用于电子线的施源器的制作方法

1.本实用新型属于放射治疗技术领域，尤其涉及一种用于电子线的施源器。


背景技术：

2.在一个典型的电子束中放疗过程中，外科医生用手术刀将病人体内的肿瘤进行切除后，放疗医生设定加速器的能量与照射野范围，通过对x射线的剂量分布进行调制后，使x射线均匀照射至瘤床的表面，从而达到杀死肿瘤细胞，控制肿瘤生长的目的。然而，采用x射线进行放射治疗只能实现非平面剂量分布的照射，对于乳腺癌、脑瘤等球囊状肿瘤，在外壳医生将肿瘤切除后，会在瘤床上形成球形空腔，采用目前现有的医疗手段无法使瘤床的表面受到均匀的剂量照射。


技术实现要素：

3.针对现有技术的上述缺陷或不足，本实用新型提供了一种用于电子线的施源器，能够使电子线在非平面上形成均匀的剂量照射，进而达到对囊状肿瘤进行放射治疗的目的。
4.为了实现上述目的，本实用新型提供一种用于电子线的施源器，包括：调制器，包括中空器形腔；限束器，为中空柱筒并连通中空器形腔；散射箔，设置于限束器与调制器之间的连通接口处，调节件，设置于中空器形腔内以调整调制器的等效密度。
5.在本实用新型的实施例中，调节件包括多个气凝胶微球，多个气凝胶微球均匀填充于中空器形腔内。
6.在本实用新型的实施例中，调节件包括气囊，气囊与限束器相连并伸入中空器形腔内。
7.在本实用新型的实施例中，气囊为球缺形和椭球缺形。
8.在本实用新型的实施例中，限束器为圆管或方管。
9.在本实用新型的实施例中，限束器与调制器的连接方式包括硬连接和基于光学联锁的软连接。
10.在本实用新型的实施例中，硬连接的形式包括卡扣连接、螺纹连接中的任一种，软连接包括通过光学控制使得限束器与调制器的开口端对齐。
11.在本实用新型的实施例中，调制器的材质包括有机玻璃、塑料、亚克力中的任一种，限束器的材质包括机玻璃、塑料、亚克力中的任一种。
12.在本实用新型的实施例中，散射箔的材质包括钨、铅、有机玻璃、塑料中的任一种。
13.在本实用新型的实施例中，散射箔的材质为钨或铅时，散射箔的厚度介于0.1mm-1mm之间；散射箔的材质为有机玻璃或塑料时，散射箔的厚度介于1mm-10mm之间。
14.通过上述技术方案，本实用新型实施例所提供的用于电子线的施源器具有如下的有益效果：
15.通过将调制器置入瘤床内，并由限束器对电子线进行限制，电子线在照射至调制
器内时，先经过散射箔进行散射，使散射箔对电子线进行一次调制，使电子线在调制器内形成多条均匀的等剂量线，再由调节件对调制器内的等效密度进行调整，从而其中一条等剂量线完全覆盖于中空器形腔上，最后，等剂量线透过中空器形腔之后，在瘤床的表面形成均匀的剂量照射，从而杀死瘤床上的肿瘤细胞，控制肿瘤生长。
16.本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
17.附图是用来提供对本实用新型的理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
18.图1是本根据实用新型一实施例用于电子线的施源器的简易结构示意图；
19.图2是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器中调节件为气凝胶微球的简易结构示意图；
20.图3是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器中调节件为气囊的简易结构示意图；
21.图4是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器的剂量调制方法的流程图；
22.图5是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器中线性能量传输系数曲线图；
23.图6是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器中经过保形变换的等剂量线与调制器的曲线图；
24.图7是步骤s4中的进一步流程图；
