用于多点剂量测量的水模结构及其分割测量方法与流程

1.本发明涉及辐射计量仪器设备领域，特别是一种用于多点剂量测量的水模结构及其分割测量方法。


背景技术：

2.目前对患者放射治疗计划验证时，需要对放射治疗过程中特定点的绝对剂量进行验证，来确保放射治疗计划的质量，以保证患者治疗安全。为此，物理师需要将实际治疗计划映射到模体上制作出模体计划，由第三方模体对该模体计划进行实际测量。实际应用场景中，针对脑部、颈部等处多个转移病灶，对投照到多个病灶的剂量分别进行测量和分析有利于评估该放射治疗计划的质量。
3.现有应用在放射治疗计划验证的模体多为固体水、小水箱等固定形状：立方体、圆柱体或类球体等。然而小水箱等固定形状的模体等中心或者电离室通道固定，在对模体计划进行测量时，不能对多发肿瘤中多个病灶中心位置的剂量进行逐一测量；立方体形状的水模由于与人体头颈部结构差别较大，使用该形状的水模代替人体ct图像时，并不能很好的反映与患者接近的结构中剂量沉积，因而不能很好的模拟头颈部肿瘤患者模体计划中剂量分布的情况；即使通过调整小水箱中水量和升降治疗床在垂直方向上调整电离室的相对位置，但其应用范围仅局限于垂直向下照射的射野，不能准确模拟患者实际治疗时接受的剂量；圆柱体模体只测量等中心处剂量，对评估计划质量意义不大；类球体的模体电离室通道位置基本上是固定的，只能对模体中心轴和距离模体表面固定距离处的位置进行点剂量测量，在计划验证中应用时，不能很好的满足测量点位置随机、多变的情况。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种用于多点剂量测量的水模结构及其分割测量方法。
5.本发明的技术方案是：用于多点剂量测量的水模结构，包括半球面头部、圆筒形中段、u形水槽尾部和电离室驱动组件。
6.所述圆筒形中段的上表面设置有平行于其轴线的第一水平仪，u形水槽尾部上表面设有垂直于第一水平仪的第二水平仪，u形水槽尾部的内壁上设有卡口。
7.所述电离室驱动组件包括驱动主体、分别固定于驱动主体对侧的卡扣和旋转轴、与旋转轴连接的折叠臂、以及位于折叠臂顶端的固定架；电离室驱动组件均采用与水的密度相等或接近的轻质材料。
8.所述半球面头部、圆筒形中段和u形水槽尾部依次固定密封连接或一体成型制成，半球面头部和圆筒形中段的厚度相同，半球面头部和圆筒形中段的内外表面均平滑连接于半球面头部直径所在的平面上，电离室驱动组件的卡扣与u形水槽尾部的卡口相互配合，使得电离室驱动组件固定于u形水槽尾部上。
9.本发明进一步的技术方案是：所述半球面头部和圆筒形中段内表面镶嵌3至6颗长
度为4～6mm、直径为0.3～1.0mm的圆柱形金标，半球面头部、圆筒形中段和u形水槽尾部的材料为透明有机玻璃材料，密度和相对电子密度与水相同或接近。
10.本发明再进一步的技术方案是：所述电离室驱动组件替代为包括驱动主体、分别固定于驱动主体对侧的卡扣和旋转轴、与旋转轴连接的第一丝杠、架设在第一丝杠上可往复运动的第二丝杠、以及在第二丝杠上可往复运动的固定架。
11.本发明更进一步的技术方案是：所述电离室驱动组件替代为包括第一支架、分别固定于第一支架对侧的卡扣和第二支架、与固定环连接可在第二支架上滑动/旋转的第三支架、位于第三支架上可沿第三支架滑动的固定架、以及位于第一支架顶部的水平调节螺母；所述第一支架表面设置有角度刻度，所述第二支架表面设置有长度刻度，第三支架上分别设有标记线和深度刻度。
12.本发明更进一步的技术方案是：所述第三支架的数量为两个以上。
13.本发明提供的另一技术方案是：基于前述用于多点剂量测量的水模结构进行多点剂量测量的方法，包括如下步骤，步骤一、水模结构的安装固定以及水的填充：将用于多点剂量测量的水模结构放置于测量位置上，加水淹没半球面头部和圆筒形中段，使得半球面头部和圆筒形中段内均无气泡。
14.步骤二、水模结构的水平调节：观察第一水平仪的第二水平仪查看该水模结构是否水平，调节水模结构的放置位置确保水模结构水平。
15.步骤三、电离室驱动组件的固定及水平调节：将测量用的电离室固定在电离室驱动组件的固定架上，将电离室驱动组件放入u形水槽尾部内，电离室驱动组件的卡扣与u形水槽尾部的卡口固定连接，调节电离室驱动组件的水平调节螺母确保电离室驱动组件达到水平。
16.步骤四、放疗计划的执行及点剂量测量读数的获取：启动电离室及其配套的静电计，并启动放疗设备，执行验证放疗计划对应的模体计划，记录电离室静电计上的读数结果。
