CN108983273B - 一种人体内部三维剂量分布的实时测量***及方法 - Google Patents

一种人体内部三维剂量分布的实时测量***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种人体内部三维剂量分布的实时测量***及方法，***包括：人体器官物理模型、相机测量***和剂量重建***，人体器官物理模型包括：人体组织等效的外壳，所述外壳内部填充有人体组织等效的闪烁体。本发明所提供的***及方法，闪烁体材料不仅能够作为探测器，而且还扮演了模体的角色，避免了在模型中引入探测器而导致的剂量扰动问题，使得3D剂量测量更为准确；通过相机测量***对闪烁体内产生的光以每秒好几帧甚至几十帧的速率进行采集以及剂量重建算法，能够实时地重建出三维剂量分布。

Description

一种人体内部三维剂量分布的实时测量***及方法
技术领域
本发明涉及放射治疗与剂量验证技术领域，具体涉及一种人体内部三维剂量分布的实时测量***及方法。
背景技术
现阶段，核工业领域许多方面，诸如研究辐射损伤、辐射对人体造成的效应等等，都需要提供人体内部全面的三维剂量分布数据，传统的方法是通过人体组织等效的物理模型，在其内部进行打孔***热释光剂量计(TLD)等方式进行剂量的测量，这样得到的剂量数据是不连续的，并且剂量计的***也会对剂量产生扰动。
另外，在放射治疗领域，作为质量保证和控制的关键部分，治疗前的放射剂量验证工作不仅能够有效地降低放疗过程中出错风险，还有助于放疗方案的精确有效地制定、实施以及减少放疗副作用和降低复发率，具有重要的意义。传统的放射剂量验证通常采用在选定的点或平面处使用胶片，热释光剂量计(TLD)，二极管和电离室进行低取样的剂量测量方法。这些方法由于取样点有限，无法提供相关体积内高空间分辨率的3D剂量验证，故很难满足精准放射治疗新技术的剂量验证需求。随着如IMRT和VMAT等动态放射治疗技术的普及，使得治疗过程中的步骤变得十分复杂，任何一环出现剂量控制偏差都会可能导致严重的医疗事故。根据国际辐射单位与测量委员会(ICRU)50号报告，靶区剂量偏离处方剂量±5％时，就可能使原发灶肿瘤失控(局部复发)或使放射并发症增加。因此，医学物理界逐渐意识到，只有全面的3D剂量验证才能保证动态放射治疗方案的精确实施。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种人体内部三维剂量分布的实时测量***及方法，能够准确地模拟人体组织器官，保证剂量测量的准确性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种人体内部三维剂量分布的实时测量***，所述***包括：人体器官物理模型、相机测量***和剂量重建***，所述人体器官物理模型包括：具备透光性的外壳，所述外壳内部填充有人体组织等效的闪烁体；
所述人体器官物理模型内的所述闪烁体在受到辐射源的射线的能量沉积时，产生发光信息，且光产额与射线的能量沉积成正比；所述相机测量***用于收集所述发光信息，根据所述发光信息重建所述人体器官物理模型受到辐射后形成的3D发射光的模式图像；所述剂量重建***用于对所述模式图像进行剂量重建，得到所述人体器官物理模型中的三维剂量分布信息。
进一步，如上所述的一种人体内部三维剂量分布的实时测量***，所述相机测量***包括：主镜头、微镜头阵列和相机探测器，所述人体器官物理模型、所述主镜头、所述微镜头阵列和所述相机探测器依次排列，所述相机探测器的镜头对准所述微镜头阵列，所述主镜头的镜头对准所述人体器官物理模型，所述微镜头阵列中的每个微透镜均覆盖多个传感器像素；