25.图8是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器中采用气凝胶微球进行等效密度调制的蒙卡计算分布图；
26.图9是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器中采用气囊进行等效密度调制的蒙卡计算分布图；
27.图10是步骤s1之前的步骤流程图；
28.图11是步骤s4之后的步骤流程图。
29.附图标记说明
[0030]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
限束器
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散射箔
[0031]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
调制器
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气凝胶微球
[0032]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
气囊
具体实施方式
[0033]
以下结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
[0034]
下面参考附图描述根据本实用新型的用于电子线的施源器。
[0035]
图1是本根据实用新型一实施例用于电子线的施源器的简易结构示意图。图2是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器中调节件为气凝胶微球的简易结构示意图。图3是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器中调节件为气囊的简易结构示意图。如图1-图3所示，在本实用新型的实施例中，提供一种用于电子线的施源器，包括：调制器3，包
括中空器形腔；限束器1，为中空柱筒并连通中空器形腔；散射箔2，设置于限束器1与调制器3之间的连通接口处，调节件，设置于中空器形腔内以调整调制器3的等效密度。
[0036]
通过将限束器1设置为中空柱筒状，在调制器3内设置中空器形腔，从而在将限束器1与调制器3连接之后，可使电子线经过限束器1后，使限束器1对电子线的范围进行限制，进而使电子线达到调制器3的中空器形腔内，并在中空器形腔内形成多条等剂量线。当电子线达到调制器3内的中空器形腔内时，若不对电子线进行调制，则此时中空器形腔内的等剂量线并不能完全覆盖于中空器形腔上，进而导致等剂量线透过中空器形腔之后无法在瘤床的表面形成均匀的剂量照射。因此，在限束器1和调制器3之间设置散射箔2，从而使电子线进入调制器3之前，由散射箔2对电子线进行调制，以提高电子线的散射角度，从而使电子线的分布能够尽可能的覆盖于中空器形腔上，同时，根据等剂量线与中空器形腔之间的偏差，将调节件放入中空器形腔内，从而使调节件对等剂量线进行调制，以使等剂量线完全覆盖于中空器形腔上，进而使等剂量线透过中空器形腔之后，在瘤床的表面形成均匀的剂量照射。
[0037]
在本实用新型的实施例中，使用施源器在对患者进行放射治疗时，先由外科医生用手术刀将病人体内的乳腺癌或溜等球囊状的肿瘤切除，进而根据切除肿瘤后在瘤床上形成的空腔大小选用适当尺寸的调制器3，并将调制器3放入空腔内，进而，通过电子线放疗设备向限束器1内照射电子线，使电子线经过散射箔2后形成散射，并使散射后的电子线达到中空器形腔内形成多条等剂量线，通过中空器形腔内的调节件对多条等剂量线进行调制，使其中一条等剂量线完全覆盖于中空器形腔上，最后，等剂量线透过中空器形腔之后，在瘤床的表面形成均匀的剂量照射，从而杀死瘤床上的肿瘤细胞，控制肿瘤生长。
[0038]
在本实用新型的实施例中，限束器1为圆管或方管，限束器1的一端连接在加速器的出口上，以使由加速器出口照射出的电子线进入限束器1内，从而限制电子线的照射范围，限束器1的另一端与调制器3连接，从而使电子线照射至调制器3内。其中限束器1与调制器3的连接方式包括硬连接和基于光学联锁的软连接。
