粒子治疗快速质量保证测量方法及剂量分布测量装置与流程

1.本发明是关于一种粒子治疗快速质量保证测量方法及剂量分布测量装置，涉及粒子治疗(包括质子治疗、重离子治疗、中子俘获治疗等)技术领域。


背景技术：

2.粒子治疗是放射治疗当中先进有效的手段，为确保粒子治疗安全有效地实施，需要定期对粒子治疗加速器提供的粒子束流及照射野进行qa(质量保证)测量，从而确保粒子治疗加速器提供的束流能够满足疾病治疗的要求，保证粒子放射治疗计划能够被准确无误地执行。因此，需要开发qa测量手段来满足粒子临床治疗当中的需求。由于设备昂贵，粒子治疗加速器属于稀缺资源，若能够高效快速进行粒子治疗qa测量，对提高粒子治疗加速器的效率，增加每台粒子治疗加速器治疗患者数量的能力及造福更多的患者均具有非常重要的意义。同时，在粒子辐照技术的其他领域，例如粒子加速器束流诊断、粒子束辐射测量等方面，快速准确获得粒子束流的性能也是非常重要的。
3.当前，粒子治疗qa测量的项目主要为束流及照射野性能等的测量，包括内容为束流能量(在介质中对应的bragg峰位)、束斑大小、照射野均匀性及对称性等，用于qa测量的方法主要有：电离室与三维水箱组合的测量、胶片测量、二维电离室矩阵测量、闪烁体探测器测量及深度剂量分布探测设备测量(如双电离室配合可变水柱和电离室堆等)等。其中，电离室与三维水箱组合测量方法通过控制电离室在三维水箱中位置，沿粒子束入射方向上(即纵向上)可测量深度剂量分布，从而根据bragg峰位确定入射粒子束的能量；在垂直束流入射的方向上(即横向上)，可测量不同粒子束不同贯穿深度上的横向剂量分布，从而确定束流束斑大小、照射野的均匀性及对称性等。该方法精确度较高，但是每次测量只能测量水箱空间中一个位置的剂量，要得到完整的剂量分布需要的时间很长，效率低下，不具有实时性，测量耗时耗力。胶片测量方法可测量粒子束纵横上的剂量分布，通常为相对剂量测量，可确定束斑大小、照射野的均匀性及对称性等指标，缺点是胶片不能重复利用，代价高，而且通过胶片获得所需信息的后处理时间较长，同样不具备实时性。二维电离室矩阵通常用于粒子束横向上的剂量分布实时测量，测量速度快效率高，但是位置分辨率低，通常无法测量纵向上的剂量分布。闪烁体探测器利用粒子束在闪烁体材料中沉积能量而导致闪烁体材料发光的特性，利用相机探测光信号并将光强度转换为剂量分布，实现剂量分布的测量，测量速度快、分辨率高、使用较为方便，可测量束斑大小、照射野均匀性即对称性等指标，但该方法可测量的指标有限。深度剂量分布探测设备可用于纵向剂量分布的测量，可快速测量得到完整的纵向剂量分布，缺点是不能测量粒子束在横向上的剂量分布，仅能测量深度剂量分布确定束流能量。
4.综上所述，目前用于粒子治疗qa测量方法在测量精度、分辨率、效率、便捷性、实时性以及测量指标的全面性等方面都存在不同的缺点和不足。因此，在当前粒子治疗qa测量当中常采用多种测量手段，以达到对qa指标的全面测量，所以当前的粒子治疗qa测量耗时、效率低，使得粒子治疗的可及性差。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的之一是提供一种剂量分布测量装置；本发明的目的之二是提供一种粒子治疗快速质量保证测量的方法，能够实现精准、快速、便捷、高效及实时的粒子治疗qa测量。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
7.第一方面，本发明提供的一种剂量分布测量装置，该装置包括：
8.发光材料单元，所述发光材料单元数量设置为若干，若干块所述发光材料单元沿着粒子束流入射方向依次设置；
9.光信号采集单元，所述光信号采集单元与所述发光材料单元对应设置，用于对粒子与发光材料单元相互作用发出的光信号进行采集；
10.信号获取及数据处理单元，用于获取所述光信号采集单元的光信号并进行处理获得剂量分布。
