测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描方法及水箱系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及放射物理福射剂量精确测量领域，特别是涉及一种测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描方法及水箱系统。
【背景技术】
[0002]根据国家癌症中心发布的2013年统计数据，我国每年有337万癌症新发病例和211万癌症死亡病例，癌症发病数和死亡数持续上升.目前，放疗是治疗癌症的重要手段，约60% -70%癌症患者在不同程度上接受了放射治疗。现代临床放射治疗过程中，为保证放射治疗病人按计划实施准确治疗，必须对放疗设备进行严格的质量保证(质量控制)，而质保(质控)离不开性能优良的自动扫描水箱测量系统(以下简称水箱)。
[0003]水箱可精确测量射线装置或放射源产生的剂量场，它能测量射线在水中的百分深度剂量曲线(PDD)、离轴比曲线(OAR)、组织最大比曲线(TMR)以及等剂量分布等，可自动算出射线的半影、对称性、平坦度、最大剂量点深度等特征参数，并将测量数据传输给计划系统。除了在放疗行业的应用，水箱还可用于其它放射线研究和应用领域的剂量场测量。
[0004]按照原卫生部46号令及中国计量标准JJG589-2001《外照射治疗辐射源检定规程》要求，外照射辐射源的首次检定、后续鉴定和使用中检验都需要用射束分析仪(即水箱)，规定放疗单位都必须配备水箱。另外，加速器生产商、环保部门、医疗器械检验所、放射卫生防护监管机构、计量机构等也会广泛用到自动扫描水箱系统。
[0005]目前广泛使用的水箱视其可运动空间方向的维数，分为一维、二维和三维水箱，相应的功能依次增多，结构复杂性和实现难度也依次增加。尽管现有水箱系统具有测量空间范围广，测量位置任意，组织等效性好等优点，但也存在一些明显的缺点:
[0006]I)仅能测量简单的静态的剂量场，如百分深度剂量(PDD)、水中特定深度的横断面(Profile)测量等，测量功能单一。
[0007]2)辐射探测器通常是点探测器，一次只能测量一个点的剂量，通过步进扫描或连续测量的方式获得所有需要数据，测量效率低.
[0008]3)水箱摆位过程复杂，费时费力。需调节水平，使探测器的横向移动与水面保持平行；通过旋转、平移使水箱的测量中心与加速器射野的中心对准。
[0009]4)水箱与射线装置或放射源没有通讯，需要人工来协调两者才能完成测量，操作过程复杂繁琐，这样不仅费时而且容易出错。
[0010]正是因为这几个缺点，水箱在所配备的单位中实际使用率极低。另外，随着精确放疗技术的发展，急需就器官运动对肿瘤影响的规律及快速精确地剂量验证进行详细的研究，发展有效的可以提高放疗精度的技术，现有水箱系统在硬件设计和软件功能上都无法满足复杂/动态剂量场的测量需求。
[0011]因此迫切需要新的测量方法和系统，能提高现有水箱的性能，增加其功能，扩大其应用范围，解决临床迫切需求的模拟测量靶区和危及器官在运动中所受的实际剂量等问题。
【发明内容】
[0012]本发明的目的是提供一种测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描方法及水箱系统。
[0013]为实现上述发明目的，本发明提供一种测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描方法，所述方法不但测量剂量场在X、Y、Z方向的变化，而且测量剂量场随时间t的变化。
[0014]优选地，所述方法具有动态测量模式和静态测量模式，所述动态模式用于测量动态剂量场，具有下述多种工作方式:
[0015]I)复杂剂量场变化，探测器不动，用于调强野治疗静态肿瘤的测量；
[0016]2)简单剂量场不变，探测器运动，用于常规适形野治疗运动肿瘤的测量；
[0017]3)复杂剂量场变化，探测器运动，用于调强野治疗动态运动肿瘤的测量。
[0018]所述静态模式不但能测量简单静态剂量场，还能够使用面阵探测器快速测量复杂的静态剂量场，用于剂量验证。
[0019]本发明还提供一种测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描水箱系统。优选地，所述测量复杂/动态剂量场的四维自动扫描水箱系统包括:运动控制单元、剂量测量单元、自动摆位单元、水箱体、支撑杆及储水库，支撑杆在支撑水箱体的同时不影响治疗床的平移和/或旋转，运动控制单元控制探测器的运动，自动摆位单元用于控制水箱体的摆位。
