝膠在匹配液槽中具有精確的垂直度並且中心軸線對準雷射光束且與之正交。由此可知，上述OCT實體裝置的中心校正是極為複雜耗時的，而且需要輔以其他的校正工具，這也使得凝膠劑量計的置換變得複雜而困難。此外，基於聚合物凝膠的整個體積都需要被雷射光束掃描，以雷射光束點光源進行掃描將會影響掃描效率。

基於先前技術OCT裝置在中心校正困難及掃描效率不彰的問題，本案發明人提出新穎的三維輻射劑量計之高速光學計讀裝置。

一種三維輻射劑量計之高速光學計讀裝置，包括一光源、一待測樣品設定單元、一光感測單元、以及一電腦系統；該光源掃描該待測樣品設定單元中的聚合物凝膠，該光感測單元接收通過該聚合物凝膠的光源，該電腦系統接收該光感測單元所傳輸的光源資料並進行分析；該待測樣品設定單元，包含：一用以容裝匹配液的匹配液槽；一馬達，設於該匹配液槽的外部下方，其驅動軸穿過預設於該匹配液槽底的密封元件進入該匹配液槽中，該驅動軸的中心對應於該匹配液槽的中心； 一基台，設於該匹配液槽內，其中心部位對應連接於該馬達的驅動軸；該基台於該匹配液槽內保持水平；一待測樣品承載器，包括一盛裝聚合物凝膠之圓筒形密封容器，該密封容器垂直定位於一平台，該平台之中心對應於該密封容器的中心；一設於該基台與該平台之相對面之定位器，該定位器具有用以使該待測樣品承載器容易組裝於該基台上，並於組裝時即完成中心定位、垂直位置及水平位置的結構。

該光源是透過一光源轉換器掃描該待測樣品設定單元中的聚合物凝膠，該光源轉換器將光源轉換為面光源，該面光源所包含的每一光束都與匹配液槽的中心保持正交。

本發明具有容易將聚合物凝膠安裝於掃描儀中、方便置換待測凝膠樣本、可自動校正並精確定位聚合物凝膠於掃描儀中的中心位置、垂直位置和水平位置等功能。

本發明配合光源轉換器將指向性光源或點光源[例如雷射光源或發光二極體(LED)光源]轉換為面光源掃描待測凝膠樣本，當待測凝膠樣本繞著其軸心旋轉一圈，即完成整個體積的三維掃描，據此縮短掃描時間。

如第三圖，本發明三維輻射劑量計之高速光學計讀裝置，包括：一光源30、一光源轉換器40、一待測樣品設定單元50、一光感測單元60。該光學電腦斷層掃描儀是架構在一光學平台90上，執行掃描作業時是在避 光的環境中進行。

如第四圖~第六圖，待測樣品設定單元50包括一匹配液槽51、一安裝於匹配液槽51下方的馬達52、一受控於馬達52之驅動軸且位於該匹配液槽51中的基台53、一組裝於該基台53上且位於該匹配液槽51中的待測樣品承載器54。

所述之匹配液槽51被架設在該光學平台90上，並與光學平台90之間有一距離。該匹配液槽51中充填匹配液，常用的匹配液材料有：甘油、乙烯甘油、氯化鈉。匹配液材料的選擇需考量上述光源折射率的再現性、化學性質穩定度、均勻性以及低毒性等條件。匹配液的作用在於使光源到達聚合物凝膠之前的折射與反射降到最低。該匹配液槽51的槽底另設有一洩放口511，並以洩放開關512控制該洩放口511的啟閉，用以排放該匹配液槽51的匹配液。

所述之馬達52，組裝於該光學平台90上，位於該匹配液槽51的下方，其驅動軸521穿過該匹配液槽51的槽底；所述槽底預設有密封元件以保持驅動軸521之穿樞密封性及旋轉自由性。

所述之基台53，設於匹配液槽51內，其底部的中心點連接於該馬達52的驅動軸521；該基台53受控於該驅動軸521而旋轉。該基台53在匹配液槽51內保持水平；該基台53於製造時即付予其上表面及下表面之平整性以及水平精確性。

