快速获得免冲洗验证胶片剂量响应曲线的装置和方法
【专利摘要】本发明属于离子束点扫描照射技术中一种快速获得放射显影免冲洗验证胶片剂量响应曲线的方法。一种快速获得免冲洗验证胶片剂量响应曲线的装置，其主要特点在于在束流线上分别依次设有X向扫描磁铁、Y向扫描磁铁、准直器、参考监测电离室、位置灵敏探测器；笔形束在束流线上依次通过X向扫描磁铁、Y向扫描磁铁、准直器的准直孔、参考监测电离室，在等中心处获得正高斯分布的笔形束流。本发明的优点是：(1)采用本发明提供的免冲洗验证胶片剂量刻度方法，可以减少操作人员的测量准备工作、减少束流使用时间及后续胶片数据处理时间。(2)理论上在高斯笔形束横向剂量分布及免冲洗验证胶片光密度分布上可以获得无穷多个数据点，因此可以选取更多的数据进行数据拟合获得更准确的胶片剂量响应曲线。
【专利说明】快速获得免冲洗验证胶片剂量响应曲线的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于离子束点扫描照射技术中一种快速获得放射显影免冲洗验证胶片剂 量响应曲线的方法。
【背景技术】
[0002] 在离子束应用（如福射生物学实验、材料物理、放射治疗等）中，常常设及到对离 子束福射场特性的测量，如福射场剂量均匀性或剂量分布测量。利用电离室矩阵可W对该 些特性进行直接测量，但是电离室矩阵空间分辨率低，难W满足测量离子束束斑或剂量梯 度较大的照射野剂量分布的要求。放射显影胶片测量照射野的剂量分布具有空间分辨率高 的优点，特别是免冲洗验证胶片的出现，使得利用胶片测量的方法变得更加简便。与传统显 影胶片相比，免冲洗验证胶片不需要使用化学试剂进行显影和定影，可W在可见光下操作， 减少了人为干预过程，减小了测量误差。并且，免冲洗验证胶片可切割成若干小块分别进行 照射显影，提高了胶片的有效利用率。此外，免冲洗验证胶片具有防水性，可放置在水箱中， 同时测量不同深度处的照射野特性。鉴于上述众多优点，免冲洗验证胶片在福射剂量测量 方面的应用越来越广泛。然而，利用免冲洗验证胶片测量福射场特性，首先需要对胶片进行 剂量刻度实验，获得胶片光密度（或灰度）变化与福照剂量的关系，即剂量响应曲线。
[0003] 在常规X射线调强放射治疗中，一般需要对治疗计划系统计算获得的剂量分布进 行实验验证，W评估治疗计划的可行性。在离子束点扫描束流配送中，同样需要对各照射野 的剂量分布进行测量。为保证测量剂量分布的空间分辨率，目前在验证测量中通常利用放 射显影免冲洗验证胶片法测量各照射野的剂量分布。通过专口的软件将免冲洗验证胶片的 灰度变化转换成剂量分布测量值，并与计划系统计算得到的剂量分布进行比较计算丫通 过率，W评估治疗计划的可行性。采用免冲洗验证胶片测量剂量分布前，通常需要预先测量 获得相应批次的胶片剂量响应曲线。目前，此预实验的常规方法简要操作步骤如下：
[0004] 1)利用专业扫描仪（如，EPS0N10000XL)扫描一整张免冲洗验证胶片，获得红光通 道像素值分布并计算像素平均值声7。。,。.；
[0005] 2)将整张免冲洗验证胶片切割成若干个小块，利用均匀福照场对每小块免冲洗验 证胶片分别照射不同的剂量D ;
[0006] 3)再次利用扫描仪获得照射后的各个小块免冲洗验证胶片红光通道平均像素值 W"r ；
[0007] 4)利用公式（A1)计算各个小块免冲洗验证胶片的净光密度值，
[000引 fw似D = OD,""'。. = log化 :产。
[PVirr-PVb响）， (A1)
[0009] 其中，netOD，0町"及OD 分别为净光密度，胶片照射后光密度及照射前光密度； PVbcig为不透明黑色塑料板红光通道像素值；
[0010] 5)根据每个小块免冲洗验证胶片照射的剂量D与净光密度值netOD，利用数据分 析处理软件获得免冲洗验证胶片的剂量响应曲线。
