一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统的制作方法

1.本实用新型涉及核医学技术领域，更具体的说是涉及一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统。


背景技术：

2.目前，放射性同位素应用已经成为现代医学的重要组成部分，为防病、治病提供了一个强有力的技术手段。目前,全世界生产的放射性同位素(亦称“放射性核素”)产品80％被用于医学领域。利用放射性核素及其标记化合物对疾病进行诊断和研究是20世纪50年代以后迅速发展起来的现代医学重要诊断技术之一。1942年hamilton首次报道131i治疗甲亢，60余年以来,全世界接受131i治疗甲亢的患者已超过300万。131i治疗的范围逐渐扩大，在美国等北美国家,131i已是治疗甲状腺功能亢进症病最常用的方法。通过对国内外相关技术的调研发现，在核医学和核安保领域针对内放疗患者全身辐射剂量检测的产品和系统还没有相对成熟的产品，相关技术也多以单点辐射剂量监测为主。因此，根据当前新形势下核安保的实际需求，如何提供一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型提供了一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统，通过对患者全身辐射剂量扫描检测，能够快速地获得放射性药物在患者体内的分布情况。
4.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
5.一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统，包括：检测舱、扫描装置和上位机；所述扫描装置安装在所述检测舱内部；所述上位机位于所述检测舱外部；
6.所述扫描装置包括扫描架和探测器矩阵；所述扫描架上竖直安装有滑动轨道；所述探测器矩阵安装在所述滑动轨道上，并与所述滑动轨道转动连接，同时沿所述滑动轨道上下移动；所述探测器矩阵的转动平面与上下移动方向相平行；
7.所述扫描架底部的中心位置处安装有检测区域平台；所述探测器矩阵的探测方向水平朝向所述检测区域平台；
8.所述上位机与所述探测器矩阵通信连接；所述探测器矩阵用于扫描位于所述检测区域平台上的被探测对象的三维扫描数据，所述上位机根据所述三维扫描数据，生成被探测对象体表的辐射场空间分布情况；所述三维扫描数据包括三维辐射剂量数据和三维立体坐标数据。
9.优选的，在上述一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统中，所述检测舱为屋状结构。
10.优选的，在上述一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统中，所述检测舱具有滑动式封闭舱门和通风换气通道；所述检测舱的外壁由外而内依次由铁板、铅板、隔板、铜板和有机玻璃板层叠构成。
11.优选的，在上述一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统中，所述铅板的厚度为15cm；所述隔板和所述铜板的厚度为1mm；所述有机玻璃板的厚度为3mm。
12.优选的，在上述一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统中，所述检测区域平台为360度旋转平台。
13.优选的，在上述一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统中，所述探测器矩阵由多个辐射剂量探测器并排排列组成，且每个所述辐射剂量探测器均配备有红外测距装置；每个所述辐射剂量探测器和所述红外测距装置均与所述上位机通信连接；所述辐射剂量探测器用于扫描被探测对象的三维辐射剂量数据；所述红外测距装置用于扫描被探测对象的三维立体坐标数据。
14.优选的，在上述一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统中，所述辐射剂量探测器包括准直器、闪烁体、光电倍增管和外围测量电路；所述闪烁体和所述光电倍增管组成闪烁探测器；所述准直器安装在所述闪烁体的前端，其用于将被探测对象发出的入射射线进行限束，并引导至所述闪烁体的探测端面；所述闪烁体的探测端面具有碘化钠晶体层；所述碘化钠晶体层接收被探测对象发出的入射射线，并发出能量与入射射线能量成比例的闪烁光；所述光电倍增管在所述闪烁光的激发下产生光电子，并对产生的光电子进行倍增，生成电信号；所述外围测量电路对所述电信号进行模数转换和数据处理，得到被探测对象的三维辐射剂量数据，并传输至所述上位机。
