CN104338245A - 一种模拟离子束射野的平行光野指示装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离子束流配送***中射野模拟技术领域，尤其是涉及一种模拟离子束射野的平行光野指示装置及方法。其特点是包括旋转底座、平移基座和平移基座上设置的可相对运动的两组平行束激光指示单元；平行束激光指示单元是若干由伺服电机驱动器连接激光光源形成的激光指示条等间距紧密排列形成的矩阵结构，单个激光光源由伺服电机驱动器横向驱动到达照射野轮廓与运动路线交点，激光光源纵向发出激光线顺束流方向进行指示，由此，两组激光指示单元按照照射野构型轮廓的等间距取样点驱动激光光源组以点阵模式模拟出照射野轮廓--灯光野。其既具有照射野范围的激光指示和测距功能，同时也具有患者特异性的肿瘤靶区轮廓的主动勾画功能。

Description

一种模拟离子束射野的平行光野指示装置及方法

技术领域

本发明涉及离子束配送***中射野模拟技术领域，尤其是涉及一种模拟离子束射野的平行光野指示装置及方法。

背景技术

常规射线放射治疗需要在离开X射线源一定距离处产生X射线的照射野，以便对患者体内一定大小和形状的肿瘤进行放射治疗。照射野的轮廓规定了辐射的范围，如果机器指定的范围与实际照射的范围不一致，会使靶区有的部分被漏掉照射，严重的是还能照射到附近的要害器官。医用电子直线加速器通过模拟灯光野来指示照射野的范围。对患者进行放射治疗摆位时,通常借助灯光野来确定射束辐照的部位,所以灯光野与照射野必须保持一致。因此在肿瘤放射治疗中，照射野特性检查中的灯光野与射野的符合性是放射治疗物理技术质量保证的一项重要内容。

常规射线放射治疗中，X射线源是一个点源，离点源不同的距离将产生面积大小不同的辐射野。离子束(质子、重离子)放射治疗同样需要产生一定大小和形状的辐射野，但是与常规射线的发散性不同，离子束从加速器被引出时具有高度的平行方向性。因此在医用离子加速器辐照光学模拟***中需要应用平行光源来模拟离子束辐射野或照射野。

目前常规射线放射治疗中医用电子直线加速器灯光野模拟***(光学指示***)主要包括：光野指示装置(模拟灯)和距离指示灯(光距尺)。模拟灯模拟辐射源，同时光学模拟辐射野中心和其形状；光距尺用来指示辐射野的中心轴线，从而指示辐射源到患者体表的垂直距离。

模拟灯反射镜组件的作用是用普通光模拟辐射源通过光阑形成的辐射野。光和辐射一样，都是从发生源开始直线传播。根据光的反射定律：入射角等于反射角这一特点，只要使模拟等光源点到投影面的光程等于辐射源点到同一投影面的距离，模拟灯光源点的位置与辐射源点的位置相对反射镜面相对称，就可以用可见光的投影(通常称光野)模拟表示出辐射野的大小和形状。

现有技术存在的问题及现有技术应用于离子束放射治疗时存在的问题如下：

(1)在实际使用光野模拟***时，由于制造和装配误差带来的光野不重合的问题总是存在。比如模拟灯光源点不在理论位置、或者反射镜的角度有误差，这些都会引起辐射野的光学模拟误差，造成模拟光野与辐射野不重合；

(2)由于点光源的发散特性，现有的灯光野模拟***中点光源无法模拟高度平行的离子束射野，且普通光源经过光阑后形成的光野边界模糊，与辐射野存在重合指示误差；

(3)常规射线放射治疗中医用电子直线加速器灯光野模拟***主要功能是被动地模拟点光源辐射野，无法做到主动地勾画或者描绘出照射野轮廓，也无法特异性地在患者体表指示出照射野与体表靶区投影的重合情况。

