一种平板能量探测装置、探测方法及加速器治疗装置与流程

本发明涉及加速器治疗装置，具体涉及一种平板能量探测装置、探测方法及加速器治疗装置。

背景技术：

随着肿瘤放射学与材料科学的发展，作为治疗癌症的一种重要手段，放疗逐步迈入精确定位、精确计划、精确治疗的“三精”时代。现有技术中，精确放疗技术从原来的三维适形放射治疗(CRT)发展到现在的容积调强放射治疗(VMAT)，放疗计划越来越复杂，对医用加速器输出精确性要求也越来越高。放射治疗中，医用加速器输出剂量的漂移、MLC走位不精确都有可能造成肿瘤患者靶区剂量不足或危机器官过剂量，严重影响肿瘤治愈率，这使得放疗计划的验证变得愈发重要。

传统的计划验证方式是在肿瘤病人放射治疗前将病人计划加载到固体水模中通过二维电离室测量模体内部某一平面的二维剂量，然后与计划系统计算得到的该平面的二维剂量进行对比以验证放疗治疗执行是否正确。该方法有两个缺点：

(1)需要物理师首先要架设验证模体和二维电离室，费时费力，增加物理师的工作负担，影响工作效率。

(2)治疗计划各射野角度需归零验证，无法确认按实际治疗计划角度照射时，放疗计划执行的精度。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种简单便捷、可靠的平板能量探测装置、探测方法及加速器治疗装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种平板能量探测装置，应用于加速器治疗设备上，包括：

平板成像模块；

剂量探测装置，所述剂量探测装置包括至少一个剂量探测单元，剂量探测装置设置于平板成像模块的下方。

针对现有放射治疗剂量验证方法费时、费力，无法验证实际照射角度下放疗计划执行精度的问题，提供了一种基于X射线成像平板探测器(平板成像模块)的快速剂量验证方法，物理师无需额外放置电离室和验证模体，无需射野角度归零，可按实际放疗计划模拟真实照射，实现精确剂量验证。

进一步的，所述剂量探测单元为电离室。

进一步的，所述剂量探测单元沿十字形排布、矩阵排布、螺旋形、或米字形排布。

进一步的，所述平板成像模块用于采集二维射线射野影像，射野影像经过灰度-通量转换模型转换为机头二维通量分布，并使用基于GPU的蒙特卡洛剂量算法gDPM，计算出3D剂量分布；同时剂量探测装置对射线剂量进行标定，获得绝对剂量；将二者结合得到3D绝对剂量分布。

本发明还一种平板能量探测方法，用于放射治疗剂量验证，步骤如下：

(1)设置如上述任一所述的平板能量探测装置和用于数据处理的运算平台；其中平板能量探测装置可随放射源同步旋转；

(2)放射治疗前按放疗计划参数要求进行照射，平板能量探测装置中的平板成像模块同步采集X射线信号，形成二维X射线射野影像；

(3)同时，剂量探测装置采集绝对剂量；

(4)通过灰度-通量转换模型将二维X射线射野影像转换为从射线源出来的束流的二维通量；

(5)将步骤(4)转换计算得到的二维通量输入到基于GPU的蒙特卡洛剂量计算引擎gDPM中进行计算出3D剂量；

(6)使用(5)中的3D剂量分布结果和(3)中测量的绝对剂量，计算3D绝对剂量分布。

进一步的，所述步骤(4)中将射野影像转换为二维通量后获得射野剂量影像，其采用的灰度-剂量转换模型不仅考虑平板探测器和固体等效水散射效应的差异对灰度-剂量刻度的影响，还考虑离轴能谱软化效应的影响；其中，散射效应差异通过与固体水和探测器散射核卷积、反卷积的方法修正，离轴能谱软化效应在灰度-通量转化时通过剂量转换因子CF(x，y)修正。

