用于射束能量测量的方法和装置与流程

本申请要求于2018年2月19日提交的在先英国专利申请第1802646.8号的权益和优先权，该申请的全部内容通过引用方式结合于本文中。

本发明涉及一种用于测量诸如放射治疗装置中的x射线束的辐射束的能量的方法和装置。

背景技术：

国际标准iec60601-2-1：2009和iec60601-2-1：2009/a1：2014阐述了利用电子加速器生成mev能量范围内的x射线束的医疗设备的安全性和基本性能的特定要求。射束能量的测量对于这种设备的安全操作是重要的。一个要求是设置用于测量射束能量的两个传感器，以便在一个传感器故障的情况下实现冗余。另一个要求是，如果射束能量变动超出预定限度，则应停止该设备的操作。

us2017/0021198公开了一种用于测量包括磁共振成像系统的放射治疗系统中的射束能量的离子室。众所周知，离子室用于射束能量监测。它们通过将入射辐射转换成电子，然后测量由这些电子产生的电流来导出射束能量来运行。除了安全要求之外，射束能量测量在放射治疗系统中对于适当控制辐射剂量是有用的。这种控制可能需要安全操作所需的对射束能量的更精确地测量。

除了准确性之外，能够识别不同类型的射束故障并且能够区分传感器故障和射束故障也是有用的。

为了有效进行，合适的传感器应该对整个射束进行采样，同时使射束的主要部分穿过，以便对治疗患者有效。因此，传感器最多只能使射束衰减几个百分点。正是必须从这个小百分比的射束中检测到任何能量变化。

本发明试图解决一些这样的挑战。

技术实现要素：

本发明的第一方案提供了一种确定从辐射束源输出的辐射束能量的变化的方法，包括：在第一时间及在沿着辐射束轴线距所述辐射束源第一距离处进行第一射束能量测量；在所述第一时间在沿着所述辐射束轴线距所述辐射束源第二距离处进行第二射束能量测量，其中所述第二距离大于所述第一距离，并且其中射束已经穿过所述第一和第二距离之间的能量吸收层，例如吸收至少1％射束能量的层；在第二时间在所述第一距离处进行第三射束能量测量；在所述第二时间在所述第二距离处进行第四射束能量测量，其中所述射束已经穿过所述能量吸收层；并且测量所述第一、第二、第三和第四射束能量测量之间的变化，并使用测量到的变化来确定从所述第一时间到所述第二时间的射束能量的变化。

比较跨越能量吸收层的能量测量结果会凸显由于射束输出的变化引起的能量变化。

第一射束能量测量和第三射束能量测量可以在包括射束轴线的中心区域中进行，并且第二和第四射束能量测量可以在围绕但不包括中心区域的周边区域中进行。该方法可以进一步包括：在第一时间在所述第一距离处进行第五射束能量测量，并且在第二时间在所述第一距离处进行第六射束能量测量，其中所述第五射束能量测量和第六射束能量测量是在所述周边区域中；在所述第一时间在所述第二距离处进行第七射束能量测量，其中所述射束已经穿过能量吸收层，并且在所述第二时间在所述第二距离处进行第八射束能量测量，其中所述射束已经穿过所述能量吸收层，其中第七测量和第八测量是在中心区域中；并且测量所述第一射束能量测量、第二射束能量测量、第三射束能量测量、第四射束能量测量、第五射束能量测量、第六射束能量测量、第七射束能量测量和第八射束能量测量之间的变化，并使用测量到的变化来确定从所述第一时间到所述第二时间的射束能量的变化。

射束能量随着距射束轴线的距离而变化。通过对中心区域和周边区域进行单独测量，能够检测出源输出的变化。

本发明的第二方案提供了一种用于测量从辐射束源输出的辐射束能量的装置，包括：第一射束能量传感器，其位于沿着辐射束轴线距辐射束源第一距离处；第二射束能量传感器，其位于沿着所述辐射束轴线距所述辐射束源第二距离处；以及能量吸收层，例如去除射束的一部分低能量成分的层或吸收至少1％射束能量的层，该能量吸收层位于所述第一传感器和第二传感器之间，并且定位成使得穿过所述第一传感器的辐射在进入所述第二传感器之前也穿过所述能量吸收层。