11.所述的剂量分布测量装置，进一步地，所述光信号采集单元与所述信号获取及数据处理单元通过光信号传输光缆进行光信号传输。
12.所述的剂量分布测量装置，进一步地，所述光信号采集单元包括第一光信号采集单元和第二光信号采集单元；
13.所述第一光信号采集单元和第二光信号采集单元均设置在所述发光材料单元的厚度方向；
14.所述第一光信号采集单元用于对粒子与所述发光材料单元相互作用发出的在x方向上的光信号进行采集；
15.所述第二光信号采集单元用于对粒子与所述发光材料单元相互作用发出的y方向的光信号进行采集，其中，z方向为粒子束流入射方向，x方向为水平方向，y方向为垂直方向。
16.所述的剂量分布测量装置，进一步地，所述第一光信号采集单元和第二光信号采集单元均采用若干cmos光传感器，cmos光传感器的宽度与所述发光材料单元的厚度相一致，cmos光传感器的长度与所述发光材料单元在横向上的宽度匹配。
17.所述的剂量分布测量装置，进一步地，与所述光信号采集单元相对的所述发光材料单元的厚度方向均涂有反光材料层。
18.所述的剂量分布测量装置，进一步地，所述发光材料单元横向上的尺寸要大于粒子束流的照射野尺寸；若干块所述发光材料单元构成的发光材料单元整体在纵向上厚度要大于粒子治疗加速器提供最高能量束流在发光材料介质中的射程。
19.所述的剂量分布测量装置，进一步地，每块所述发光材料单元的两侧面分别设置有发光材料表面涂层即黑色涂料。
20.所述的剂量分布测量装置，进一步地，该装置还包括有外壳，用于放置所述发光材料单元和光信号采集单元，所述外壳两侧均设置有把手。
21.第二方面，本发明还提供粒子治疗快速质量保证测量方法，包括：
22.将剂量分布测量装置放置在粒子治疗加速器治疗室的等中心点位置处，且将设置有黑色涂层的一面朝向粒子束流入射方向；
23.在无束流照射条件下，通过光信号采集单元对无束流照射时的本底信号进行探
测，获得本底值；
24.预设一定剂量的粒子束进行照射，达到预设剂量值后将束流切断，停止照射；
25.获取设定剂量粒子束照射后x和y方向上采集到的光强度信号进行处理，完成束流特征信息提取，其中，z方向为粒子束流入射方向，x方向为水平方向，y方向为垂直方向。
26.所述的粒子治疗快速质量保证测量方法，进一步地，获取设定剂量粒子束照射后的x和y方向上采集到的光强度信号进行处理，完成束流特征信息提取，包括：
27.将纵向上二维光强度分布通过灰度值转换为二维剂量分布，从而得到深度剂量分布；
28.根据x或y方向上的二维剂量分布图像，获得粒子束流的bragg峰位置，确定入射粒子束的能量，得到束流在不同贯穿深度上的横向剂量分布，进而确定不同贯穿深度上的束斑大小或照射野的均匀性和对称性；
29.利用不同方向上二维分布数据通过三维重建算法将不同空间方向上的二维剂量分布数据重建为三维剂量分布数据，得到粒子束流或照射野在三维空间上的剂量分布。
30.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
31.1、本发明提出的对粒子治疗设备进行qa快速测量的方法，不仅能够精准地测量纵向上粒子束的深度剂量分布，还能够在不同空间方向上测量纵向上的二维剂量分布，通过不同方向上二维分布数据重建三维分布，能够得到整个束流和照射野的三维剂量分布，从而可实现快速精准的束流及照射野三维结构的测量以及患者治疗计划的三维快速验证，达到粒子精准放射治疗的目的，为粒子治疗qa提供强有力的方法，保障粒子临床治疗安全有效的实施；本发明还可应用于粒子束探测的其他方面，例如束流纵向上二维结构的测量以及整个空间上三维结构的测量，提高检测效率和便捷性；
32.2、本发明能够实现快速的束流和照射野性能等多种指标的测量，为粒子治疗加速器定期的qa测量提供强有力的手段；
33.3、本发明通过二维分布测量及三维剂量重建，可获得照射野每个位置的照射剂量，从而实现患者粒子治疗计划快速准确的验证；