15.优选的，在上述一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统中，所述外围测量电路包括：升压/降压变压器、高压电源、线性放大器、甄别成形电路和微处理器；所述升压/降压变压器与外供电源连接，其用于将外供电源输出的电压进行升压/降压处理后，为所述线性放大器、所述甄别成形电路和所述微处理器供电；所述升压/降压变压器输出的电压经所述高压电源升压后，为所述闪烁探测器供电；所述闪烁探测器产生的电信号依次传输至所述线性放大器、所述甄别成形电路和所述微处理器，并经所述微处理器进行模数转换和数据处理后，生成被探测对象的三维辐射剂量数据，并传输至所述上位机。
16.优选的，在上述一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统中，所述上位机中安装有数据分析子系统；所述数据分析子系统用于将所述探测器矩阵扫描到的被探测对象的三维辐射剂量数据对应叠加至被探测对象的三维立体坐标数据中，得到被探测对象体表离散的辐射场空间分布情况，并以不同颜色显示不同的辐射等级。
17.优选的，在上述一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统中，所述上位机中还加载有预先构建的神经网络模型；所述神经网络模型用于根据所述探测器矩阵扫描到的三维扫描数据，得到被探测对象的辐射剂量分布；或根据被探测对象的内放疗时间，预测被探测对象当前的辐射剂量数值。
18.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统，检测舱可屏蔽环境天然本底辐射对测量的影响并消除外界辐射在屏蔽中产生的特征辐射；探测器矩阵通过上下移动可适应不同身高，并能360
°
旋转扫描，被检核医疗患者位于检测区域平台上，探测器矩阵每扫描一周可同时获取很多点位的数据，扫描一周后，由上向下竖直移动一定距离，接着旋转扫描检测，从头到脚直至扫描结束，以获取全身辐射剂量场的分布数据。本实用新型通过对患者全身辐射剂量扫描检测，方便快速的获得放射性药物在患者体内的分布情况，根据检测结果智能分析快速计算
出放射性药物的生理代谢排除和放射性自发衰变周期，结合辐射防护原则给出与患者接触的安全防护距离及药物衰减所需的有效半减期，为患者的辐射监测以及出院条件提供依据参考。本实用新型还可通过神经网络学习方法预测患者体内放射性药物摄取过程，为内放疗诊疗指导提供科学参考数据，辅助医生制定诊疗方案。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
20.图1附图为本实用新型提供的核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统的结构示意图；
21.图2附图为本实用新型提供的核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统的原理框图；
22.图3附图为本实用新型提供的扫描装置的结构示意图；
23.图4附图为本实用新型提供的探测器矩阵的结构示意图；
24.图5附图为本实用新型提供的单个辐射剂量探测器的结构示意图；
25.图6附图为本实用新型提供的外围测量电路的结构示意图；
26.图7附图为本实用新型提供的辐射场空间分布图。
具体实施方式
27.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.如图1-3所示，本实用新型实施例公开了一种核医学内放疗辐射剂量检测及诊疗系统，包括：检测舱1、扫描装置2和上位机3；扫描装置2安装在检测舱1内部；上位机3位于检测舱1外部；
29.扫描装置2包括扫描架21和探测器矩阵22；扫描架21上竖直安装有滑动轨道211；探测器矩阵22安装在滑动轨道211上，并与滑动轨道211转动连接，同时沿滑动轨道211上下移动；探测器矩阵22的转动平面与上下移动方向相平行；
30.扫描架21底部的中心位置处安装有检测区域平台212；探测器矩阵22的探测方向水平朝向检测区域平台212；检测区域平台212为360度旋转平台。扫描架21采用立柱式框架结构，滑动轨道211沿扫描架21的竖直方向安装在扫描架21的正中心，检测区域平台212安装在扫描架底部的正中心，并与滑动轨道211位置对应。探测器矩阵22在滑动轨道211上可360度旋转。检测过程中，探测器矩阵360度旋转扫描患者，根据每扫描一周的时间确定在圆周上采集的数据点数目，探测器矩阵22每扫描一周可同时获取很多点位的数据。扫描一周后，探测器矩阵22沿滑动轨道211由上向下竖直移动一定距离，接着旋转扫描检测，从头到脚直至扫描结束，以获取全身辐射剂量场的分布数据。