能量吸收层的能量吸收度至少为2mm不锈钢的能量吸收度。

每个传感器可以包括限定腔室的主体，以及上覆盖层和下覆盖层，辐射束必须穿过所述上覆盖层和下覆盖层以进行能量测量。能量吸收层可以与覆盖层分开，或者可以与一个或多个覆盖层成一体。

每个传感器可以包括离子室，例如包括主体的离子室，该主体封闭信号电极和设置在信号电极两侧的极化电极。每个信号电极可以包括第一电极区域，其被配置为在使用中对包括所述射束轴线的辐射束的中心区域进行采样，以及第二电极区域，其至少部分地围绕所述第一电极区域并且被配置为在使用中对围绕但不包括所述中心区域的周边区域进行采样。所述第一传感器的第一和第二电极区域的面积比可以与所述第二传感器的相应的面积比不同。例如，所述第一传感器的所述第一电极区域的面积可以小于所述第一传感器的所述第二电极区域的面积；并且所述第二传感器的所述第一和第二电极区域的面积近似相等。

可以根据辐射束的形状来选择每个离子室的感测区域。在一个示例中，感测区域可以是大致矩形的，用于监测矩形截面射束。

本发明的第三方案提供了放射治疗系统，包括：辐射生成系统，该辐射生成系统包括用于产生用于治疗患者的x射线束的电子加速器x射线源，以及根据所述第二方案所述的位于所述源与所述患者的治疗位置之间的装置。

放射治疗系统还可以包括安装有所述辐射生成系统的机架，该机架能围绕所述治疗位置旋转。所述机架可以安装成围绕所述治疗位置旋转超过360°。

放射治疗系统还可以进一步包括磁共振成像系统，其用于在用x射线束治疗期间在治疗位置对患者成像。

本发明的第四方案提供了一种根据第三方案的操作放射治疗系统的方法，其中该方法包括：操作所述源以产生x射线束；并且操作用于根据所述第一方案所述的方法测量从所述源输出的辐射束能量的装置。

该方法还可以包括：当确定的射束能量的变化超过预定值时，自动停止所述源的运行。

根据以下描述，本发明的其他方案可以是显而易见的。

附图说明

现在将通过示例并参考附图来描述本发明，其中：

图1示出了包括磁共振成像系统的放射治疗系统；

图2和图3示出了穿过传感器的示意性和立体截面；

图4示出了上部信号电极；

图5示出了下部信号电极；

图6和图7示出了包括图2和图3的传感器的放射治疗系统的示意图；以及

图8示出了概述方法步骤的流程图。

具体实施方式

图1示出了包括放射治疗装置和磁共振成像(mri)装置的系统，诸如在ep2359905中所描述的。

该系统包括床10，用于将患者支撑在装置中。床10能沿水平平移轴线(标记为“i”)移动，使得放置在床上的患者移动到放射治疗和mri装置中，如wo2009/007737中所描述的。

系统2还包括mri装置，用于产生位于床10上的患者的实时图像。mri装置包括主磁体16，其起作用以产生用于磁共振成像的主磁场。由磁体16产生的磁场线大致平行于中心平移轴线i而延伸。主磁体16包括一个或多个线圈，其轴线平行于平移轴线i而延伸。如图所示，一个或多个线圈可以是单个线圈或多个不同直径的同轴线圈。主磁体16中的线圈布置成使得磁体16的中心窗口没有线圈。磁体16还可以包括一个或多个有源屏蔽线圈，用于在磁体16外部产生与主磁场大小近似相等且极性相反的磁场。系统2的较敏感部件，例如加速器，位于在磁体16外部的磁场至少一阶被消除的区域中。mri装置还包括两个梯度线圈18，20，其产生叠加在主磁场上的梯度磁场。这些线圈18，20在合成磁场中产生梯度，其允许质子的空间编码，使得它们的位置可以从发生共振的频率(拉莫尔频率)来确定。梯度线圈18，20围绕与主磁体16共同的中心轴线而定位，并且沿着该中心轴线彼此移位。该位移在两个线圈18，20之间产生了间隙或窗口。在主磁体16还包括在各线圈之间的中心窗口的实施例中，两个窗口彼此对准。