34.4、本发明能够实现精准、快速、便捷、高效及实时的粒子治疗qa测量，为粒子放射治疗基础数据获取、定期的束流性能检测及校验、患者治疗计划的剂量验证等提供有力手段，提高粒子治疗的效率；
35.综上，本发明的设备轻巧、安装方便、测量效率高且具有实时性，应用范围不仅限于粒子治疗领域，可以广泛地应用于粒子辐射的其他领域。
附图说明
36.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
37.图1是本发明实施例的剂量分布测量装置结构示意图；
38.图2是本发明实施例的发光材料单元及光信号采集单元结构图；
39.图3是本发明实施例的测量方法流程图；其中，
40.附图标记为：1、发光材料单元，11、发光材料表面涂层；2、光信号采集单元，21、第
一光信号采集单元，22、第二光信号采集单元，23、反光材料层，24、固定架；3、信号获取及数据处理单元；4、x方向光信号传输光缆；5、y方向光信号传输光缆；6、外壳；7、把手。
具体实施方式
41.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
42.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
43.尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
44.为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“前端”、“后端”、“顶部”、“底部”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
45.本实施例中定义z方向为粒子束流入射方向，x方向为水平方向，y方向为垂直方向。另外，本实施例纵向定义为粒子束流入射方向，横向为在垂直粒子束流入射的方向。
46.本发明提供的粒子治疗快速质量保证测量方法及剂量分布测量装置，该装置包括发光材料单元，发光材料单元数量设置为若干，若干块发光材料单元沿着粒子束流入射方向依次设置；光信号采集单元，光信号采集单元与发光材料单元对应设置，用于对粒子与发光材料单元相互作用发出的光信号进行采集；信号获取及数据处理单元，用于获取光信号采集单元的光信号并进行处理获得剂量分布。因此，本发明能够实现精准、快速、便捷、高效及实时的粒子治疗qa测量，为粒子放射治疗基础数据获取、定期的束流性能检测及校验、患者治疗计划的剂量验证等提供有力手段，提高粒子治疗的效率。
47.实施例1：如图1、图2所示，本实施例提供的剂量分布测量装置，包括若干块发光材料单元1、光信号采集单元2和信号获取及数据处理单元3。
48.若干块发光材料单元1沿着粒子束流入射方向依次紧贴设置形成发光材料单元整体；
49.每一块发光材料单元1的前端(厚度方向)均紧贴设置有预设曝光时间和增益的第
一光信号采集单元21，用于对粒子与发光材料单元相互作用发出的在x方向上的光信号进行采集；第一光信号采集单元21通过x方向光信号传输光缆4将采集的x方向的光强度信号发送到信号及数据处理单元3；
50.每一块发光材料单元1的顶部均设置有预设曝光时间和增益的第二光信号采集单元22，用于对粒子与发光材料单元相互作用发出的y方向的光信号进行采集；第二光信号采集单元22通过y方向光信号传输光缆5将y方向的光强信号发送到信号及数据处理单元3。
51.本发明的一些优选实施例中，每一块发光材料单元1的形状可以采用方形，以此为例，不限于此。每一块发光材料单元1的厚度可以为1～5mm。发光材料单元1可以采用闪烁体、晶体发光材料、掺杂发光材料的凝胶等，以此为例，不限于此。