[0020]优选地，所述运动控制单元包括下位机、手动控制器、驱动电路、伺服电机、机械传动装置、丝杠或齿带、以及旋转支架，上位机和/或手动控制器通过下位机和驱动电路来驱动伺服电机，机械传动装置将伺服电机的动力传递至丝杠或齿带以及旋转支架，丝杠或齿带控制探测器在三维方向上平移运动，旋转支架固定于可平移的托架上控制探测器的旋转运动。
[0021]优选地，所述剂量测量单元中测量探测器具有便于更换的连接结构，能够选用线阵、面阵探测器实现快速高效测量，也能够使用点探测器实现基本计量学数据测量。
[0022]优选地，所述剂量测量单元中线阵、面阵探测器为半导体或电离室矩阵，其中的探测器分布均匀、灵敏度一致。
[0023]优选地，在所述剂量测量单元中，引入蒙特卡罗模拟计算修正电离室探测器的方向响应。
[0024]优选地，所述自动摆位单元利用射线束在水中的分布特性以及系统对探测器运动的精准控制，与加速器进行通信控制治疗床的运动，实现自动摆位。
[0025]优选地，在所述水箱体的外侧可设置各种固体水模块，且所述水箱体底部有转移滑轨。
[0026]优选地，所述支撑杆放在加速器机头下方，与治疗床面滚珠接触，高度可手动调
-K-
T O
[0027]本四维自动扫描水箱系统针对现有水箱的缺点和放射治疗研究面临的难题，解决如下问题:针对目前水箱摆位过程复杂繁琐，实现水箱的自动调水平、自动平移、自动旋转、自动设定SSD等摆位功能；克服现有水箱测量效率低的缺点，研制可以实现快速扫描的线阵列和面阵列探测器，实现对复杂的和(或)动态的剂量场的高效率测量；实现对器官运动中靶区和危及器官所受实际剂量的模拟测量，更加准确的评价靶区和危及器官的受量。
[0028]本系统不但可以测量任意三维空间位置的数据，还能测量数据随时间的动态变化，将为研发新射线装置、新照射技术和应用它们提供重要测量工具，也将为探讨器官运动影响等科学问题提供更准确的平台。
[0029]总之，本发明除了可以用于快速高效标准剂量学测量，还可以模拟研究各种器官的三维运动对剂量的影响，也可以用来修正计划靶区和放射治疗计划，提高肿瘤放射治疗的精确度。本发明为临床放射治疗的质量保证和质量控制提供了有效手段，具有重要的科学意义和临床应用价值，将为众多的科研医疗机构服务，推动我国放疗事业的发展，同时也将提升我国高端科研仪器在国际上的竞争力。
【附图说明】
[0030]图1为根据本发明一实施例的四维自动扫描水箱系统的总体结构示意图。
[0031]图2为根据本发明一实施例的四维自动扫描水箱系统的结构流程图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的描述。
[0033]本发明的系统由该由运动控制单元、剂量测量单元、自动摆位单元、计算机应用软件、箱体、支撑杆及储水库等部分构成。支撑杆在支撑水箱体的同时不影响治疗床的平移和/或旋转，运动控制单元控制探测器的运动，自动摆位单元用于控制水箱体的摆位。
[0034]所述运动控制单元具有控制探测器按照应用软件中设计的轨迹运动的功能。在该单元模块中上位机和手动控制器通过下位机驱动伺服电机和机械传动装置带动测量探测器运动，上位机的控制信号由应用软件给出。
[0035]下位机(控制装置)是接受来自上位机的各种信息，并将这些信息加以识别、存储、运算，然后输出相应的指令，经过控制电路驱动传动装置，使探测器按照规定的要求运动。其中各驱动电路都独自工作，避免相互影响。本系统可选择基于PC总线的以DSP和FPGA为核心处理器的开放式运动控制器。下位机及驱动电路在设计时满足以下功能:
[0036]I)接收上位机指令及数据，向上位机上传当前状态；
[0037]2)故障识别并上传，故障状态下断点保护；
[0038]3)运动控制、逻辑控制(回零开关等；)
[0039]4)运动信息处理，对上位机程序指令进行校验、译码、计算等
[0040]5)开机自检并能进行相关提示；
[0041]6)通过手控盒进行手动操控；
[0042]在电机驱动方面，选择伺服电机驱动丝杠或同步带。伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，可以实现闭环控制，控制性能可靠。另外，它还具有加速性能好、运转平稳、控制精度高等特点。在传动装置方面，优选丝杠传动，其传动效率和精度高，可带动探测器准确实现各种复杂的平移旋转运动