发明内容

本发明的目的在于解决离子束辐照领域平行束流照射野模拟和指示技术的问题，提供一种用于离子束流配送***中模拟照射野的平行光野指示方法及装置，其采用伺服电机驱动的激光光源组，精确确定照射野轮廓,既具有照射野激光指示和测距功能，也具有患者特异性的肿瘤靶区轮廓的主动勾画功能，同时还能验证多叶光栅构型与患者肿瘤靶区投影的符合程度。还可解决常规射线放射治疗电子直线加速器中光源指示***不能实时读取照射控制***中照射野数据文件以及多叶光栅数据文件的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所述的一种模拟离子束射野的平行光野指示装置，其特点是包括旋转底座，所述的旋转底座上安装有平移基座，平移基座上设置有相对运动的两组平行束激光指示单元；所述的平行束激光指示单元由多个伺服电机驱动器连接激光光源形成的激光指示条等间距紧密排列形成的矩阵结构，激光光源安装在伺服电机驱动器前端，单个激光光源由伺服电机驱动器横向驱动到达照射野轮廓与运动路线交点，激光光源纵向发出激光线顺束流方向进行指示，两组激光指示单元按照照射野构型轮廓的等间距取样点驱动激光光源组以点阵模式模拟出照射野轮廓形成灯光野。

所述的旋转底座实现绕束流轴线以0.5度的步长旋转180度；平移基座以0.2mm的步长沿导轨运动10-20mm，平移基座运动方向与束流轴线垂直；平行束激光指示单元运动方向与束流轴线垂直，与平移基座位移方向垂直；平移基座、旋转底座及激光指示条三者的运动实现了激光指示条的三自由度运动。

所述的激光光源为自准直激光二极管，激光光源的激光发射方向与电机运动方向垂直，与束流方向平行。

所述的旋转底座保证激光指示单元在指示特殊构型如凹多边形照射野时具有适形灵活度；平移底座提供激光指示单元主动勾画靶区轮廓时提高勾画分辨率的技术保证。其既具有照射野范围的激光指示和测距功能，同时也具有患者特异性的肿瘤靶区轮廓的主动勾画功能。

所述的一种模拟离子束射野的平行光野指示装置，其工作时具有两种工作模式：常规指示模式：激光指示单元指示特定的具有规范尺寸的离子束照射野，如10×10cm²的照射野；主动勾画模式：激光指示单元依照肿瘤靶区投影轮廓的等间距取样点驱动激光光源组以点阵模式模拟出离子束照射野轮廓取样点，即形成灯光野轮廓，帮助确定肿瘤靶区在体表投影的轮廓，或者配合多叶光栅构型，通过离子平行束流的关系比对验证多叶光栅构型与肿瘤靶区投影轮廓之间的符合程度。激光指示机构在必要时通过平移基座整***移以增大激光指示分辨率，提高描绘照射野的准确度。激光指示机构通过DICOM(DICOMRT)通信协议以及RS232串口通信模式与TPS数据库或其他医疗信息数据库进行通信，获取照射野数据或靶区投影轮廓等数据。

所述的一种模拟离子束射野的平行光野指示方法，其特点是包括如下步骤：

(1)功能模式选择，平行光野指示装置的工作功能模式分为常规射野指示模式和主动勾画模式，当选用常规射野指示模式时，直接读取射野数据进行激光定位指示；

(2)当选用主动勾画模式时，首先与离子束治疗计划***(或照射控制***)通过DICOM(DICOMRT)通信协议以及RS232串口通信模式进行数据通信，获取肿瘤靶区在束流方向上的靶区投影轮廓数据或照射野轮廓数据，轮廓数据包括标明数据来源、属性、转换矩阵的文件头和坐标数据；

(3)进行优化计算获取激光定位数据，驱动激光光源进行激光定点指示；采用多边形扫描填充算法，获取激光光源运动方向与照射野轮廓线的交点定位数据，经过坐标转换等计算后转换成激光光源位移数据，伺服电机据此驱动激光光源运动到指定位置；

(4)当需要提高照射野勾画的激光定位精度时，采用第三步骤中的优化算法根据平移基座整***移数据进行激光定位数据的多次优化计算，获得排布更密集的激光光源运动方向与照射野轮廓线的交点定位数据，转换成激光光源位移数据后驱动激光光源进行多次激光定点指示；多次激光定点指示导致定位点分布更密集，使描画线段与实际轮廓线符合程度更高，照射野勾画更准确；优化算法一般采用多边形扫描填充算法，经过坐标转换等计算后获取激光光源运动方向与照射野轮廓线的交点定位数据，转换成激光光源位移数据，伺服电机据此驱动激光光源运动到指定位置；

