双层立体探测器阵列-模体装置及应用于射束测量的方法

1.本发明涉及放射治疗剂量验证设备领域，特别是一种双层立体探测器阵列-模体装置及应用于射束测量的方法。


背景技术：

2.立体定向放射治疗技术，通常针对1个或多个病灶施以较少次数、高剂量的治疗，为了满足病灶部位剂量均匀、靶区适形度高、靶区外剂量快速跌落、保护周围波及到的危及器官等要求，需要使用多个入射角度甚至非共面入射角度的射线束对靶区进行照射；使用射波刀进行srs治疗时，射线束非等中心非共面照射。为满足治疗安全和有效性校验，需要对放射治疗中的计划进行验证，最常用的是使用各类探测器矩阵进行通量测量和比较。
3.现有的射束测量多采用内部排布为平板探测器矩阵形式的剂量验证设备如sunnuclear mapcheck、ptw starcheck、iba matrixx等，该类只对探测器矩阵所在层面通量测量用于计划验证和评估，只针对垂直与矩阵平面的情况最为有效；且只测量单一层面的通量，不对模体内部和射线束入射方向上浅表的剂量进行反衍和重建，从而对患者造成巨大的潜在风险。
4.中国专利公开号为cn111239794a的文献公开了一种三维电离室结构及射线检测系统，对各类探测器形成多层空间排布进行了说明，并由各探测器对空间剂量进行测量，该电离结构中探测器形成圆筒状，模体外壳形状为任意三维形状，但该三维电离结构无法形成3π、4π角度的探测器分布，对探测器测量区域以外的模体剂量也不能进行反衍、重建。
5.中国专利公告号为cn106501839b的文献公开了一种束流剂量分布测量设备，所应用的领域和范围为质子、重离子在线束流监测，设置有三层半导体探测器矩阵对射线进行测向和通量测量，但其结构复杂不利于生产和操作；设置的准直器结构的存在决定了其不能对非等中心设备输出的射束进行准确测量，其只适用于垂直或近似垂直与准直器平面和探测器矩阵平面的射束测量。
6.中国专利公告号为cn106501839b的文献公开了一种4π放射治疗剂量学测量和验证模体，使用球形模体表面装配的探测器形成4π分布，但其单层探测器阵列所形成的表面积量信号在冲关键模体深度剂量时并不能提供通量以外的信号，例如精确的测向；且背向或者侧向角度响应会造成重建的射线束剂量偏差，从而导致测向结果偏差。
7.中国专利公告号为cn107797132a的文献公开了一种三维辐射场剂量的反演方法，应用于放射源未知情况下辐射场重建，运用插值算法及理论，反演出整个辐射场的辐射剂量情况。但是该插值没有对单个位置分别测量获取该处剂量、剂量率参数，从而其重建的辐射剂量场的准确性有待进一步提高。
8.因此，如何设计一种应用于测量射束多种参数的探测器阵列方式，并对辐射场进行准确的重建与测量是需要解决的问题。


技术实现要素：

9.本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种双层立体探测器阵列-模体装置及应用于射束测量的方法。
10.本发明提供的技术方案是：双层立体探测器阵列-模体装置，包括第一探测器阵列、第二探测器阵列、第一层模体、第二层模体和第三层模体。
11.所述第一探测器阵列、第二探测器阵列的结构和规格完全相同，第一探测器阵列、第二探测器阵列均由多个探测器组成，第一探测器阵列、第二探测器阵列中的探测器型号均相同；所述第一层模体、第二层模体和第三层模体的结构和规格也完全相同，三层模体和两层探测器阵列间隔排列且在横断面上形成多层夹心样式，第一探测器阵列的前表面与第一层模体的后表面紧密结合，第一探测器阵列的后表面与下方的第二层模体的前表面紧密结合，第二探测器阵列的前表面与第二层模体的后表面紧密结合，第二探测器阵列的后表面与下方的第三层模体的前表面紧密结合，嵌入模体内的探测器阵列设置与模体相匹配的形状。
12.本发明进一步的技术方案是：所述第一层模体、第二层模体和第三层模体的结构为平板型、球型、椭球型、半球-圆柱复合型或椭圆柱型。