17.步骤五、待测位置点剂量测量读数的修正：将读数结果根据温度、气压和电离室检定标准因子进行修正，获得每个待测位置的点剂量的绝对剂量mi。
18.本发明进一步的技术方案是：还包括步骤六，待测位置点剂量通过率的计算：将每个待测位置的点剂量的绝对剂量mi与模体计划中待测位置的点剂量di进行比较；使用如下通过率公式计算各待测位置点剂量通过率：式中：γ为通过率，n为待测位置的数量，i为待测位置的编号，其中1≤i≤n。
19.所述模体计划中待测位置的点剂量di由模体计划剂量分割方法得到，具体如下：s01，判断计划执行系统，判断采用射波刀放射治疗计划还是常规加速器放射治疗计划，如若采用射波刀放射治疗计划，则执行s02；如若采用常规加速器放射治疗计划，则执行s03。
20.s02，判断射波刀放射治疗计划中计划中心的数量，如若计划中心的数量为一个，则转到s021；如若计划中心的数量为多个，则转到s022。
21.s021，将射波刀机械臂的大范围转移为界限进行分段，每段分配在各待测点的mu排序，以分配的射野中参数和mu在计划系统中或使用粒子输运软件计算各待测点剂量di。
22.s022，以计划内多个中心计算各待测点剂量di。
23.s03，判断常规加速器放射治疗计划是执行固定射野调强计划或容积旋转调强计划，如若执行固定射野调强计划，则转到s031；如若执行容积旋转调强计划，则转到s032。
24.s031，按照射野mu对各待测点排序，比较射野数与待测点的数量，若射野数小于待测点，则排除未分配到射野的待测点，并以分配的射野mu计算各待测点剂量di；若射野数大于待测点，则为所有待测点分配完全部射野，并以分配的射野mu计算各待测点剂量di。
25.s032，将完整弧拆分为半弧，非完整弧认为是半弧，比较半弧数与待测点的数量，若半弧数小于待测点，则排除未分配到半弧的待测点，并以分配的半弧mu计算各待测点剂量di；若半弧数大于待测点，则为所有待测点分配完全部半弧，并以分配的半弧mu计算各待测点剂量di。
26.本发明与现有技术相比具有如下特点：（1）本发明的水模结构能够用于常规或非共面、非等中心放疗设备输出的放射治疗计划验证中点剂量的测量，且能够对模体任意待测位置的点剂量进行测量。
27.（2）本发明的水模结构空间内以水为介质，性质稳定且方便获取多点剂量；水充满有效测量体积，有效地避免机械臂运动时可能造成的有效测量体积内液面扰动，提高了测量精度；水模结构内的机械臂采用与水的密度相等或接近的轻质材料，有效地避免侧向散射变化对剂量测量的干扰。
28.（3）本发明的水模结构分割测量方法能够实现对计划验证的模体计划的剂量进行分割，方便与模体实际测量中点剂量进行对比，且能够用于单个计划中多个待测位置的点剂量通过率比较。
29.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
30.附图1为本发明实施例一的结构示意图；附图2为附图1的左视图；附图3为实施例一电离室驱动组件的结构示意图；附图4为实施例二电离室驱动组件的结构示意图；附图5为本发明实施例三的结构示意图；附图6为实施例三电离室驱动组件的结构示意图；附图7为附图6的左视图；附图8为本发明多点剂量分割测量的方法流程图；附图9为本发明模体计划剂量分割方法流程图。
具体实施方式
31.实施例一，如附图1-3所示，用于多点剂量测量的水模结构，包括半球面头部1、圆筒形中段2、u形水槽尾部3和电离室驱动组件4。
32.所述圆筒形中段2的上表面设置有平行于其轴线的第一水平仪2-1，u形水槽尾部3
上表面设有垂直于第一水平仪2-1的第二水平仪3-1，分别用于在测量前调整半球面头部1、圆筒形中段2和u形水槽尾部3水平时进行确认。半球面头部1、圆筒形中段2内表面镶嵌3至6颗长度为4～6mm、直径为0.3～1.0mm的圆柱形金标（图中未示出），便于放射治疗设备上的影像装置通过该金标对半球面头部1、圆筒形中段2进行识别和位置校验。u形水槽尾部3的内壁上设有卡口3-2，半球面头部1、圆筒形中段2、u形水槽尾部3的材料为透明有机玻璃材料，密度和相对电子密度与水相同或接近，从而在测量中能够忽略半球面头部1、圆筒形中段2材料与水的差异对x射线能量沉积不同所带来的影响，提高测量的准确度。