[0011] 离子束主动式点扫描束流配送系统中，束流监测参考电离室的剂量标定因子随离 子束能量、笔形束束斑大小及扫描点间距的不同而不同。若在主动式点扫描束流配送系统 下，利用常规方法刻度胶片的剂量响应曲线，首先，需要编制点扫描照射参数控制文件，对 成百上千个扫描点逐点照射形成一个均匀的照射野进行束流监测参考电离室的剂量刻度， 获得剂量标定因子，如图2所示。然后，编制一系列控制文件分别照射一系列小块胶片，从 而获得不同剂量照射后的胶片。可见主动式点扫描束流配送系统获得均匀的福照场并不像 离子束被动式束流配送系统及医用直线加速器获得均匀X射线福照场那么方便，需要更长 的时间。要想获取更多的数据点W得到更精细的胶片剂量响应曲线，需要将胶片切割得更 小或使用更多的胶片，该样照射时间会延长，并且胶片照射后需要更多时间用在胶片扫描 上。显然该种胶片刻度技术过程繁琐，耗时长，并且胶片的利用率低。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的在于，为避免现有技术的不足，提供一种快速获得免冲洗验证胶片 剂量响应曲线的装置。
[0013] 本发明的又一目的是提供一种快速获得免冲洗验证胶片剂量响应曲线的方法。
[0014] 针对在离子束主动式束流配送系统下刻度放射显影胶片过程繁琐，耗时长，且胶 片有效利用率低等问题，本发明利用主动式点扫描束流配送技术特点及离子束传输特性， 提出一种快速刻度免冲洗验证胶片剂量响应曲线的方法。该方法利用离子束束斑直接刻度 免冲洗验证胶片，获得其剂量响应曲线，减少了在主动式点扫描束流配送系统下形成均匀 福射野的次数，减少整个刻度过程所需的总离子数，从而大大减少照射时间及胶片后续处 理时间，且可将整张免冲洗验证胶片切割为较小面积的胶片同时用于刻度及测量，提高了 胶片的有效利用率。
[0015] 放射显影胶片的剂量响应曲线通常被用来测量福射场剂量分布上。本发明采用 其逆过程，即通过给免冲洗验证胶片照射已知分布的物理剂量来获得其剂量响应曲线。本 发明充分利用笔形离子束在传输过程中具有横向上剂量趋于高斯分布的特点，先测量此高 斯笔形束的分布参数，再利用此高斯分布的笔形束斑照射免冲洗验证胶片，获得其像素值 变化或净光密度（netOD)分布。然后利用剂量分布与像素值变化或netOD分布，获得免冲 洗验证胶片的剂量响应曲线。获得离子束高斯笔形束斑W及其物理剂量分布是本发明的关 键。通常情况下，离子加速器提供的笔形束流不完全是高斯型的，可W通过圆形准直孔或调 节加速器参数将笔形束流规则化，通过在空气中的多重散射作用获得正高斯分布的笔形束 流（如图1)。利用经过剂量刻度的两维电离室矩阵可W直接获得高斯笔形束斑的绝对物理 剂量分布，但是由于其空间分辨率低，很难满足实际应用中的测量要求。替代的方法是，利 用位置灵敏探测器如高分辨的多丝正比室、分条电离室或两维电离室矩阵，先获得高斯笔 形束斑的相对物理剂量分布，再通过高斯模型拟合可W获得其二维相对物理剂量分布。根 据照射的离子数推导出笔形束斑的绝对物理剂量分布。本发明的简要操作可概括为如图3 所示的操作流程。
[0016] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为；一种快速获得免冲洗验证胶片剂量 响应曲线的装置，其主要特点在于在束流线上依次分别设有X向扫描磁铁、Y向扫描磁铁， 准直器、参考监测电离室、位置灵敏探测器；笔形束在束流线上依次通过X向扫描磁铁、Y向 扫描磁铁、准直器的准直孔、参考监测电离室，在等中屯、处获得正高斯分布的笔形束流。
[0017] 所述的位置灵敏探测器为高分辨的多丝正比室、分条电离室或二维电离室矩阵。
[001引一种所述的快速获得免冲洗验证胶片剂量响应曲线的方法，其主要特点在于步 骤：
[0019] (1)获取参考电离室计数与离子数关系，即离子束主动式点扫描束流配送系统剂 量标定因子K胆)值；
[0020] 在离子束主动式点扫描束流配送系统下，剂量标定需测量获得MU与离子数的关 系，即，
[002U K(E)=N/MU， (1)
[002引其中，K巧）为每参考电离室计数对应的离子数；N为照射单个扫描点的离子数； [002引 MU为照射单个扫描点的参考电离室计数；
[0024] 由于剂量值D与离子数N有如下关系：
[0025]
【权利要求】
1. 一种快速获得免冲洗验证胶片剂量响应曲线的装置，其特征在于在束流线上分别依 次设有X向扫描磁铁、Y向扫描磁铁、准直器、参考监测电离室、位置灵敏探测器；笔形束在 束流线上依次通过X向扫描磁铁、Y向扫描磁铁、准直器的准直孔、参考监测电离室，在等中 心处获得正高斯分布的笔形束流。
2. 如权利要求1所述的快速获得免冲洗验证胶片剂量响应曲线的装置，其特征在于所 述的位置灵敏探测器为高分辨的多丝正比室、分条电离室或二维电离室矩阵。