[0039]
在本实用新型的实施例中，硬连接即为物理形式的连接，如卡扣连接、螺纹连接中的任一种，只要能够实现限束器1和调制器3之间的相对固定，并且保证限束器1内的电子线能够照射至调制器3内即可。
[0040]
在本实用新型的实施例中，软连接包括通过光学控制使得限束器1与调制器3的开口端对齐，以使限束器1和调制器3在软连接的作用下，使电子线在照射至调制器3内，其中，软连接为本领域技术人员的公知技术，在此不作赘述。
[0041]
在本实用新型的实施例中，调制器3为球囊状，并在调制器3的内部形成中空器形腔内，调制器3与限束器1连接的一端设置有开口，并形成开口端，从而使限束器1与开口端连接，以供电子线从限束器1内经过开口端照射至调制器3内，也即供电子线照射至中空器形腔内。
[0042]
在本实用新型的实施例中，调制器3的材质包括有机玻璃、塑料、亚克力中的任一种，限束器1的材质包括机玻璃、塑料、亚克力中的任一种。有机玻璃、塑料、亚克力材料的原子量小，密度接近于水，将其作为调制器3和限速器的材料可减少对电子线的散射作用及衰减。
[0043]
在本实用新型的实施例中，散射箔2的材质包括钨、铅、有机玻璃、塑料中的任一
种，以通过散射箔2对从限束器1进入调制器3内的电子线进行调制，从而提高电子线进入调制器3内的散射角度。当散射箔2的材质为钨或铅时，由于钨、铅的密度较大，因此可调整散射箔2的厚度为亚毫米级，也即散射箔2的厚度介于0.1mm-1mm之间，以对电子线进行散射。当散射箔2的材质为有机玻璃或塑料时，由于有机玻璃、塑料的密度较小，因此可调整散射箔2的厚度为毫米级，也即散射箔2的厚度介于1mm-10mm之间，以对电子线进行散射。
[0044]
在本实用新型的实施例中，调节件包括多个气凝胶微球4，多个气凝胶微球4均匀填充于中空器形腔内，以对调制器3的等效密度进行调整，从而使调制器3内的等剂量线与调制器3的轮廓重合，也即，使等剂量线完全覆盖中空器形腔上，进而在等剂量线透过调制器3后在瘤床的表面形成均匀的剂量照射，从而达到杀死瘤床上的肿瘤细胞，控制肿瘤生长的目的。
[0045]
可以理解，气凝胶微球4为气凝胶组成的球状颗粒，气凝胶微球4的密度极小(气凝胶微球4的密度约为空气的2.75倍)，从而可减少甚至忽略气凝胶微球4对等剂量线的影响。进而，在检测出等剂量线与调制器3的轮廓没有重合时，可通过用于施源器的剂量调制方法，确定出调制器3需要调整的等效密度差值，进而通过计算出相同等效密度差值的气凝胶微球4的数量，并将气凝胶微球4均匀填充于中空器形腔内，以达到对中空器形腔内等效密度的调整。
[0046]
在本实用新型的实施例中，调节件包括气囊5，气囊5与限束器1相连并伸入中空器形腔内。气囊5内填充有空气，电子线经过散射箔2照射至调制器3内时经过气囊5，从而在气囊5的作用下达到对等剂量线进行微调的作用。进而，在检测出等剂量线与调制器3的轮廓没有重合时，可通过用于施源器的剂量调制方法，确定出调制器3需要调整的等效密度差值，进而通过计算出相同等效密度差值的气囊5的体积，并将气囊5伸入中空器形腔内与限束器1连接，以达到对中空器形腔内等效密度的调整。
[0047]
在本实用新型的实施例中，气囊5为球缺形和椭球缺形，也即气囊5由球形或椭球形被一平面截出开口，气囊5伸入中空器形腔内，且气囊5的开口与限束器1相连，以使限束器1内的电子线经过散射箔2照射至调制器3内时经过气囊5，从而在气囊5的作用下达到对等剂量线进行微调的作用。
[0048]
图4是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器的剂量调制方法的流程图。如图4所示，在本实用新型的实施例中，提供一种用于施源器的剂量调制方法，施源器包括电子线依次经过的限束器1、散射箔2和调制器3，调制方法包括以下步骤：
[0049]
s1：确定电子线在调制器3的内部的等剂量线的剂量分布；
[0050]