33.所述电离室驱动组件4包括驱动主体4-1、分别固定于驱动主体4-1对侧的卡扣4-2和旋转轴4-3、与旋转轴4-3连接的折叠臂4-4、以及位于折叠臂4-4顶端的固定架4-5。固定架4-5用于固定电离室5，为夹具或其他适配电离室的固定装置，与常用小体积电离室外形规格相匹配，且能够根据选取的电离室不同进行更换。
34.电离室驱动组件4均采用与水的密度相等或接近的轻质材料，使得在测量时因重力与浮力相互抵消，从而使电离室驱动组件4运动受到外力干扰尽可能减小，对侧向散射的电子干扰尽可能低。
35.所述半球面头部1、圆筒形中段2和u形水槽尾部3依次固定密封连接或一体成型制成，半球面头部1和圆筒形中段2的厚度相同，半球面头部1和圆筒形中段2的内外表面均平滑连接于半球面头部1直径所在的平面上，电离室驱动组件4的卡扣4-2与u形水槽尾部3的卡口3-2相互配合，使得电离室驱动组件4固定于u形水槽尾部3上。
36.用于多点剂量测量的水模结构的有效测量体积由半球面头部1和圆筒形中段2形成的空间构成，其中圆筒形中段2与u形水槽尾部3连接的区域可不作为有效测量体积。
37.所述半球面结构1和圆筒形中段2的半径为10cm～15cm，以接近普通人头部半径，方便测量。
38.所述电离室驱动组件4的卡扣4-2与u形水槽尾部3的卡口3-2能够根据实际需要，选择其他例如螺丝螺母、丝杠导轨、卡榫等互相配合的固定装置，实现将电离室驱动组件4固定于u形水槽尾部3。
39.实施例二，如附图4所示，实施例二与实施例一的结构基本类似，其不同之处在于：所述电离室驱动组件6包括驱动主体6-1、分别固定于驱动主体6-1对侧的卡扣6-2和旋转轴6-3、与旋转轴6-3连接的第一丝杠6-4、架设在第一丝杠6-4上可往复运动的第二丝杠6-5、以及在第二丝杠6-5上可往复运动的固定架6-6。电离室5固定于固定架6-6时通过旋转轴6-3带动第一丝杆6-4和第二丝杆6-5运动。
40.实施例三，如附图5-7所示，实施例三与实施例二的结构基本类似，其不同之处在于：所述电离室驱动组件7包括第一支架7-1、分别固定于第一支架7-1对侧的卡扣7-2和第二支架7-3、与固定环7-4连接可在第二支架7-3上旋转/滑动的第三支架7-5、位于第三支架7-5上可沿第三支架7-5滑动的固定架7-6、以及位于第一支架7-1顶部的水平调节螺母7-7。
41.所述第一支架7-1表面设置有角度刻度7-1-1，所述第二支架7-3表面设置有长度刻度7-3-1，第三支架7-5上分别设有标记线7-5-1和深度刻度7-5-2，通过对照第一支架7-1表面的角度刻度7-1-1与第三支架7-5上标记线7-5-1能够确定第三支架7-5的旋转角度，通过第二支架7-3表面的长度刻度7-3-1查看第三支架7-5在水模结构中的进深；通过第三支架7-5上的深度刻度7-5-2能够查看固定架7-6上的电离室5的位置。
42.为了能够同时测量多个不同位置之间的点剂量，设置第三支架7-6的数量为两个以上。
43.实施例四，如附图8所示，基于前述实施例的用于多点剂量测量的水模结构进行多点剂量测量的方法，包括如下步骤：步骤一、水模结构的安装固定以及水的填充：将用于多点剂量测量的水模结构放置于测量位置上，加水淹没半球面头部1和圆筒形中段2，使得半球面头部1和圆筒形中段2内均无气泡。
44.步骤二、水模结构的水平调节：观察第一水平仪2-1的第二水平仪3-1查看该水模结构是否水平，调节水模结构的放置位置确保水模结构水平。
45.步骤三、电离室驱动组件4的固定及水平调节：将测量用的电离室5固定在电离室驱动组件4的固定架4-5上，将电离室驱动组件4放入u形水槽尾部3内，电离室驱动组件4的卡扣4-2与u形水槽尾部3的卡口3-2固定连接，调节电离室驱动组件4的水平调节螺母4-1-1确保电离室驱动组件达到水平。
46.步骤四、放疗计划的执行及点剂量测量读数的获取：启动电离室5及其配套的静电计，并启动放疗设备，执行验证放疗计划对应的模体计划，记录电离室5静电计上的读数结果。
47.步骤五、待测位置点剂量测量读数的修正：将读数结果根据温度、气压和电离室检定标准因子进行修正，获得每个待测位置的点剂量的绝对剂量mi。
48.进一步地，为了知晓步骤五测量到的绝对剂量mi的准确性，还包括步骤六、待测位置点剂量通过率的计算：将每个待测位置的点剂量的绝对剂量mi与模体计划中待测位置的点剂量di进行比较；使用如下通过率公式计算各待测位置点剂量通过率：式中：γ为通过率，n为待测位置的数量，i为待测位置的编号，其中1≤i≤n。