所述之待測樣品承載器54，包括一盛裝聚合物凝膠之圓筒形密封容器541、一固定於該密封容器541底部的平台542；該平台542與該密封容器541保持正交；該平台542於製造時即付予其上表面及下表面之平整性以及 水平精確性。

所述基台53與待測樣品承載器54是透過一定位器55進行組裝，所述定位器55設於上述基台53與平台542的相對面，是使該待測樣品承載器54容易組裝於該基台53上，並於組裝時即完成中心定位、垂直位置及基台53與平台542水平位置的結構。所述定位器55包括一第一定位組件551和一第二定位組件555。

所述第一定位組件551是位在基台53與平台542的相對面的中心位置，它是由可彼此結合或分離的物件所構成，所述可結合或分離的物件包含內外徑及軸向長度彼此相合且橫斷面為幾何形狀的槽552與鍵553。所述的幾何形狀，最佳者為圓形，其次為橢圓形或多邊形。

所述第二定位組件555是位在基台53與平台542的相對面的離心位置，它是由可彼此結合或分離的物件所構成，所述可結合或分離的物件包含內外徑及軸向長度彼此相合且橫斷面為幾何形狀的槽556與鍵557。所述的幾何形狀，最佳者為圓形，其次橢圓形或多邊形。

上述待測樣品承載器54是以平台542對應該基台53，兩者的第一定位組件551和第二定位組件555彼此結合，該待測樣品承載器54即定位於該基台53上。且基於基台53及平台542於製造時已付予其上表面及下表面之平整性以及水平精確性，因此兩者結合時確可達到預期的水平精準，再者，該平台542與該密封容器541保持正交，因此密封容器541在匹配液槽51內也表現了精確的垂直性。更佳的是，當馬達52的驅動軸521、基台53、平台542、密封容器541、以及匹配液槽51都保持於同一中心軸線，該光源30及光源轉換器40的位置即可依據該匹配液槽51的中心軸線而預 設固定在光學平台90上，如此即可確保光源中心對正於匹配液槽51及聚合物凝膠的中心，預調光源角度即可確保光源與聚合物凝膠呈正交。

本發明所描述的定位器55是由第一定位組件551和第二定位組件555所構成，但實際上並不只限於此。若第一定位組件551的橫斷面形狀為多角形，該第一定位組件551可使基台53與待測樣品承載器54產生中心定位及限制待測樣品承載器54自由旋轉的功能，在此條件下，上述第二定位組件555即不需設立。若第一定位組件551的橫斷面形狀為圓形，該第一定位組件551可使基台53與待測樣品承載器54產生中心定位功能，但無法限制待測樣品承載器54自由旋轉，因此需輔以上述第二定位組件555。第二定位組件555的數量可為一個或數個。

上述光源30之選用需與待測樣品承載器54中的聚合物凝膠配搭，依據聚合物凝膠選用適當波長範圍之光源30。該光源包含但不限於雷射光源或發光二極體(LED)光源。基於雷射光源及LED光源為指向性光源、點光源特性，因此利用光源轉換器40將之轉換為面光源以擴大照射範圍。所述光源轉換器40是一個已知的技術，採用一或數個導光板將該光源30之光束的出射角度及能量分佈做調整和分配，進而形成均勻發光的面光源，且控制面光源中的每一個光束都與匹配液槽51及其內聚合物凝膠的中心呈正交。以面光源掃描待測樣品設定單元50中的聚合物凝膠，光感測單元60接收通過聚合物凝膠的光源，將所接收的資料傳輸至一電腦系統(圖未示)進行分析和影像重建。

掃描過程是在一個避光環境中進行，馬達52的驅動軸521驅動基台53以及其上的待測樣品承載器54旋轉一圈，配合上述面光源掃描聚合物凝 膠，使光感測器60在一次的照射時間可擷取更多的待測樣品切面資料，因此可於上述旋轉一圈的時間內完成整個體積的三維掃描。與先前技術所述的雷射光束掃描相較，本發明的掃描時間相對縮短許多，掃描效率提昇。