s2：选择任一条等剂量线作为目标剂量的等剂量线；
[0051]
s3：通过保形变换使目标剂量的等剂量线与调制器3的轮廓重合；
[0052]
s4：根据保形变换前后的目标剂量的等剂量线，调整调制器3的等效密度。
[0053]
首先，根据施源器建立物理模型，以geant4(geometry and tracking，几何和跟踪，一款可用于模拟粒子在物质中输运的物理过程的软件)进行建模为例，将施源器的相关参数输入值模型中，并通过模拟确定出电子线在调制器3内的等剂量线的剂量分布。然后，通过选择其中任一条等剂量线作为目标剂量的等剂量线，通过对目标剂量的等剂量线进行保形变换，使目标剂量的等剂量线与调制器3的轮廓重合。最后，根据经过保形变换前后的目标剂量的等剂量线确定出需要对调制器3密度进行调整的等效密度差值，并将相同等效
密度差值的调节件放入调制器3内，以达到对调制器3等效密度的调整的目的。
[0054]
通过用于施源器的剂量调制方法对调制器3的等效密度进行调整，从而可使目标剂量的等剂量线完全覆盖于中空器形腔上，进而，目标剂量的等剂量线透过中空器形腔之后，在瘤床的表面形成均匀的剂量照射，从而达到杀死瘤床上的肿瘤细胞，控制肿瘤生长的目的。
[0055]
在本实用新型的实施例中，调制方法还包括：在确定电子线在调制器3的内部的等剂量线的剂量分布之前，通过公式：φ＝φ0exp(-cρd)确定电子线穿过散射箔2时的电子线通量的衰减；其中，c为常量，ρ为散射箔2的密度，d为散射箔2的厚度。
[0056]
图5是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器中等剂量线与调制器的曲线图。如图5所示，在确定电子线穿过散射箔2时的电子线通量的衰减之后，确定电子线穿过散射箔2时的电子能量损失，并根据电子能量损失在4mev到20mev的范围内调整电子线的电子能量。
[0057]
由于电子线在散射箔2中沉积能量的大小取决与电子能量和电子线的通量，通过上述公式，从而根据电子线在穿过不同材质和厚度的散射箔2电子线的通量，对散射箔2的厚度和选材进行优化，电子线经过散射箔2后的衰减，进而确定出电子线穿过散射箔2后的电子线的通量。将电子的能量和能量沉积的关系用线性能量传输系数let(linear energy transfer)表示，并建立线性能量传输系数曲线图，从图5中可确定电子能量在4mev到20mev的区间范围内，线性能量传输系数let接近为恒定值，进而在对施源器进行优化时，可暂且不考虑电子能量损失对剂量分布的影响。
[0058]
图6是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器中经过保形变换的等剂量线与调制器的曲线图。如图6所示，在本实用新型的实施例中，通过保形变换使目标剂量的等剂量线与调制器3的轮廓重合包括：通过映射矩阵
[0059][0060]
将目标剂量的等剂量线上的坐标点转换至调制器3的轮廓上，其中表示目标剂量的等剂量线，也即图6中的曲线1，表示调制器3的轮廓线，也即图6中的曲线2，曲线1经过映射矩阵变换后形成与曲线2基本重合曲线3，也即目标剂量的等剂量线经过映射矩阵变换后与调制器3的轮廓线基本重合。
[0061]
图7是步骤s4中的进一步流程图。如图7所示，在本实用新型的实施例中，根据保形变换前后的目标剂量的等剂量线，调整调制器的等效密度包括：
[0062]
s41：通过引入一个单位正方体，并对正方体进行保形变换；
[0063]
s42：根据变换前后的正方体的体积比值确定变换前后的调制器3的密度比；
[0064]
s43：根据确定出的调制器3的密度比，选择相应的调节件放入调制器3内。
[0065]
通过引入一个单位正方体，并对正方体进行保形变换，从而可确定出正方体在进
行保形变换前后的体积比，进而由正方体的体积比确定出调制器3经过保形变换前后的密度比，最后根据调制器3的密度比选择相应的调节件放入调制器3内，以对调制器3的密度进行调制，从而达到对调制器3等效密度进行调整的目的。
[0066]