31.上位机3与探测器矩阵22通信连接；探测器矩阵22用于扫描位于检测区域平台212上的被探测对象的三维扫描数据，上位机3根据三维扫描数据，生成被探测对象体表的辐射场空间分布情况；三维扫描数据包括三维辐射剂量数据和三维立体坐标数据。上位机安放在医生操作间与检测舱1采用远程控制，上位机3与探测器矩阵22之间可以通过rs232或者usb接口实现数据的传输和指令的交互，操作时医生无需与内放疗患者接触，可远程进行数据采集，保证医生安全的同时也提高了本实用新型检测过程的可执行性。
32.在一个实施例中，检测舱1内还安装有摄像头，用于实时采集检测舱1内的检测过程，并将检测图像呈现至上位机3中进行实时显示。
33.在一个具体实施例中，检测舱1为屋状结构。检测舱1具有滑动式封闭舱门和通风换气通道；检测舱1的外壁由外而内依次由铁板11、铅板12、隔板13、铜板14和有机玻璃板15层叠构成。其中，铅板12的厚度为15cm；隔板13和铜板14的厚度为1mm；有机玻璃板15的厚度为3mm。镉板13吸收在铅板12中产生的低能散射γ射线(100～300kev)和特征x射线(73kev)；铜板14吸收镉板的特征x射线(23kev)；有机玻璃板15吸收铜板的特征x射线(8kev)。
34.在一个实施例中，如图4所示，探测器矩阵22由多个辐射剂量探测器221并排排列组成，且每个辐射剂量探测器221均配备有红外测距装置222；每个辐射剂量探测器221和红外测距装置222均与上位机3通信连接；辐射剂量探测器221用于扫描被探测对象的三维辐射剂量数据；红外测距装置222用于扫描被探测对象的三维立体坐标数据。探测器矩阵22在旋转探测过程中，根据红外测距装置222的旋转速度、与中轴的夹角和高度来分别计算获得人体的三维立体坐标数据，并且叠加辐射剂量探测器221探测到的相应的辐射剂量值，传递给上位机3进行处理。
35.具体的，如图5所示，辐射剂量探测器221包括准直器2211、闪烁体2212、光电倍增管2213和外围测量电路2214；闪烁体2212和光电倍增管2213组成闪烁探测器；准直器2211安装在闪烁体2212的前端，其用于将被探测对象发出的入射射线进行限束，并引导至闪烁体2212的探测端面；闪烁体2212的探测端面具有碘化钠晶体层2215；碘化钠晶体层2215接收被探测对象发出的入射射线，并发出能量与入射射线能量成比例的闪烁光；光电倍增管2213在闪烁光的激发下产生光电子，并对产生的光电子进行倍增，生成电信号；外围测量电路2214对电信号进行模数转换和数据处理，得到被探测对象的三维辐射剂量数据，并传输至上位机3。
36.本实施例中准直器2211的功能是对被探测对象发出的辐射限束，通过准直器到达测点处闪烁体2212的辐射只来自测量视野内的辐射源，减少测试本底的干扰，提高信噪比。
37.对单个辐射探测计量探测器221来说降低其他方向辐射信号的干扰，提升所需方向辐射信号的信噪比，通过屏蔽其他方向射线的遮挡，把需要的射线引导到闪烁体上。
38.本实施例中的射线探测原理为：射线经准直器2211进入闪烁体2212中，可以使闪烁体2212的碘化钠晶体层2215中的原子/分子激发，当激发的原子/分子退激时，可以发出闪光。碘化钠晶体层2215中产生闪光脉冲的强度与入射射线的能量成正比。据此可以对射线进行计数并且计算出射线的能量。由于闪光非常微弱，因此需要高灵敏度的传感器进行探测，这里使用光电倍增管2213。当微弱的光照射到光电倍增管2213后，由于光电效应，会产生光电子。光电子随后被其中的电场加速，高速打在倍增极上，从而轰击出更多的电子，
经过再次加速之后打在下一个倍增极上，电子数量逐级倍增。经过十几级的倍增后，最后电子到达阳极时，数量可以倍增约109倍，从而达到探测微弱闪光的目的。
39.本实施例采用多路脉冲信号采集的结构方式来提高探测效率，同时通过对131i、125i等内放疗常用核素的能谱特征分析，建立阈值公式来提高探测灵敏度。
40.如图6所示，外围测量电路2214包括：升压/降压变压器、高压电源、线性放大器、甄别成形电路和微处理器；升压/降压变压器与外供电源连接，其用于将外供电源输出的电压进行升压/降压处理后，为线性放大器、甄别成形电路和微处理器供电；升压/降压变压器输出的电压经高压电源升压后，为闪烁探测器供电；闪烁探测器产生的电信号依次传输至线性放大器、甄别成形电路和微处理器，并经微处理器进行模数转换和数据处理后，生成被探测对象的三维辐射剂量数据，并传输至上位机3。本实施例中，还可通过参数设置模块对微处理器进行参数调整及设置。
41.更有利的，上位机3中安装有数据分析子系统；数据分析子系统用于将探测器矩阵22扫描到的被探测对象的三维辐射剂量数据对应叠加至被探测对象的三维立体坐标数据中，得到被探测对象体表离散的辐射场空间分布情况，并以不同颜色显示不同的辐射等级。