3. 如权利要求1所述的快速获得免冲洗验证胶片剂量响应曲线的方法，其特征在于步 骤： (1) 获取参考电离室计数与离子数关系，即离子束主动式点扫描束流配送系统剂量标 定因子K(E)值： 在离子束主动式点扫描束流配送系统下，剂量标定需测量获得MU与离子数的关系， 即， K(E) =N/MU, (1) 其中，K(E)为每参考电离室计数对应的离子数；N为照射单个扫描点的离子数； MU为照射单个扫描点的参考电离室计数； 由于剂量值D与离子数N有如下关系： D[Gy] =I. 6XlCT8XS[MeV/g?cnT2]XN/A[mnT2]， (2) 其中，D为剂量值；N为照射单个扫描点的离子数；S为离子在介质中的质量阻止本领；A为单个扫描点的面积； 在点扫描剂量标定中，使用笔形束流在等中心位置形成均匀的足够大的照射野，即每 个扫描点照射相同的参考电离室计数（MU);因此，有：
其中，Dnreas为绝对剂量电离室在照射野中心测量的剂量值；Se(Z)为标定深度z处的离 子质量阻止本领，利用Bethe-Bloch公式计算获得；Ax，Ay为扫描点在X及Y方向上的间 距； (2) 通过准直孔或调节加速器将笔形束流规则化，束流经过空气中的多重散射作用在 等中心处获得正高斯分布的笔形束流； (3) 利用位置灵敏探测器获得高斯笔形束斑的X，Y方向上的相对剂量分布，再利用高 斯函数拟合，获得其相对剂量分布参数cx、〇y; (4) 获得束斑绝对物理剂量分布： 由步骤⑴及步骤⑶测量获得K(E)值及束斑高斯分布参数〇x、〇y，推导出在等中 心位置照射特定参考电离室计数MU时的束斑物理剂量分布D(x，y)，即：
其中，Xtl,Ytl为束斑中心位置；S为质量阻止本领； (5) 利用胶片扫描仪扫描已标记方向及裁剪好的免冲洗验证胶片，获得胶片红光通道 平均像素值; (6) 将免冲洗验证胶片垂直束流方向放置在等中心位置，设置适当的参考电离室计数 (MU)，利用步骤（2)获得的高斯型束斑照射；待胶片充分曝光24h后，再次利用扫描仪获得 胶片红光通道像素值分布PVin(x，y);利用公式（5)获得照射后胶片净光密度分布；
其中，netOD，(^"及OD_"分别为净光密度，胶片照射后光密度及照射前光密度；PVbckg 为不透明黑色塑料板红光通道像素值；利用二维高斯函数对二维净光密度分布进行拟合， 获得胶片净光密度分布的中心点（Xci,yd，从而获得netOD(x,y,Xci,yj分布函数； (7) 根据公式（4)与照射该胶片时所设置的MU值获得相应的物理剂量D(x，y，X(l，ytl)分 布函数，最后通过数据处理工具比较netOD(x,y,Xtl,yj和D(x,y,Xtl,yj分布函数获得免冲 洗验证胶片的剂量响应曲线。
4. 如权利要求3所述的快速获得免冲洗验证胶片剂量响应曲线的方法，其特征在于还 包括步骤： (8) 重复步骤（5)至步骤（7)，选择几个大小不同的参考电离室计数分别照射几块免冲 洗验证胶片得到多个剂量范围的剂量响应曲线，合并这些剂量响应曲线以获得剂量范围更 宽更可靠的响应曲线。
5. 如权利要求3所述的快速获得免冲洗验证胶片剂量响应曲线的方法，其特征在于所 述的步骤⑶为： 利用二维电离室矩阵，获得高斯笔形束斑的X，Y方向上的相对剂量分布，再利用多重 高斯函数拟合，获得其相对剂量分布拟合参数Wp〇xi、〇0(1 = 1，...，11)，其中，&为第1 个高斯函数的权重，满足Swi=I;Oxi，O#分别为第i个高斯分布函数的参数。
6. 如权利要求3所述的快速获得免冲洗验证胶片剂量响应曲线的方法，其特征在于所 述的步骤⑷为： 获得束斑绝对物理剂量分布： 由步骤⑴及步骤⑶测量获得K(E)值及束斑分布参数Wi、〇xi、〇yi，可以推导出在 等中心位置照射特定参考电离室计数MU时的束斑绝对物理剂量分布D(x，y)，即：
其中，Xtl,Ytl为束斑中心位置；S为质量阻止本领。
7. 如权利要求3所述的快速获得免冲洗验证胶片剂量响应曲线的方法，其特征在于 所述的步骤￠)中可以直接采用像素值变化代替计算净光密度的数据处理方法，则在步骤 (7)中获得像素值变化与剂量的关系曲线作为胶片剂量响应曲线。
【文档编号】G01T1/29GK104502947SQ201410742875
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】刘新国, 李强, 贺鹏博, 戴中颖, 黄齐艳, 闫渊林, 马园园, 申国盛, 付廷岩, 肖国青 申请人:中国科学院近代物理研究所