图8是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器中采用气凝胶微球进行等效密度调制的蒙卡计算分布图。图9是根据本实用新型一实施例用于电子线的施源器中采用气囊进行等效密度调制的蒙卡计算分布图。如图8-图9所示，为了方便计算，可将单位正方体的密度调整为标准大气压下的空气密度。调节件可以为均匀填充于调制器3内的多个气凝胶微球4，也可以为与限束器1对位连接气囊5，通过气凝胶微球4或者气囊5放入调制器3内并对调制器3的密度进行调制。如图8所示，将多个气凝胶微球4均匀填充于调制器3内时，通过蒙卡计算算出目标剂量的等剂量线最大值为1.295pgy。如图9所示，将气囊5放入调制器3内时，通过蒙卡计算算出目标剂量的等剂量线最大值为1.143pgy。
[0067]
图10是步骤s1之前的步骤流程图。如图10所示。在本实用新型的实施例中，调制方法还包括：
[0068]
s01：根据瘤床的形状对调制器3的形状、尺寸及选材进行设计；
[0069]
s02：根据调制器3的设计尺寸对限束器1的尺寸和选材进行设计；
[0070]
s03：根据调制器3和限束器1的设计尺寸对散射箔2的尺寸和选材进行设计。
[0071]
首先，根据瘤床的形状通过调制器3的形状、尺寸以及选材进行设计，以使调制器3的轮廓能够与瘤床的表面贴合，进而根据设计好的调制对限束器1尺寸和选材进行设计，使限束器1能够与调制器3进行连接，并使经过限束器1的电子线能够照射至调制器3内，然后，根据设计好的调制器3和限束器1对散射箔2尺寸和选材进行设计，使电子线进入调制器3之前，能够在散射箔2的散射作用下对电子线进行散射。最后，根据设计好的施源器，通过建立物理模型将设计好的施源器输入至模型中进行建模，进而确定出电子线在调制器3内部的等剂量线的剂量分布。
[0072]
其中，调制器3的材质可以选用有机玻璃、塑料、亚克力中的任一种，限束器1的材质可以选用机玻璃、塑料、亚克力中的任一种，散射箔2的材质可以选用钨、铅、有机玻璃、塑料中的任一种。
[0073]
图11是步骤s4之后的步骤流程图。如图11所示，在本实用新型的实施例中，调制方法还包括：
[0074]
s5：在调整调制器3的等效密度之后，验证目标剂量的等剂量线与调制器3的轮廓是否存在偏差；
[0075]
s6：在验证目标剂量的等剂量线与调制器3的轮廓存在偏差时，对施源器进行微调。
[0076]
通过建立的物理模型模拟出经过等效密度调制的调制器3后，在建立的物理模型基础上对目标剂量的等剂量线进行模拟验证，以验证出目标剂量的等剂量线与调制器3的轮廓之间是否存在偏差，在验证出目标剂量的等剂量线与调制器3的轮廓之间不存在偏差时，即可使用设计好的施源器对患者进行放射治疗，当验证出目标剂量的等剂量线与调制器3的轮廓之间存在偏差时，即可根据目标剂量的等剂量线与调制器3的偏差值对施源器进行微调，例如，当目标剂量的等剂量线位于调制器3的轮廓外时，则需要提高调制器3的密度，此时，可通过将调制器3的材质替换为相比密度更高的材料(如铝、ptfe等)，或者在调制
器3内放入密度更高的调节件，从而实现对施源器进行微调。
[0077]
其中，对施源器进行微调后，通过优化算法确定目标剂量的等剂量线的最优解，优化算法包括参数扫描、遗传算法中的任一种。可以理解，目标剂量的等剂量线的最优解即为目标剂量的等剂量线与调制器3的轮廓重合时的最大值，参数扫描、遗传算法为本领域技术人员的公知算法，在此不作赘述。
[0078]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0079]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0080]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。
[0081]
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。