42.根据探测器矩阵22的旋转速度、与中轴夹角、运行高度作为基础数据，通过剂量场重构和虚拟现实技术结合可描述的高、中、低三个辐射等级在人体表面的空间分布，如：红色、橙色和绿色分别代表高、中、低三个辐射等级。其中，通过探测器矩阵22可以对不同空间位置进行数据采集，可以呈现离散的剂量场空间分布，当实测数据小于辐照场可视化显示点时，需要对数据进行分析，插值。进行数据重构，数据重构方法为建立空间点剂量、位置与邻域内8个探测值预测，进而获取剂量场空间分布图，如图7所示。
43.医学图像配准是医学图像分析中关键的技术，它是将一幅图像(移动图像，moving)的坐标转换到另一幅图像(固定图像，fixed)中，使得两幅图像相应位置匹配，得到配准图像(moved)。若想将空间分布与人体三维模型复合显现人体表面三维分布图，通过寻找一种空间变换把空间分布映射到人体表面三维图中，使得两图中对应于空间同一位置的点一一对应起来，采用深度学习法达到信息融合的目的。
44.根据核医疗诊断的需要，患者往往要注入或服入某种放射性同位素，这样该患者本人就成为一个活体放射源，对近距离接触的人产生外照射，对自己产生无法摆脱的持续内照射。
45.进入体内的某种放射性核素，由于生理代谢排除(tb)和放射性自发衰变(tp)，其活度减少到初始值的一半所需时间称为有效半减期(te)生物半排期(tb)与物理半衰期(tp)无关：
[0046][0047]
仅由该核素的理化性质和器官的亲和力有关，不同的核素对不同的器官有不同的亲和力。医用口服或注入人体内的放射性核素的物理半衰期一般来说都比较短，由于放射性核素在体内分布不是均匀的，计算体外某处的剂量是很困难的，但可用剂量仪器较准确的测出某处的剂量，由此可评估出外照射的安全距离。中国天然辐射本底的最新估值为3.1msv/人
·
年＝0.35μsv/h
·
man，这是平均值，它随地域、海拔、屏蔽等因素有关。
[0048]
假设在距核医疗患者d0(单位：m)处测得其剂量率为h0，按剂量与距离平方成反比关系，可由下式求出接近天然本底水平(0.35μsv/h)的安全距离d
x
(单位：m)：
[0049][0050]
由此可见，对于注入或服入放射性核素的核医疗患者应进行隔离，以免对周围人群产生不必要的外照射。隔离时间取决于放射性核素的有效半减期和体内残留水平。假设体内初始放射性活度为a0，允许残留活度为a，活度减少的倍数k＝a0/a，由此可求出所需的有效半减期的数目n，并有以下关系：
[0051]
或或n＝ln k/ln 2
[0052]
t＝n
·
te。
[0053]
更有利的，上位机3中还加载有预先构建的神经网络模型；神经网络模型用于根据探测器矩阵22扫描到的三维扫描数据，得到被探测对象的辐射剂量分布；或根据被探测对象的内放疗时间，预测被探测对象当前的辐射剂量数值。神经网络模型的构建过程为：
[0054]
收集患者临床放疗期间多次剂量检测数据，提取与剂量分布相关特征信息，并将数据随机划分为训练集与验证集，利用神经网络学习方法构建剂量预测模型，训练集用于模型训练，验证集用于检验模型预测能力。通过对比验证剂量分布与预测模型输出剂量分布，用于验证提出模型的有效性与稳定性。
[0055]
检测数据包括剂量分布信息和轮廓坐标信息，临床数据收集后需首先对其进行数据处理，处理方法为使用matlab对其进行基础数据读取和转化。
[0056]
数据集按照80％和20％分别作为训练集和验证集，多次迭代用以降低个别奇异样本对整体模型的精度影响。为避免过拟合，当连续6个迭代周期内均方误差不再减少或迭代次数超过1000次时，停止训练。
[0057]
为验证网络鲁棒性和稳定性，对神经网络进行4次训练，训练数据随机更换不同病例，分析训练误差和训练集样本，判断神经网络性能。在验证阶段，预测集数据作为神经网络输入，通过网络计算得到预测剂量值，并分析模型预测与临床测量剂量分布之间的差异，验证模型性能。
[0058]
训练好的神经网络模型输入患者的三维扫描数据，输出该患者体表的辐射剂量分布情况，可以通过其体表的辐射程度来诊断辐射治疗是否在目标区域内，是否达到了治疗或诊疗效果。
[0059]
或分别根据不同类型肿瘤患者的辐射剂量分布情况与时间变化之间的关联数据，训练神经网络模型，实现根据某一类型肿瘤患者的内放疗时间，预测该患者的辐射剂量场分布情况。
[0060]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0061]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定
义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。