(5)通过逐点连接各定位点，完成照射野主动勾画程序。

本发明的有益效果是：所述的一种模拟射野的平行光野指示方法及装置，其具有实时接收照射控制***中照射野数据文件的通信功能，采用伺服电机驱动激光光源组形成灯光野，照射野轮廓指示精确快速,既具有照射野范围的激光指示和测距功能，同时也具有患者特异性的肿瘤靶区轮廓的主动勾画功能。离子束照射野激光指示装置填补了离子束辐照领域没有专门的离子束照射野指示***的空白。本发明技术方案带来的有益效果主要有以下三点：

(1)经过准直的激光二极管光源具有发散性小、线性好的优点，尤其是激光光源独有的方向性强、单色性好的特点，可准确模拟高度平行和低发散的离子束流。

(2)离子束照射野激光指示装置兼具指示、定位和勾画的多种功能。由于具有与治疗计划***(或治疗控制***)进行数据通信的功能，激光光源由电机驱动，可依照定位数据灵活地从束流射野角度定点指示出离子束照射野边缘，因此既具有常规的照射野指示的功能，也具有供技术人员定位肿瘤靶区投影轮廓的主动勾画功能，也解决了易被遮挡和易形变的技术问题。利用离子束流的平行关系，离子束照射野激光指示装置还能比对多叶光栅构型与肿瘤靶区投影轮廓之间的符合程度。

(3)整个离子束照射野激光指示装置由电机驱动，其结构紧凑，体积小，运动精确快速，可靠性高，也提高了易维护性；激光二极管光源功率小(1-10mw量级)，单色性好，精度高，安全性和稳定性高；激光指示***整体是一个刚性结构，其安装难度和装配误差相比常规的点光源灯光指示***得到很大的降低；因此，整个***成本低，实用性和可靠性高。

附图说明：

图1为本发明的离子束照射野激光指示装置结构图；

图2为重离子束流配送灯光野模拟示意图；

图3为本发明的离子束照射野激光指示方法流程图；

图4为本发明由HIRTPS计算得出的肿瘤靶区最大投影轮廓；

图5为本发明主动勾画模式下初次激光定点勾画的照射野轮廓；

图6为本发明的主动勾画模式下二次激光定点勾画的照射野轮廓。

图中所示：1.旋转底座，2.平移基座3.伺服电机驱动器，4.激光光源，5.照射野轮廓，6.灯光野。

具体实施方式

以下结合附图所示之最佳实例作进一步详述：

如图1和2所示，所述的一种模拟离子束射野的平行光野指示装置，其特点是包括旋转底座1，所述的旋转底座1上安装有平移基座2，平移基座2上设置有相对运动的两组平行束激光指示单元；所述的平行束激光指示单元由多个伺服电机驱动器3连接激光光源4形成的激光指示条等间距紧密排列形成的矩阵结构，激光光源4安装在伺服电机驱动器3前端，单个激光光源由伺服电机驱动器横向驱动到达照射野轮廓与运动路线交点，激光光源4纵向发出激光线顺束流方向进行指示，两组激光指示单元按照照射野构型轮廓的等间距取样点驱动激光光源组以点阵模式模拟出照射野轮廓5形成灯光野6。

所述的旋转底座1实现绕束流轴线以0.5度的步长旋转180度；平移基座2以0.2mm的步长沿导轨运动10-20mm，平移基座2运动方向与束流轴线垂直；平行束激光指示单元运动方向与束流轴线垂直，与平移基座2位移方向垂直；平移基座2、旋转底座1及激光指示条三者的运动实现了激光指示条的三自由度运动。

所述的激光光源4为自准直激光二极管，激光光源4的激光发射方向与电机运动方向垂直，与束流方向平行。

所述的旋转底座1保证激光指示单元在指示特殊构型如凹多边形照射野时具有适形灵活度；平移底座提供激光指示单元主动勾画靶区轮廓时提高勾画分辨率的技术手段。其既具有照射野范围的激光指示和测距功能，同时也具有患者特异性的肿瘤靶区轮廓的主动勾画功能。