rf系统以不同的频率向患者发送无线电信号，并检测在这些频率处的吸收，从而可以确定患者中质子的存在及其位置。rf系统可以包括例如既传输无线电信号又接收反射信号的单个线圈、专用收发线圈、或多元件相控阵线圈。控制电路控制各种线圈16，18，20和rf系统的操作，并且信号处理电路接收rf系统的输出，用于生成由床10支撑的患者的图像。

系统2还包括放射治疗装置6，其向由床10支撑的患者输送辐射剂。大部分放射治疗装置6至少具有包括辐射源30(例如，x射线源)和多叶准直器(mlc)32的辐射生成系统，放射治疗装置6安装在底座或机架28上。当底座28插入治疗区域时，底座28能由一个或多个底座电机提供动力而连续地围绕床10旋转。放射治疗装置还包括控制电路，其控制辐射源30、mlc32和底座电机。

辐射源30定位成通过由两个梯度线圈18，20限定的窗口发射辐射，并且还通过在主磁体16中限定的窗口发射辐射。源30发射发散的辐射束。该辐射束被准直到圆角矩形截面，在到达mlc32之前具有适当的屏蔽。辐射束在轴向上相对较窄，并且在方位角方向上相对较宽(两者都相对于底座的旋转轴而言)。射束可具有大致矩形的截面。因此，射束采用适合于系统2的几何形状的“扇形”形状，其中两个梯度线圈18，20彼此移位，以允许辐射进入患者。扇形射束通过窄窗口为患者提供实质性的辐射，这意味着梯度线圈18，20可以放置得比传统的集成放射治疗/成像系统更靠近。这允许梯度线圈18，20产生比其他情况更强的梯度场，从而提高由mri装置获得的图像的质量。

图2示出了根据本发明的实施例的传感器的示意性截面图。图3示出了图2的传感器的立体图。图2和图3的能量监测器包括两个独立的检测室110，112，每个检测室限定一个单独的传感器。每个腔室110，112由包括壁114，116的壳体界定。上腔室由积层板118封闭，积层板118限定了辐射束x进入腔室110所经过的窗口。下盖板120封闭上腔室110的下端。下腔室112具有类似的结构。在这种情况下，盖板122，124封闭腔室112的上端和下端，上盖板122用作辐射射束进入下腔室112所经过的窗口。可以在下盖板124下方设置后向散射板125，例如铝合金板。

在使用时，上腔室110安装成以较靠近所述源的射束轴线x为中心，并且下腔室112安装成以较靠近患者的射束轴线x为中心，进一步详细说明如下。

在每个腔室110，112中有三个平行电极板、设置在信号电极130，132的两侧的两个极化电极126'，126”，128'，128”。在各电极上施加电压在相邻电极之间产生了电场。当腔室中的气体被射束电离时，产生了离子对，其在电场的影响下漂移到电极。这从被测量的信号电极产生电离电流。

能量辨别板134位于腔室110，112之间，使得已经穿过上腔室110的任何辐射必须在进入下腔室112之前穿过能量辨别板。能量辨别板吸收一些射束能量，使得来自下腔室112的响应与来自上腔室的响应不同。例如，能量辨别板可以吸收至少1％的射束能量。这可以通过在两个腔室110，112之间提供至少2mm厚的不锈钢板来实现。这是对下盖板120和上盖板122的任何贡献的补充。

图4和图5各自示出了信号电极130，132的进一步细节，每个信号电极130，132具有限定在其上的两个感测电极区域：中心电极135，136；以及周边电极138,140。各中心电极限定了以射束轴线为中心的感测区域。周边电极限定了大致围绕中心电极的感测区域。中心电极和周边电极彼此没有电接触，因此提供彼此独立的测量。