49.针对多个病灶进行照射的放疗计划，需要将不同病灶的典型位置作为多个待测位置，并对该多个待测位置进行剂量测量。通常这类典型位置包括有病灶的等中心、放疗计划的最大剂量点、病灶周围剂量跌落区域、正常组织中位置、人体中介质密度变化剧烈区域对应水箱中的位置等。
50.在对各待测位置进行剂量测量时，可以采用使用多个电离室对各待测位置同时进行测量或使用单个电离室对多个待测位置进行分段测量。使用多个电离室固定位置测量能够直接计算各待测位置的点剂量，而使用单个电离室移动测量时需将模体计划中各待测位置在测量时间内分布的剂量进行分割，需要涉及到模体计划剂量分割方法。
51.所述模体计划中待测位置的点剂量di由模体计划剂量分割方法得到，如附图9所示，具体如下：s01，判断计划执行系统，判断采用射波刀cyber knife放射治疗计划还是常规加速器放射治疗计划，如若采用射波刀cyber knife放射治疗计划，则执行s02；如若采用常规加速器放射治疗计划，则执行s03。
52.s02，判断射波刀cyber knife放射治疗计划中计划中心的数量，如若计划中心的数量为一个，则转到s021；如若计划中心的数量为多个，则转到s022。
53.s021，将射波刀机械臂的大范围转移为界限进行分段，每段分配在各待测点的mu排序，以分配的射野中参数和mu在计划系统中或使用粒子输运软件计算各待测点剂量di。
54.s022，以计划内多个中心计算各待测点剂量di。
55.s03，判断常规加速器放射治疗计划是执行固定射野调强计划imrt或容积旋转调强计划imat/vmat/arc，如若执行固定射野调强计划imrt，则转到s031；如若执行容积旋转调强计划imat/vmat/arc，则转到s032；s031，按照射野mu对各待测点排序，比较射野数与待测点的数量，若射野数小于待测点，则排除未分配到射野的待测点，并以分配的射野mu计算各待测点剂量di；若射野数大于待测点，则为所有待测点分配完全部射野，并以分配的射野mu计算各待测点剂量di。
56.s032，将完整弧拆分为半弧，非完整弧认为是半弧，比较半弧数与待测点的数量，若半弧数小于待测点，则排除未分配到半弧的待测点，并以分配的半弧mu计算各待测点剂量di；若半弧数大于待测点，则为所有待测点分配完全部半弧，并以分配的半弧mu计算各待测点剂量di。
57.其中，mu （machine unit），为加速器输出的剂量单位，通常定义为一定规格射野下模体某深度处射线中心轴输出剂量，1mu=1cgy。
58.在实际临床中，选择1个模体计划进行验证，该模体计划基于一例有3个脑转移病灶的患者放疗计划生成，在模体计划中选取3个病灶中心、病灶1左侧5mm处、病灶2左侧5mm处、计划最大剂量点、脑干中心、左眼球中心和视交叉中心共九个位置作为待测点，进入常规加速器机房针对各待测点对电离室5的位置进行调整，获取每个待测点位置的绝对剂量mi的值；并使用常规加速器执行模体计划，分别计算获得每个待测点位置的点剂量di的值，如下表1所示列出了各待测点位置的绝对剂量mi、点剂量di和通过率γ。
编号待测位置所在部位计划计算得到的点剂量cgy测量得到的绝对剂量cgy通过率%1病灶1中心770.6703.10.9124062病灶2中心736.3671.30.9117213病灶3中心753.9681.60.9040994病灶1左侧5mm处787.1720.30.9151315病灶2左侧5mm处761.2711.00.9340516计划最大剂量点793.4765.20.9644577脑干中心20.423.90.8284318左眼球中心16.712.90.7724559视交叉中心23.718.10.763713
59.从表1中能够看出，该模体计划的多点剂量总体通过率为87.85%，各待测位置点剂量通过率见上表最后一列，因而可以对该模体计划中各待测位置实际输出的剂量进行评估。例中，以病灶中心为待测位置的点剂量通过率相对稳定地达到90%，可以满足以评估病灶实际受照剂量为主要用途的目标；对远离病灶的危及器官作为待测位置时，通过率较低，与计划系统中剂量计算归一到95%处方剂量或最大剂量的方法造成低剂量偏差较大有关，测定结果能够作为实际模体计划执行的参考，不仅能够保证实际执行的模体计划的准确性，且能够确保保护危急器官不接受较大剂量照射。