所述主镜头用于收集所述发光信息，并将其全部投影到所述微镜头阵列上；所述微镜头阵列用于根据每个微镜头的属性对所述主镜头投射的光线进行分块，将分块后的所述发光信息传递给所述相机探测器，分块后的所述发光信息包括入射光子的角度信息、空间信息和方向信息；所述相机探测器用于对分块后的所述发光信息进行光电转换和图像重建，形成3D发射光的模式图像。
进一步，如上所述的一种人体内部三维剂量分布的实时测量***，所述剂量重建***具体用于通过期望最大化算法对所述模式图像进行剂量重建，得到所述人体器官物理模型中的三维剂量分布信息。
进一步，如上所述的一种人体内部三维剂量分布的实时测量***，所述闪烁体为凝胶闪烁体、液态闪烁体或塑料闪烁体。
进一步，如上所述的一种人体内部三维剂量分布的实时测量***，所述外壳的厚度范围为0.1mm～10mm。
进一步，如上所述的一种人体内部三维剂量分布的实时测量***，所述主镜头的入瞳直径为100mm，焦距为600mm。
进一步，如上所述的一种人体内部三维剂量分布的实时测量***，所述微镜头阵列的相对孔径为1/6，焦距为540μm，单元数为403*268。
进一步，如上所述的一种人体内部三维剂量分布的实时测量***，所述相机探测器为Cmos相机、制冷相机或光场相机，所述相机探测器的有效探测面积为36mm*24mm，有效像素数为4032*2688。
本发明实施例中还提供了一种人体内部三维剂量分布的实时测量方法，所述方法包括：
S1、人体器官物理模型内的所述闪烁体在受到辐射源的射线的能量沉积时，产生发光信息，且光产额与射线的能量沉积成正比；
S2、相机测量***收集所述发光信息，根据所述发光信息重建所述人体器官物理模型受到辐射后形成的3D发射光的模式图像；
S3、剂量重建***对所述模式图像进行剂量重建，得到所述人体器官物理模型中的三维剂量分布信息。
进一步，如上所述的一种人体内部三维剂量分布的实时测量方法，所述相机测量***包括：主镜头、微镜头阵列和相机探测器，步骤S2包括：
S21、所述主镜头收集所述发光信息，并将其全部投影到所述微镜头阵列上；
S22、所述微镜头阵列根据每个微镜头的属性对所述主镜头投射的光线进行分块，将分块后的所述发光信息传递给所述相机探测器，分块后的所述发光信息包括入射光子的角度信息、空间信息和方向信息；
S23、所述相机探测器对分块后的所述发光信息进行光电转换和图像重建，形成3D发射光的模式图像。
本发明的有益效果在于：本发明所提供的***及方法，闪烁体材料不仅能够作为探测器，而且还扮演了模体的角色，避免了在模型中引入探测器而导致的剂量扰动问题，使得3D剂量测量更为准确；通过相机测量***对闪烁体内产生的光以每秒好几帧甚至几十帧的速率进行采集以及剂量重建算法，能够实时地重建出三维剂量分布。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种人体内部三维剂量分布的实时测量***的结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的一种人体内部三维剂量分布的实时测量***的场景示意图；
图3为本发明实施例中提供的一种人体内部三维剂量分布的实时测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种人体内部三维剂量分布的实时测量***，***包括：人体器官物理模型10、相机测量***20和剂量重建***30，人体器官物理模型10包括：具备透光性的外壳，外壳内部填充有人体组织等效的闪烁体；
人体器官物理模型10内的闪烁体在受到辐射源的射线的能量沉积时，产生发光信息，且光产额与射线的能量沉积成正比；相机测量***20用于收集发光信息，根据发光信息重建人体器官物理模型受到辐射后形成的3D发射光的模式图像；剂量重建***30用于对模式图像进行剂量重建，得到人体器官物理模型中的三维剂量分布信息。