进一步的，通过剂量转换因子CF(x，y)修正的步骤如下：

一，将平板成像模块初步采集的二维射野影像进行背景和增益修正：

IFP(x，y)＝(Iraw(x，y)-DF(x，y))·GF(x，y)(1)

二、经过背景和增益修正后的二维射野影像与平板探测器散射核反卷积计算原射线引起的射野灰度影像：

IPS(x，y)＝IFP(x，y)·KFP(x，y)(2)

三、原射线射野灰度影像经过通量转换因子转换计算得到原射线的二维通量：

FM(x，y)＝IPS(x，y)·CF(x，y)(3)

其中，x，y为平板成像模块中各像素的坐标索引值；

Iraw(x，y)为平板成像模块直接采集的未处理二维射野影像灰度值；

DF(x，y)指本底影像，在出束前采集，排除平板成像模块各像素探测单位暗电流造成的本底信号；

GF(x，y)表示增益修正因子，修正平板成像模块各像素灵敏度差异；

IFP(x，y)为经过背景和增益校正处理后的二维射野影像灰度值；

KFP(x，y)为平板成像模块散射核，由实验测量拟合计算得到；

IPS(x，y)为由原射线引起的平板成像模块灰度值响应信号；

CF(x，y)为灰度值转剂量值的剂量转换因子，表征平板成像模块不同位置像素灰度值与剂量值的对应关系，修正平板成像模块能谱响应依赖性。

本发明还提供一种加速器治疗装置，所述加速器治疗装置包括治疗控制装置、主机架，还包括上述的平板能量探测装置。或采用上述任一所述的平板能量探测方法

进一步的，加速器治疗装置包括用于数据处理的运算平台，所述运算平台包括：

二维X射线射野影像成像控制模块，用于在放射治疗前按放疗计划参数要求进行照射，平板能量探测装置中的平板成像模块同步采集X射线信号，形成二维X射线射野影像；

绝对剂量采集控制模块，用于控制剂量探测装置采集绝对剂量；

二维通量计算模块，用于通过灰度-通量转换模型将二维X射线射野影像转换为从射线源出来的束流的二维通量；

3D剂量分布计算模块，用于将上述转换计算得到的二维通量输入到基于GPU的蒙特卡洛剂量计算引擎gDPM中进行计算出3D剂量分布结果；

3D绝对剂量分布计算模块，使用上述3D剂量分布结果和上述绝对剂量，计算3D绝对剂量分布。

进一步的，所述运算平台还包括修正模块，所述修正模块完成以下工作：通过与固体水和探测器散射核卷积、反卷积的方法修正散射效应差异，在灰度-通量转化时通过剂量转换因子CF(x，y)修正离轴能谱软化效应，其中通过剂量转换因子CF(x，y)修正的步骤如下：

一，将平板成像模块初步采集的二维射野影像进行背景和增益修正：

IFP(x，y)＝(Iraw(x，y)-DF(x，y))·GF(x，y)(1)

二、经过背景和增益修正后的二维射野影像与平板探测器散射核反卷积计算原射线引起的射野灰度影像：

IPS(x，y)＝IFP(x，y)·KFP(x，y)(2)

三、原射线射野灰度影像经过通量转换因子转换计算得到原射线的二维通量：

FM(x，y)＝IPS(x，y)·CF(x，y)(3)