13.本发明再进一步的技术方案是：所述第一层模体的厚度设置为常用放疗设备输出的射线的最大剂量深度。
14.本发明更进一步的技术方案是：所述多个探测器在其层内形成网格或斜线排列形式。
15.本发明提供的另一技术方案是：前述双层立体探测器阵列-模体应用于射束通量测量的方法，射线束通过第一或第二探测器阵列时，在第一或第二探测器阵列中将接受到射线信号的探测器显示为连接闭合的照射野边界，形成射野在该探测器阵列所在平面的形状；接受到射线信号的探测器记录各自接受到的剂量的大小值，将相同剂量值的探测器位置显示为相同的颜色或连接成闭合的图形，分别形成在两层探测器阵列中层面通量的剂量梯度曲线或剂量云图。
16.本发明提供的另一技术方案是：前述的双层立体探测器阵列-模体应用于射束入射角测量的方法，包括如下步骤，步骤一、入射角的测量：射线束通过第一、第二探测器阵列时，将探测器阵列中接受到相同剂量的探测器位置连接形成闭合曲线；将第一、第二探测器阵列中测得的剂量变化梯度相同的区域边缘连接，形成闭合的柱状或锥形；连线的延长线即为射线束在模体中的穿射路径；该穿射路径在经过第一、第二探测器阵列中任意探测器时，其与探测器所在阵列的平面或切面的夹角即入射角θ。
17.步骤二、入射角的修正：对射线束入射到每个探测器的入射角进行测量，并测量得到每个探测器的安装角度，根据入射角和探测器角度的方向性效应对入射角进行修正，重复不同探测器入射角的修正，直到完成所有接受到射线信号的探测器的入射角的响应修正。
18.本发明提供的另一技术方案是：前述的双层立体探测器阵列-模体应用于射束三维剂量计算的方法，包括如下步骤，步骤一、射线束通量测量：射线束通过两层探测器阵列时，在同一探测器阵列中将
接受到射线信号的探测器显示为连接闭合的图形，形成射野在该阵列所在平面的形状；接受到射线信号的探测器记录各自接受到的剂量的大小值，将相同剂量值的探测器位置显示为相同的颜色或连接成闭合的图形，分别记录在第一、第二探测器阵列中的层面通量。
19.步骤二、单一射线束剂量重建：使用第一、第二探测器阵列中测得的通量，结合不同射线束的剂量沉积特性，根据深度-剂量曲线图对射线束在模体中沉积的剂量进行三维重建。
20.步骤三、验证计划三维剂量重建：采用步骤一得到不同深度处探测器矩阵测得的通量，和步骤二中射线束在模体中的深度-剂量曲线图，对验证计划中全部的射线束进行三维剂量重建，对各射线束在模体中沉积的剂量进行叠加，重建出验证计划在模体内的三维剂量分布结果。
21.步骤四、计算模体中任意位置处的剂量：采用如下公式对模体中任意位置处的剂量进行叠加计算：
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（1）其中，n为射线束个数，射线束不为无限大；i为射线束编号；为某射线束在模体内待剂量测量位置处沉积的剂量。
22.本发明再进一步的技术方案是：步骤二中，每个射线束在模体中沉积的剂量采用在mcnp、geant4粒子输运模拟工具中进行计算和验证，或使用一维、三维水箱进行实测并根据模体材料与水的性质进行转化计算。
23.本发明与现有技术相比具有如下特点：（1） 本发明通过两层探测器阵列与三层模体间隔紧密结合满足srs/srt放疗中剂量验证所需形状的模体，能够实现平面、3π、4π等多种非立体和立体定向放射治疗的射束测量，拓宽了装置的应用范围，能够满足实际放疗中的应用。
24.（2） 本发明的两层探测器阵列能够分别测得验证计划中各射线束在各阵列所在层面的通量，并对每个射线束进行测向，在此基础上对接收到射线束信号的探测器进行角度响应修正，提高了测量的精度。
25.（3） 本发明根据两层探测器阵列测得的通量，结合对应能量、类型的射线在模体材料中的剂量沉积规律，对射线束穿射路径上剂量沉积进行反衍、重建；从而完成对验证计划中全部射线束剂量重建，形成该计划在模体中剂量三维分布，用于对模体任意位置处剂量进行计算，提高了剂量测量的深度。