相机测量***20包括：主镜头21、微镜头阵列22和相机探测器23，人体器官物理模型10、主镜头21、微镜头阵列22和相机探测器23依次排列，相机探测器23的镜头对准微镜头阵列22，主镜头21的镜头对准人体器官物理模型10，微镜头阵列22中的每个微透镜均覆盖多个传感器像素；
主镜头21用于收集发光信息，并将其全部投影到微镜头阵列上；微镜头阵列22用于根据每个微镜头的属性对主镜头21投射的光线进行分块，将分块后的发光信息传递给相机探测器23，分块后的发光信息包括入射光子的角度信息、空间信息和方向信息；相机探测器23用于对分块后的发光信息进行光电转换和图像重建，形成3D发射光的模式图像。
剂量重建***30具体用于通过期望最大化算法对模式图像进行剂量重建，得到人体器官物理模型10中的三维剂量分布信息。
闪烁体为凝胶闪烁体、液态闪烁体或塑料闪烁体。
外壳的厚度范围为0.1mm～10mm。
主镜头21的入瞳直径为100mm，焦距为600mm。
微镜头阵列22的相对孔径为1/6，焦距为540μm，单元数为403*268。
相机探测器23为Cmos相机、制冷相机或光场相机，相机探测器23的有效探测面积为36mm*24mm，有效像素数为4032*2688。
人体器官物理模型由高透光性外壳和组织等效闪烁凝胶材料两部分组成，外壳材料采用接近人体组织等效且透光性强的材料，如丙烯酸树脂等。内部填充的是人体组织等效的闪烁凝胶材料。外壳的厚度一般在0.1mm～10mm之间，具体参数根据实际材料的硬度等指标得到。整体模型的尺寸，依据人体部分器官的大小。
该种闪烁凝胶材料，在受到射线的能量沉积时，会产生闪烁发光信息，因此，其不仅扮演了模体的角色，还能够作为探测器，避免了在模型中引入探测器而导致的剂量扰动问题，使得后续的3D剂量分布测量更为准确。除此之外，其他闪烁体，比如液态闪烁体、塑料闪烁体等，也可用作为该***在实际测量的估计模型。
相机测量***则由主镜头、微镜头阵列和相机探测器三部分组成，主镜头的作用主要对产生的发光信息进行收集，使其全部投影到微镜头阵列上；微镜头阵列上的每个微透镜覆盖多个传感器像素，每个微透镜的聚焦深度都不相同，有的用来接收模型表面发出的光，有的用来接收模型内部或背部发出的光，从而将通过相机主镜头的光线分块和分离成传感器记录的更小的图像，在这种情况下，传感器像素代表了在入射角一小部分上的光线的总和，提供了入射光子的角度、空间和方向信息；相机探测器则含有多个相机传感器，可将传感器记录的发光信息进行光电转换，最后形成清晰的图像。相机探测器一般选用科学级Cmos相机、制冷相机或光场相机等。不同类型的相机测量***的主要区别在于微透镜阵列与其传感器之间的距离。
微镜头阵列的引入，使得在记录光图像上不仅考虑了平面分布，而且还兼顾了纵向上的深度信息，每个微透镜的聚焦长度是不同的，可以将不同深度下的光图像进行记录，并通过图像重建算法，得到一幅包含三维发光信息的图像。
在3D剂量分布测定中使用该相机测量***的目的在于利用从闪烁体的成像中收集的角度、空间和方向信息重建出3D发射光的模式图像，闪烁体内的3D剂量分布可以从3D发射光的模式图像中获得，因为有机闪烁体的光产额与沉积在其体积中的能量成比例，而与所在位置的剂量率或射线本身能量无关，因此，可以通过迭代重建算法(期望最大化算法)由闪烁体内的3D光分布，重建出3D的剂量分布。
实施例一
如图2所示，一种三维剂量分布的实时测量装置，包括物理模型1，主镜头2，Cmos相机探测器4，以及主镜头2与Cmos相机探测器4之间的微镜头阵列3。微镜头阵列的位置需要结合主镜头2和Cmos相机探测器4的相关参数，调试所得。