其中，x，y为平板成像模块中各像素的坐标索引值；

Iraw(x，y)为平板成像模块直接采集的未处理二维射野影像灰度值；

DF(x，y)指本底影像，在出束前采集，排除平板成像模块各像素探测单位暗电流造成的本底信号；

GF(x，y)表示增益修正因子，修正平板成像模块各像素灵敏度差异；

IFP(x，y)为经过背景和增益校正处理后的二维射野影像灰度值；

KFP(x，y)为平板成像模块散射核，由实验测量拟合计算得到；

IPS(x，y)为由原射线引起的平板成像模块灰度值响应信号；

CF(x，y)为灰度值转剂量值的剂量转换因子，表征平板成像模块不同位置像素灰度值与剂量值的对应关系，修正平板成像模块能谱响应依赖性。

附图说明

图1是本发明加速器治疗装置的示意图；

图2、4-6是本发明平板能量探测装置的原理示意图；

图3是本发明工作原理示意图；

图7为电离室呈螺旋形排布的示意图；

图8为平板成像模块获得的二维影像板获取的原始图像Iraw(x，y)；

图9为影像板的卷积核KFP(x，y)某个分布图示例；

图10为去卷积之后的主射线的灰度图像IPS(x，y)示例；

图11为通量FM(x，y)示意图；

图12为由gDPM计算出的3D剂量分布中等中心层剂量等剂量曲线分布示意图；

图13为绝对剂量标定过程示意图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1.加速器；2.主机架；3.平板能量探测装置；4.治疗床；31平板成像模块；32、剂量探测装置；33、外壳；34、剂量探测单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的平板能量探测装置，应用于如图1所示的加速器治疗仪中，加速器1发出的射线经平板能量探测装置3实时监控能量变化曲线。加速器1和平板能量探测装置3均安装于主机架2上，并跟随主机架2同步绕等中心旋转，病患则躺在治疗床4上接受检查和治疗。

如图2、图4-7所示，平板能量探测装置，应用于加速器治疗设备上，包括：

平板成像模块31；

剂量探测装置32，所述剂量探测装置32包括至少一个剂量探测单元34，剂量探测装置32设置于平板成像模块31的下方。

其中，图2是将剂量探测装置直接安装32安装在平板成像模块31的下表面上，加速器发出的射线经过准直器约束射野后，先通过平板成像模块31，然后进入剂量探测装置32。

图4是在图2的基础上再加装一个外壳33，图5是将剂量探测装置32安装在外壳33的底部，而平板成像模块安装于外壳的上部。

图6是将剂量探测单元34(如电离室)按照十字形进行排布，一般而言，应该将十字交叉点的剂量探测单元对正射线的轴线。这样的排布，可以检测到有射线轴心开始向外侧延伸的不同区域的射线剂量绝对值。图6中剂量探测单元是对称排布的，这样，由射线轴心向外延展的等距位置上有四个剂量探测单元4。为了用最少的剂量探测单元获取更精细的数据(相当于由射线轴心向外延展的过程中，设置更多的不同距离的探测点)，每个剂量探测单元34距离射线轴心的距离是不等的，这样，多少个剂量探测单元34就可以获得多少个距离射线轴心不同距离的剂量绝对值，当然，通过设置，也可以在某个距离设置一个或多个剂量探测单元34，并放置在以射线轴心为圆心的圆周的不同位置上。

图7中，将剂量探测单元34按照一个螺旋线进行排布，这样可以获得沿射线轴心向外延续的不同距离和不同方向上较均匀的射线剂量绝对值的探测。当然，如果需要，可以采用双螺旋来获得每个相等距离上都有两个剂量探测单元34，以获得更精细的数据探测，三个或4个同理。

针对现有放射治疗剂量验证方法费时、费力，无法验证实际照射角度下放疗计划执行精度的问题，提供了基于X射线成像平板探测器(平板成像模块)的快速剂量验证方法，物理师无需额外放置电离室和验证模体，无需射野角度归零，可按实际放疗计划模拟真实照射，实现精确剂量验证。

在实际应用中，所述剂量探测单元34可以选择电离室，也可以选择其他探测射线剂量的传感器，用以采集绝对剂量。关于绝对剂量与相对剂量的解释如下：剂量是射线传过物质，物质吸收的能量，这个能量，可以通过物理化学方法测量，电离室是临床应用最为普遍的一种测量剂量的工具，在标准状态下进行刻度之后，可以准确的测量剂量，这个我们一般称之为绝对剂量，对于没有进行刻度的电离室，或者其他设备测量的结果，由于没有参照系，我们一般认为其不是绝对剂量，称其为相对剂量。