所述的一种模拟离子束射野的平行光野指示装置，其工作时具有两种工作模式：常规指示模式：激光指示单元指示特定的具有规范尺寸的离子束照射野，如10×10cm²的照射野；主动勾画模式：激光指示单元依照肿瘤靶区投影数据主动定点指示出离子束照射野轮廓取样点，帮助确定肿瘤靶区在体表投影的轮廓，或者配合多叶光栅构型，通过离子平行束流的关系比对验证多叶光栅构型与肿瘤靶区投影轮廓之间的符合程度。激光指示机构在必要时通过平移基座整***移以增大激光指示分辨率，提高描绘照射野的准确度。激光指示机构控制***通过DICOM(DICOMRT)通信协议以及RS232串口通信模式与TPS数据库或其他医疗信息数据库进行通信，获取照射野数据或靶区投影轮廓等数据。

所述的一种模拟离子束射野的平行光野指示装置，其工作时具有两种工作模式：1，常规指示模式：激光指示单元指示特定的具有规范尺寸的离子束照射野，如10×10cm²的照射野；2，主动勾画模式：激光指示单元依照肿瘤靶区投影轮廓5的等间距取样点驱动激光光源组以点阵模式模拟出离子束照射野轮廓取样点，即形成灯光野轮廓6，帮助确定肿瘤靶区在体表投影的轮廓，或者配合多叶光栅构型，通过离子平行束流的关系比对验证多叶光栅构型与肿瘤靶区投影轮廓之间的符合程度。激光指示机构在必要时通过平移基座2整***移以增大激光指示分辨率，提高描绘照射野的准确度。激光指示机构通过DICOM(DICOMRT)通信协议以及RS232串口通信模式与TPS数据库或其他医疗信息数据库进行通信，获取照射野数据或靶区投影轮廓等数据。

如图3所示，所述的一种模拟离子束射野的平行光野指示方法，其特点是包括如下步骤：

(1)功能模式选择，平行光野指示装置的工作功能模式分为常规射野指示模式和主动勾画模式，当选用常规射野指示模式时，直接读取射野数据进行激光定位指示；

(2)当选用主动勾画模式时，首先与离子束治疗计划***(或照射控制***)通过DICOM(DICOMRT)通信协议以及RS232串口通信模式进行数据通信，获取肿瘤靶区在束流方向上的靶区投影轮廓数据或照射野轮廓数据，轮廓数据包括标明数据来源、属性、转换矩阵的文件头和坐标数据；

(3)进行优化计算获取激光定位数据，驱动激光光源进行激光定点指示；采用多边形扫描填充算法，获取激光光源运动方向与轮廓线的交点定位数据，经过坐标转换等计算后转换成激光光源位移数据，伺服电机据此驱动激光光源运动到指定位置；(4)当需要提高照射野勾画的激光定位精度时，采用第三步骤中的优化算法根据平移基座整***移数据进行激光定位数据的多次优化计算，获得排布更密集的激光光源运动方向与轮廓线的交点定位数据，转换成激光光源位移数据后驱动激光光源进行多次激光定点指示；多次激光定点指示，定位点更密集，使描画线段与实际轮廓线符合程度更高，照射野勾画更准确；优化算法一般采用多边形扫描填充算法，经过坐标转换等计算后获取激光光源运动方向与轮廓线的交点定位数据，转换成激光光源位移数据，伺服电机据此驱动激光光源运动到指定位置；

(5)通过逐点连接各定位点，完成照射野主动勾画程序。

如图4、5和6所示，所述的一种一种模拟射野的平行光野指示方法，基本输入数据是由激光指示机构与离子束治疗计划***(或照射控制***)通过DICOM(DICOMRT)通信协议以及RS232串口通信模式进行数据通信，获取的肿瘤靶区在束流方向上的靶区投影轮廓数据或照射野轮廓数据；轮廓数据包括标明数据来源、属性、转换矩阵等的文件头和坐标数据。图4所示即为，激光指示机构通过通信协议从中国科学院近代物理研究所拥有自主知识产权的重离子三维放射治疗计划***(HIRTPS)获取的基于虚拟的20×20×20cm³规则水模体上勾画的一个靶区，利用三维重建模型的投影算法获取的束流方向上靶区最大投影轮廓。