此外，透過上述的定位器55，待測樣品承載器54可以很容易的安裝於基台53或從基台53上取下，如此即方便置換待測樣品(聚合物凝膠)。透過上述的定位器55，當待測樣品承載器54安裝於基台53的同時即完成了中心定位、垂直定位、和水平定位，省除了人工定位的繁瑣及耗時的過程。

30‧‧‧光源

40‧‧‧光源轉換器

50‧‧‧待測樣品設定單元

51‧‧‧匹配液槽

511‧‧‧洩放口

512‧‧‧洩放開關

52‧‧‧馬達

521‧‧‧驅動軸

53‧‧‧基台

54‧‧‧待測樣品承載器

541‧‧‧密封容器

542‧‧‧平台

55‧‧‧定位器

551‧‧‧第一定位組件

552‧‧‧槽

553‧‧‧鍵

555‧‧‧第二定位組件

556‧‧‧槽

557‧‧‧鍵

60‧‧‧光感測單元

90‧‧‧光學平台

第一圖為習知裝置的配置示意圖。

第二圖為習知裝置的側視圖。

第三圖為本發明裝置的配置示意圖。

第四圖為本發明待測樣品設定單元之立體分解圖。

第五圖為本發明待測樣品設定單元之立體外觀圖。

第六圖為本發明待測樣品設定單元之側視圖。

30‧‧‧光源

40‧‧‧光源轉換器

50‧‧‧待測樣品設定單元

51‧‧‧匹配液槽

512‧‧‧洩放開關

52‧‧‧馬達

521‧‧‧驅動軸

53‧‧‧基台

54‧‧‧待測樣品承載器

541‧‧‧密封容器

542‧‧‧平台

60‧‧‧光感測單元

90‧‧‧光學平台

Claims (3)

1. 一種三維輻射劑量計之高速光學計讀裝置，包括一光源、一待測樣品設定單元、一光感測單元、以及一電腦系統；該光源掃描該待測樣品設定單元中已吸收放射線的聚合物凝膠，該光感測單元接收通過該聚合物凝膠的光源，該電腦系統接收該光感測單元所傳輸的光源資料，分析該聚合物凝膠所吸收之放射線之劑量；其特徵在於：該待測樣品設定單元，包含：一用以容裝匹配液的匹配液槽；一馬達，設於該匹配液槽的外部下方，其驅動軸穿過預設於該匹配液槽底的密封元件進入該匹配液槽中，該驅動軸的中心對應於該匹配液槽的中心；一基台，設於該匹配液槽內，其中心部位對應連接於該馬達的驅動軸；該基台於該匹配液槽內保持水平；該馬達之驅動軸驅動該基台旋轉；一待測樣品承載器，包括一盛裝聚合物凝膠之圓筒形密封容器，該密封容器垂直定位於一平台，該平台之中心對應於該密封容器的中心；一設於該基台與該平台之相對面並使該基台帶動該平台同步旋轉之定位器，該定位器包括一第一定位組件，該第一定位組件位於該基台與該平台的相對面的中心位置，該第一定位組件包括可 相對結合或分離且斷面呈幾何形狀的槽和鍵；該光源是透過一光源轉換器轉換為面光源掃描該聚合物凝膠；該面光源所包含的每一光束都與匹配液槽的中心保持正交；該待測樣品承載器受該馬達和該基台驅動旋轉一圈，該面光源通過該聚合物凝膠，完成該聚合物凝膠整個體積之三維掃描。
2. 如申請專利範圍第1項所述三維輻射劑量計之高速光學計讀裝置，其中，該定位器更包括至少一第二定位組件，該第二定位組件位於該基台與該平台的相對面的離心位置，是由可彼此結合或分離的物件所構成。
3. 如申請專利範圍第2項所述三維輻射劑量計之高速光學計讀裝置，其中，該第二定位組件是由內外徑和軸向長度彼此相合且斷面呈幾何形狀的槽和鍵所構成。