在实际应用中，所述剂量探测单元34可以采用沿十字形排布(如图6所示的示例)、矩阵排布、螺旋形(如图7所示的示例)、或米字形排布，或者其他满足需要的排布方式。

在实际应用中，所述平板成像模块用于采集二维射线射野影像，射野影像经过灰度-通量转换模型转换为机头二维通量分布，并使用基于GPU的蒙特卡洛剂量算法gDPM，计算出3D剂量分布；同时剂量探测装置对射线剂量进行标定，获得绝对剂量；将二者结合得到3D绝对剂量分布。

本发明还提供平板能量探测方法，结合上述的平板能量探测装置，用于放射治疗剂量验证，步骤如下：

(1)设置上述任一所述的平板能量探测装置和用于数据处理的运算平台；其中平板能量探测装置可随放射源同步旋转；

(2)放射治疗前按放疗计划参数要求进行照射，平板能量探测装置中的平板成像模块同步采集X射线信号，形成二维X射线射野影像；

(3)同时，剂量探测装置采集绝对剂量；

(4)通过灰度-通量转换模型将二维X射线射野影像转换为从射线源出来的束流的二维通量；

(5)将步骤(4)转换计算得到的二维通量输入到基于GPU的蒙特卡洛剂量计算引擎gDPM中进行计算出3D剂量；

(6)使用(5)中的3D剂量分布结果和(3)中测量的绝对剂量，计算3D绝对剂量分布。

在实际应用中，具体可以采用如下方法：根据(5)中计算的3D剂量，从中插值计算出电离室所在位置的相对剂量值RD，与(3)中测量的剂量对比，计算出绝对剂量校正因子AF，将AF作用于(5)中计算的结果，则可得到3D绝对剂量分布；

如图3所示，其工作过程(或方法过程)如下，加速器出束射线，平板成像模块(如EPID)采集到经过准直器控制射野的二维射线射野影像，同时，剂量探测装置中的剂量探测单元(如电离室)采集射线的绝对剂量。平板成像模块采集的影像经过影像到通量的转换，在通过gDPM将通量换算为3D剂量分布，最后将3D剂量分布结果和剂量探测装置中测量的绝对剂量，计算出3D绝对剂量分布。

在实际应用中，可以进一步考虑以下内容，所述步骤(4)中将射野影像转换为二维通量后获得射野剂量影像，其采用的灰度-剂量转换模型不仅考虑平板探测器和固体等效水散射效应的差异对灰度-剂量刻度的影响，还考虑离轴能谱软化效应的影响；其中，散射效应差异通过与固体水和探测器散射核卷积、反卷积的方法修正，离轴能谱软化效应在灰度-通量转化时通过剂量转换因子CF(x，y)修正。

进一步的，通过通过剂量转换因子CF(x，y)修正的步骤如下：

一，将平板成像模块初步采集的二维射野影像进行背景和增益修正：

IFP(x，y)＝(Iraw(x，y)-DF(x，y))·GF(x，y)(1)

二、经过背景和增益修正后的二维射野影像与平板探测器散射核反卷积计算原射线引起的射野灰度影像：

IPS(x，y)＝IFP(x，y)·KFP(x，y)(2)

三、原射线射野灰度影像经过通量转换因子转换计算得到原射线的二维通量：

FM(x，y)＝IPS(x，y)·CF(x，y)(3)