52.进一步地，粒子与发光材料单元相互作用发出的光仅由位于发光材料单元1的侧面和顶部的光信号采集单元2进行获取，发光材料单元1的厚度以及光信号采集单元2的位置分辨率共同决定了剂量测量的位置分辨率。发光材料单元1的长度和宽度需要根据实际测量需要进行确定，例如横向上的尺寸要大于粒子束流的照射野尺寸，多块发光材料单元1构成的发光材料单元整体在纵向上厚度要大于粒子治疗加速器提供最高能量束流在发光材料介质中的射程。
53.本发明的一些优选实施例中，为了确保两块发光材料单元1之间光信号互不干扰，每块发光材料单元1的两侧面(束流入射方向)分别设置有发光材料表面涂层11，即采用黑色涂料将侧面涂黑。
54.本发明的一些优选实施例中，与光信号采集单元2相对的发光材料单元1即本实施例的发光材料单元1相应的后端及底部均涂有反光材料层23，以提高光信号的反射。进一步，第一光信号采集单元21和第二光信号采集单元22均可以通过相应的固定架24进行支撑固定。
55.本发明的一些优选实施例中，光信号采集单元2可以采用cmos光传感器，cmos光传感器的宽度与发光材料单元1的厚度相一致，cmos光传感器的长度与发光材料单元1在横向上的宽度相一致，以此为例，不限于此。
56.本发明的一些优选实施例中，信号获取及数据处理单元3将采集到的纵向上二维光强度分布通过灰度值转换为二维剂量分布，从而得到深度剂量分布，确定束流能量，得到束流在不同贯穿深度上的横向剂量分布。信号获取及数据处理单元3将不同空间方向上获取的纵向上二维光强度分布通过灰度值转换为不同空间方向上的二维剂量分布，并利用不同方向上二维分布数据通过三维重建算法，将不同空间方向上的二维剂量分布数据重建为三维剂量分布数据，得到粒子束流或照射野在三维空间上的剂量分布，从而通过放射治疗中对照射野均匀性和对称性等的定义确定不同贯穿深度上照射野的均匀性和对称性等指标。
57.本发明的一些优选实施例中，剂量分布测量装置还包括有外壳6，用于放置发光材料单元1和光信号采集单元2，外壳6的两侧还分别设置有把手7。
58.实施例2：如图3所示，本实施例还提供粒子治疗快速质量保证测量方法，包括：
59.s1、将剂量分布测量装置放置在粒子治疗加速器治疗室的等中心点位置处。
60.根据理论计算得到的粒子束流的射程，发光材料单元1整体放置厚度大于粒子束射程，例如对于能量低于430mev/u的碳离子束或235mev质子束，发光材料单元1例如塑料闪
烁体厚度为5mm，则塑料闪烁体薄块的数量为80个，将塑料闪烁体薄块带有黑色涂层的一面朝粒子束流方向。
61.s2、在无束流照射条件下，通过光信号采集单元2例如cmos光传感器对无束流照射时的本底信号进行探测，获得本底值，以便在信号及数据处理单元3处理数据时扣除本底信号。
62.s3、通过粒子治疗设备治疗控制系统预设一定剂量的粒子束进行照射例如1.0gy的剂量，达到预设剂量值后治疗控制系统将束流切断，停止照射。
63.s4、通过信号获取及数据处理单元3获取设定剂量粒子束照射后的x和y方向上cmos光传感器采集到的光强度信号，处理形成发光材料单元所得到的x方向和y方向上的二维剂量分布图像。
64.s5、根据x和y方向上的二维剂量分布图像，信号获取及数据处理单元3利用重建算法进行三维重建，从而获得束流的三维剂量分布图像，基于获取的三维剂量分布图像完成束流特征信息提取。
65.具体地，根据x或y方向上的二维剂量分布图像，可获得粒子束流的bragg峰位置，从而确定入射粒子束的能量；根据x和y方向上的二维剂量分布图像，可获得粒子束不同贯穿深度上的横向剂量分布，确定不同贯穿深度上的束斑大小或照射野的均匀性和对称性；根据重建三维剂量分布，可进一步确定整个照射场的性能。
66.综上所述，本实施例提出的粒子治疗快速质量保证测量方法，不仅可应用于粒子治疗当中，还可广泛地应于粒子辐射的其他领域中，进行束流性能的快速测量，提高测量的效率、实时性和便捷性。
67.最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。