26.（4） 本发明通过对三维剂量重建能够实现对非等中心、非共面放疗设备输出的计划进行验证，避免了制作验证计划时将模体中心移动至图像中病灶中心所在位置的方法引入的因模体外廓与患者该部位外廓形状偏移、旋转等不同导致的剂量计算结果差异；获得的验证计划中剂量能够更好的反映实际治疗计划中剂量分布情况，增强了计划验证结果与实际计划质量之间的关联性。
27.以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
28.附图1为双层立体探测器阵列-模体装置的结构示意图；
附图2为形成3π结构的双层立体探测器阵列-模体装置的结构示意图；附图3为形成4π结构的双层立体探测器阵列-模体装置的结构示意图；附图4为双层探测器阵列中其中一层进行通量测量的示意图；附图5为双层探测器阵列同时进行通量测量；附图6为射束入射角测量时进行角度响应修正的示意图；附图7为射束在模体中深入模体的深度与剂量的曲线图；附图8为利用深度-剂量曲线和通量重建的剂量分布示意图；附图9为双层立体探测器阵列-模体装置应用于等中心照射的放疗设备的示意图；附图10为双层立体探测器阵列-模体装置应用于非等中心照射的放疗设备的示意图。
具体实施方式
29.实施例一，如附图1-3所示，双层立体探测器阵列-模体装置，包括第一探测器阵列、第二探测器阵列、第一层模体、第二层模体和第三层模体；第一探测器阵列、第二探测器阵列的结构和规格完全相同，所述第一探测器阵列、第二探测器阵列均由多个探测器组成，第一探测器阵列、第二探测器阵列中的探测器型号均相同，即探测器对时间、能量、剂量率、入射角度具有相同响应性能，多个探测器在其层内形成网格或斜线等排列形式。第一层模体、第二层模体和第三层模体的结构和规格也完全相同，三层模体和两层探测器阵列间隔排列且在横断面上形成多层夹心样式，第一探测器阵列的前表面与第一层模体的后表面紧密结合，第一探测器阵列的后表面与下方的第二层模体的前表面紧密结合，第二探测器阵列的前表面与第二层模体的后表面紧密结合，第二探测器阵列的后表面与下方的第三层模体的前表面紧密结合，嵌入模体内的探测器阵列设置与模体相匹配的形状，从而能够排除因探测器阵列和各层模体的间隙造成的剂量沉积异常，影响后续测量的准确性。
30.所述模体的结构为平板型、球型、椭球型、半球-圆柱复合型以及椭圆柱型等形状。平板型模体能够形成2π的剂量测量范围，如图1所示；半球-圆柱复合型模型能够形成3π的剂量测量范围，如图2所示；球型模体能够形成4π的剂量测量范围，如图3所示。同样地，根据所需要测量的剂量范围不同，能够通过不同的形状进行组合实现。第一层模体的厚度设置为常用放疗设备输出的x射线最大剂量深度，例如6mv的x射线约为1.5cm，使用该厚度能够使得x射线完成剂量建成，剂量波动相对更浅的深度处较小，从而能够提高第一探测器阵列测量中mu的利用率。
31.实施例二，如附图4所示，双层立体探测器阵列-模体应用于射束通量测量的方法，射线束通过第一或第二探测器阵列时，在第一或第二探测器阵列中将接受到射线信号的探测器显示为连接闭合的照射野边界，形成射野在该探测器阵列所在平面的形状；接受到射线信号的探测器记录各自接受到的剂量的大小值，将相同剂量值的探测器位置显示为相同的颜色或连接成闭合的图形，分别形成在两层探测器阵列中层面通量的剂量梯度曲线、剂量云图等显示结果，从而通过观察不同的曲线或云图了解到射线束通量的情况。
32.实施例三，如附图5-6所示，双层立体探测器阵列-模体应用于射束入射角测量的方法，包括如下步骤：步骤一、入射角的测量：射线束通过第一、第二探测器阵列时，将探测器阵列中接