其中，x，y为平板成像模块中各像素的坐标索引值；

Iraw(x，y)为平板成像模块直接采集的未处理二维射野影像灰度值；

DF(x，y)指本底影像，在出束前采集，排除平板成像模块各像素探测单位暗电流造成的本底信号；

GF(x，y)表示增益修正因子，修正平板成像模块各像素灵敏度差异；

IFP(x，y)为经过背景和增益校正处理后的二维射野影像灰度值；

KFP(x，y)为平板成像模块散射核，由实验测量拟合计算得到；

IPS(x，y)为由原射线引起的平板成像模块灰度值响应信号；

CF(x，y)为灰度值转剂量值的剂量转换因子，表征平板成像模块不同位置像素灰度值与剂量值的对应关系，修正平板成像模块能谱响应依赖性。

图8到图13是上述方法过程的图示。其中：

图8所示的为平板成像模块获得的二维影像板获取的原始图像Iraw(x，y)，黑色区域代表平板上没有被射线照射到的区域。或称为本底。灰色部分为采集到的有效数据。

图9为影像板的卷积核KFP(x，y)某个分布图示例。

图10为去卷积之后的主射线的灰度图像IPS(x，y)示例。

图11为通量FM(x，y)示意图。

图12为由gDPM计算出的3D剂量分布中等中心层剂量等剂量曲线分布示意图，其中不同颜色的轮廓线表示不同的等剂量线(或称为等剂量值)。

图13为绝对剂量标定过程示意图。图中曲线为计算的相对剂量曲线，图中的圆点代表电离室测量到的绝对剂量。

本发明还提供一种加速器治疗装置，所述加速器治疗装置包括治疗控制装置、主机架，还包括上述的平板能量探测装置。或采用上述任一所述的平板能量探测方法

进一步的，加速器治疗装置包括用于数据处理的运算平台，所述运算平台包括：

二维X射线射野影像成像控制模块，用于在放射治疗前按放疗计划参数要求进行照射，平板能量探测装置中的平板成像模块同步采集X射线信号，形成二维X射线射野影像；

绝对剂量采集控制模块，用于控制剂量探测装置采集绝对剂量；

二维通量计算模块，用于通过灰度-通量转换模型将二维X射线射野影像转换为从射线源出来的束流的二维通量；

3D剂量分布计算模块，用于将上述转换计算得到的二维通量输入到基于GPU的蒙特卡洛剂量计算引擎gDPM中进行计算出3D剂量分布结果；

3D绝对剂量分布计算模块，使用上述3D剂量分布结果和上述绝对剂量，计算3D绝对剂量分布。

进一步的，所述运算平台还包括修正模块，所述修正模块完成以下工作：通过与固体水和探测器散射核卷积、反卷积的方法修正散射效应差异，在灰度-通量转化时通过剂量转换因子CF(x，y)修正离轴能谱软化效应，其中通过剂量转换因子CF(x，y)修正的步骤如下：

一，将平板成像模块初步采集的二维射野影像进行背景和增益修止：

IFP(x，y)＝(Iraw(x，y)-DF(x，y))·GF(x，y)(1)

二、经过背景和增益修正后的二维射野影像与平板探测器散射核反卷积计算原射线引起的射野灰度影像：

IPS(x，y)＝IFP(x，y)·KFP(x，y)(2)

三、原射线射野灰度影像经过通量转换因子转换计算得到原射线的二维通量：

FM(x，y)＝IPS(x，y)·CF(x，y)(3)

其中，x，y为平板成像模块中各像素的坐标索引值；

Iraw(x，y)为平板成像模块直接采集的未处理二维射野影像灰度值；

DF(x，y)指本底影像，在出束前采集，排除平板成像模块各像素探测单位暗电流造成的本底信号；

GF(x，y)表示增益修正因子，修正平板成像模块各像素灵敏度差异；

IFP(x，y)为经过背景和增益校正处理后的二维射野影像灰度值；

KFP(x，y)为平板成像模块散射核，由实验测量拟合计算得到；

IPS(x，y)为由原射线引起的平板成像模块灰度值响应信号；

CF(x，y)为灰度值转剂量值的剂量转换因子，表征平板成像模块不同位置像素灰度值与剂量值的对应关系，修正平板成像模块能谱响应依赖性。

其工作原理如前所述，不再赘述。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。