如图5所示，激光指示机构进行优化计算获取激光定位数据，驱动激光光源进行激光定点指示；采用多边形扫描填充算法，初次获取激光光源运动方向与轮廓线的交点定位数据共7对，每对定位点横向间隔10mm，经过坐标转换等计算后转换成激光光源位移数据，驱动电机据此驱动激光光源组以等间距点阵模式在水模体表面指示出照射野轮廓初次定位点。在水模体表面连接间隔10mm的7组相对的激光指示单元(共14个激光定位点)即可形成初级照射野轮廓。图中可见初级照射野轮廓和照射野投影轮廓相比，线段拟合程度较低，分辨率为10mm，适形符合度较差。

如图6所示，为增大激光指示分辨率，提高主动勾画照射野的准确度和符合程度，通过平移基座的运动，激光指示机构整体向x轴负方向平移了5mm，随后依照数据参数和文件生成二次定位数据，激光指示机构同样以等间距点阵模式在水模体表面指示出照射野轮廓二次定位点。在水模体表面连接初级激光定位点和新增的7组激光定位点即形成了更平滑、符合度更高的照射野轮廓，此时激光定位的分辨率为5mm，适形符合程度相比图5中所示照射野轮廓提高了一倍。

以此类推，可继续以更小的步长平移(或旋转)激光指示机构，获得更小的定位分辨率，勾画出更贴近理论投影轮廓的符合度更高的照射野轮廓。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种模拟离子束射野的平行光野指示装置，其特征是包括旋转底座，所述的旋转底座上安装有平移基座，平移基座上设置有相对运动的两组平行束激光指示单元；所述的平行束激光指示单元由多个伺服电机驱动器连接激光光源形成的激光指示条等间距紧密排列形成的矩阵结构，激光光源安装在伺服电机驱动器前端，单个激光光源由伺服电机驱动器横向驱动到达照射野轮廓与运动路线交点，激光光源纵向发出激光线顺束流方向进行指示，两组激光指示单元按照照射野构型轮廓的等间距取样点驱动激光光源组以点阵模式模拟出照射野轮廓形成灯光野。

2.根据权利要求1所述的一种模拟离子束射野的平行光野指示装置，其特征在于：所述的旋转底座实现绕束流轴线以0.5度的步长旋转180度；平移基座以0.2mm的步长沿导轨运动10-20mm，平移基座运动方向与束流轴线垂直；平行束激光指示单元运动方向与束流轴线垂直，与平移基座位移方向垂直；平移基座、旋转底座及激光指示条三者的运动实现了激光指示条的三自由度运动。

3.根据权利要求1所述的一种模拟离子束射野的平行光野指示装置，其特征在于：所述的激光光源为自准直激光二极管，激光光源的激光发射方向与电机运动方向垂直，与束流方向平行。

4.一种根据权利要求1所述的一种模拟离子束射野的平行光野指示方法，其特点是包括如下步骤：

(1)功能模式选择，平行光野指示装置的工作功能模式分为常规射野指示模式和主动勾画模式，当选用常规射野指示模式时，直接读取射野数据进行激光定位指示；

(2)当选用主动勾画模式时，首先与离子束治疗计划***(或照射控制***)通过DICOM(DICOMRT)通信协议以及RS232串口通信模式进行数据通信，获取肿瘤靶区在束流方向上的靶区投影轮廓数据或照射野轮廓数据，轮廓数据包括标明数据来源、属性、转换矩阵的文件头和坐标数据；

(3)进行优化计算获取激光定位数据，驱动激光光源进行激光定点指示；采用多边形扫描填充算法，获取激光光源运动方向与照射野轮廓线的交点定位数据，经过坐标转换等计算后转换成激光光源位移数据，伺服电机据此驱动激光光源运动到指定位置；

(4)当需要提高照射野勾画的激光定位精度时，采用第三步骤中的优化算法根据平移基座整***移数据进行激光定位数据的多次优化计算，获得排布更密集的激光光源运动方向与照射野轮廓线的交点定位数据，转换成激光光源位移数据后驱动激光光源进行多次激光定点指示；多次激光定点指示导致定位点分布更密集，使描画线段与实际轮廓线符合程度更高，照射野勾画更准确；优化算法一般采用多边形扫描填充算法，经过坐标转换等计算后获取激光光源运动方向与照射野轮廓线的交点定位数据，转换成激光光源位移数据，伺服电机据此驱动激光光源运动到指定位置；

(5)通过逐点连接各定位点，完成照射野主动勾画程序。