受到相同剂量的探测器位置连接形成闭合曲线；将第一、第二探测器阵列中测得的剂量变化梯度相同的区域边缘连接，形成闭合的柱状或锥形；连线的延长线即为射线束在模体中的穿射路径；该穿射路径在经过第一、第二探测器阵列中任意探测器时，其与探测器所在阵列的平面或切面的夹角即入射角θ。
33.步骤二、入射角的修正：由于第一、第二探测器阵列在接受不同角度入射时测量得到的射线束存在偏差，从而导致测量偏差，因而需要对射线束入射角进行修正。根据《肿瘤放射物理学》中半导体探头对不同入射角的射线束测量的方向性效应对角度进行修正（具体的修正特征参考胡逸民编撰 《肿瘤放射物理学》第96页图3-45所示的方向性效应），以提高探测器对射线束测量结果的准确度和稳定性。在对射线束进行测量时，对不同入射角入射的相同的射线束会测量得到不同的结果，这就是角度响应差异导致的测量偏差。
34.对射线束入射到每个探测器的入射角进行测量，并测量得到每个探测器的安装角度，根据入射角和探测器角度的方向性效应对入射角进行修正，重复不同探测器入射角的修正，直到完成所有接受到射线信号的探测器的入射角的响应修正。
35.实施例四、如附图7-8所示，双层立体探测器阵列-模体应用于射束三维剂量计算的方法，包括如下步骤：步骤一、射线束通量测量：射线束通过两层探测器阵列时，在同一探测器阵列中将接受到射线信号的探测器显示为连接闭合的图形，形成射野在该阵列所在平面的形状；接受到射线信号的探测器记录各自接受到的剂量的大小值，将相同剂量值的探测器位置显示为相同的颜色或连接成闭合的图形，分别记录在第一、第二探测器阵列中的层面通量。
36.步骤二、单一射线束剂量重建：使用第一、第二探测器阵列中测得的通量，结合不同射线束的剂量沉积特性，如图7所示出的在均匀的模体中插入第一、第二探测器阵列后，对x射线在模体中伸入模体的深度(cm)与剂量(cgy)的曲线图，从图7中能够看出，由于射线穿射到探测器前时，由于探测器/模体的高/低密度切换等造成的背散射造成的剂量沉积增加，因此会在原近似指数跌落的曲线上形成局部陡增，并在穿过探测器后陡然跌落；根据如图7所示的深度-剂量曲线图对射线束在模体中沉积的剂量进行三维重建。每个射线束在模体中沉积的剂量采用在mcnp、geant4等粒子输运模拟工具中进行计算和验证，或使用一维、三维水箱等进行实测并根据模体材料与水的性质进行转化计算。
37.步骤三、验证计划三维剂量重建：采用步骤一得到不同深度处探测器矩阵测得的通量，和步骤二中射线束在模体中的深度-剂量曲线图，对验证计划中全部的射线束进行三维剂量重建，如图8所示，对各射线束在模体中沉积的剂量进行叠加，重建出验证计划在模体内的三维剂量分布结果。
38.步骤四、计算模体中任意位置处的剂量：采用如下公式对模体中任意位置处的剂量进行叠加计算：
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（1）其中，n为射线束个数，射线束不为无限大；i为射线束编号；为某射线束在模体内待剂量测量位置处沉积的剂量。
39.上述的双层立体探测器阵列-模体装置和应用于射束通量测量、入射角测量以及三维剂量重建的方法，能够应用于等中心照射的放疗设备、非等中心照射的放疗设备或偏
移等中心的放疗设备等，其中等中心照射的放疗设备如安科锐公司的tomo，瓦里安、医科达、联影、镭泰等公司的各类常规直线加速器，加速器围绕一个等中心旋转，其旋转机架的中轴线与模体中轴线重合，如附图9所示。非等中心式放疗设备，例如射波刀，或带旋转机架、机器人治疗床的质子、重离子加速器等设备，如附图10所示，从图中能够看出，除极特殊的情况外，如病灶位于颅骨或颅骨外皮层中时，可能出现实施治疗的射线束与第一探测器阵列相切的情况；对颅内任意区域分布的病灶，包括对偏离患者中心轴或头部中心的病灶，上述双层立体探测器阵列-模体装置可对其立体定向放射治疗计划进行有效的验证，实现本发明中所述功能，包括对射线束通量测量、入射角测量和角度响应修正、三维剂量重建等。