可以看出，这些区域的形状和尺寸对于上传感器和下传感器是不同的。上腔室110中的电极130具有相对较小的中心电极135和较大的周边电极138。例如，中心面积与周边面积的比率小于1，诸如1：9。在下腔室112中，中心电极136相对较大并且周边电极140较小。在这种情况下，面积比接近1：1。为了比较，下腔室112的中心电极136为上腔室110中的相应的电极135大约三倍，而上腔室110的周边电极138为下腔室112中的相应的电极140大约三倍。图中示出了每个电极的一侧。当感测电极从两侧进行检测时，实际感测面积是图中所示的两倍。

以这种方式，每个传感器将具有不同的轴线和周边灵敏度，并且上下轴线测量以及上部周边测量和下部周边测量的相应灵敏度也是不同的。因此，可以使用上部测量和下部测量的比较来更容易地识别射束能量变化，特别是当周边区域中的测量对射束能量的变化较敏感时。此外，能量辨别板134的存在意味着上部传感器测量的任何变动由射束的变化引起，诸如由于源30中的靶的故障导致从光子射束到电子射束的转换而导致高能电子进入上腔室110将不会反映在来自下腔室112的测量中，因此允许更好地识别这种类型的故障。

下腔室112中的周边电极140的四个角可以相对扩大和定位，使得它们不与中心电极136的至少一对侧面重叠。这引起了射束的被感测区域的更大分离。如下所述，这可以帮助检测射束能量变化。

极化电极126，128具有大致矩形的形状，并且其尺寸使得信号电极130，132完全位于极化电极的覆盖范围内(可以相适地使用其他形状和/或尺寸)。

通过提供单独的中心电极和周边电极，每个传感器腔室可以提供轮廓测量，该轮廓测量指示射束能量随着距射束轴线的距离的变动。与轴线上测量相比，能量辨别板具有减小下腔室112中的周边测量的效果，这意味着下腔室112将产生与上腔室110不同的能量分布轮廓。此外，电极区域在上腔室和下腔室的不同布置凸显了这种效果。上腔室测量更多地向周边加权(较平坦的曲线)，而下腔室测量更多地向中心加权(较尖锐的曲线)。因此，射束能量的变化不仅会影响每个腔室中测量的总能量，还会影响中心能量测量和周边能量测量之间的比。如果能量的变化是由于源输出的正常变动或者由于某些其他变化原因导致的，例如，靶故障，如下面进一步解释的，则这些变化将是不同的。

图6是包含上述传感器装置的放射治疗系统的示意图。放射治疗系统244包括产生电子束209(示出为指示射束轴线的虚线)的加速器220、x射线靶204、可选的射束过滤器装置250、射束准直装置205和患者支撑表面206。放射治疗系统还包括检测器装置212(如图2和图3所示)，以及包括比较器216的放射治疗系统控制系统218。比较器提供检测器装置212的第一检测器和第二检测器到放射治疗系统控制系统218的各输出的比较。放射治疗系统控制系统218可以电连接到加速器220，从而允许放射治疗系统控制系统218控制由加速器220产生的辐射束。

在系统244中，来自加速器220的电子束209向x射线靶204行进。x射线靶204通常是一块钼、铜、钨、钨合金或其组合。在与x射线靶204相互作用时，大部分电子被靶吸收，但是少数将被转换成在距靶204的一定角度范围内产生的高能x射线210a，210b，210c(以虚线示出)，角度分布和射束形状，取决于入射电子能量。这些x射线中的大部分然后穿过射束过滤器装置250和主准直系统(未示出)。例如，射束过滤器的类型包括例如平坦过滤器或者射束散射过滤器，但是应该理解，射束过滤器装置250对于系统244的运作不是必需的，并且如果需要可以完全地省略。然后，x射线210a，210b，210c向前朝向检测器装置212行进，如上所述，检测器装置212被假定为包括两个离子室。在到达检测器装置212时，一小部分x射线将与积层板118(图2和图3中所示)相互作用，并产生电子(未示出)。然后，这些电子将穿过检测器腔室，使检测器腔室内的气体电离并产生在电场作用下向电极移动的自由离子，并记录为与通过检测器的剂量成比例的电流。

那些没有被转换成电子的x射线继续通过检测器装置212，朝向射束准直装置205。射束准直装置205可以是例如来自光阑的钳口，或者来自多叶准直器或虹膜准直器的叶片，或用于整形或准直x射线束的任何其他装置。射束路径使它们与射束准直装置205接触的x射线210a，210c将被阻挡，而在射束准直装置之间行进的x射线210b将向前朝向患者支撑表面206而继续。

来自第一检测器和第二检测器的剂量率测量结果被转发到比较器216，比较器216被配置为比较来自第一检测器和第二检测器的测量结果。如果来自第一检测器的测量结果与来自第二检测器的测量结果的相差例如20％的预定量，则可以指示射束故障。此外，在一些情况下，信号可以指示射束故障的变化的可能原因是x射线靶204的故障。该信号可以用于诊断放射治疗系统内的射束故障。该信号可以选择用作额外的安全联锁。例如，在接收到信号时，放射治疗系统控制系统218可以停用辐射束。例如，放射治疗系统控制系统218可以停用加速器220，从而防止产生进一步的辐射。

图7示出了当x射线靶204机械故障时图6的放射治疗系统244。在这种状态下，目标仍将产生x射线210a，210b，210c(如虚线所示)，但电子束209中的一部分电子248(如实线所示)将穿过靶204，并且向前朝向检测器装置212继续。这些电子248中的一小部分将被积层板阻挡，但是大部分将继续通过该板进入检测器装置212。这些电子248将使第一检测器内的气体电离，产生如前所述用于确定通过检测器的剂量的自由电荷。因为x射线靶204已经故障，所以穿过第一检测器的电子数量远大于正常值，因此由第一检测器测量到的电流确定的剂量率要高得多。然而，与x射线210a，210b，210c不同，这些电子中的极少数将能够穿透能量辨别层，并且因此由第二检测器测量到的电流确定的剂量率将受到靶故障的影响。通过分析在第一腔室中测量到的剂量与在第二腔室中测量到的剂量之间的差异，可以快速确定是否由于x射线靶204故障而引起了射束故障。

图8是用于检测x射线靶204的故障的方法330的流程图。在步骤332中，由第一检测器测量辐射束的剂量率。在步骤334中，由第二检测器测量辐射束的剂量率。然而，在步骤332和334执行的测量的顺序可以反转，或者可以同时进行步骤332和334的测量。然后在步骤336比较两个测量。如果根据第一检测器处的测量确定的剂量率不比根据第二检测器处的测量确定的剂量率大预定量，则不会指示故障338并且该方法返回到步骤332。再次测量辐射束的特性，以便定期监测这些值。然而，如果由第一检测器测量到的剂量率比由第二检测器测量到的剂量率大了超过预定量，例如20％，则在步骤340产生信号。例如，可以在步骤342中将该信号发送到放射治疗系统控制系统218。该信号例如可用于停用加速器220，防止产生进一步的辐射。如果产生这样的信号，则可以记录其以用于诊断目的，例如，服务工程师更容易能够确定故障状况或系统停止运转的原因。

上述类型的监测腔室可用于测量由系统输送的辐射剂量。此外，各腔室可以用于风险控制措施以检测射束传输中的故障。这种故障可导致不准确的能量、轮廓形状(能量或射束倾斜)和绝对剂量。在这方面，离子室可用于监测光子注量形状。这给出了射束能量的指示。虽然有些系统没有由于倾斜(轮廓不对称)而经历变化，因为在正常操作时不会发生这种情况，但在其他情况下，不当的弯曲磁体设定会导致倾斜(或不当的能量导致经过弯曲系统的不正确传输)。腔室也能够用于检测这种故障。

可以在本发明的范围内进行进一步的改变。