本实施例中，物理模型1为使用高透光性材料制成的外壳及组织等效闪烁凝胶材料组成，形状可以使简单的圆柱或球型等，也可制作成人体的器官形状，外壳厚度一般在0.1mm～10mm之间。当辐射源产生的射线在物理模型1内部发生能量沉积时，会产生发光信息，并且光产额与沉积在其体积中的能量成比例，而与其所在位置的剂量率或射线本身能量无关。
主镜头2的入瞳直径为100mm，焦距为600mm，其可对物理模型1中产生的发光信息进行收集，并使其全部投影到微镜头阵列3上。微镜头阵列3的相对孔径为1/6，焦距为540μm，单元数为403*268，能够将通过主镜头的光线分离成传感器记录的更小的图像，并记录入射光子的空间和方向信息，将这些信息传递给Cmos相机探测器4。本实施例中，Cmos相机探测器4的有效探测面积为36mm*24mm，有效像素数为4032*2688，可结合记录的发光信息，通过光电转换及图像重建算法，给出清晰的物理模型1中受到辐射后的3D发射光的模式图像。并进一步通过期望最大化的迭代算法，最终重建出物理模型1中的三维剂量分布。需要说明的是，Cmos相机探测器4重建的模式图像发送给剂量重建***，剂量重建***依附于计算机，实际上是通过计算机上自行开发剂量重建软件最终重建出物理模型1中的三维剂量分布，属于现有技术。本实施例采用的物理模型1采用的是自主研发的组织等效闪烁凝胶，能够准确地模拟人体组织器官，保证剂量测量的准确性。同时，采用的Cmos相机探测器4具有较高的空间分布和采集速率，克服了传统测量方法的间隔大和不实时的难题，能够实现高空间分辨和实时测量。
与其他测量方式相比，本发明提出的三维剂量分布的实时测量***，主要优势在于以下三个方面：
1)高分辨率：使用高分辨率相机对闪烁体光进行成像，重建出每个像素上的剂量信息，位置分辨可达到亚毫米级，完全能够满足核工业领域及复杂治疗方案的3D剂量测量验证的需求。
2)实时测量：采用的相机具有较高的采集速度，对闪烁体内产生的光以每秒好几帧甚至几十帧的速率进行采集，能够实时地重建出三维剂量分布。
3)准确的3D剂量分布：闪烁体材料不仅能够作为探测器，而且还扮演了模体的角色，避免了在模型中引入探测器而导致的剂量扰动问题，使得3D剂量测量更为准确。
如图3所示，本发明实施例中还提供了一种人体内部三维剂量分布的实时测量方法，方法包括：
S1、人体器官物理模型内的闪烁体在受到辐射源的射线的能量沉积时，产生发光信息，且光产额与射线的能量沉积成正比；
S2、相机测量***收集发光信息，根据发光信息重建人体器官物理模型受到辐射后形成的3D发射光的模式图像；
S3、剂量重建***对模式图像进行剂量重建，得到人体器官物理模型中的三维剂量分布信息。
相机测量***包括：主镜头、微镜头阵列和相机探测器，步骤S2包括：
S21、主镜头收集发光信息，并将其全部投影到微镜头阵列上；
S22、微镜头阵列根据每个微镜头的属性对主镜头投射的光线进行分块，将分块后的发光信息传递给相机探测器，分块后的发光信息包括入射光子的角度信息、空间信息和方向信息；
S23、相机探测器对分块后的发光信息进行光电转换和图像重建，形成3D发射光的模式图像。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种人体内部三维剂量分布的实时测量***，其特征在于，所述***包括：人体器官物理模型、相机测量***和剂量重建***，所述人体器官物理模型包括：具备透光性的外壳，所述外壳内部填充有人体组织等效的闪烁体；
所述人体器官物理模型内的所述闪烁体在受到辐射源的射线的能量沉积时，产生发光信息，且光产额与射线的能量沉积成正比；所述相机测量***用于收集所述发光信息，根据所述发光信息重建所述人体器官物理模型受到辐射后形成的3D发射光的模式图像；所述剂量重建***用于对所述模式图像进行剂量重建，得到所述人体器官物理模型中的三维剂量分布信息；
所述相机测量***包括：主镜头、微镜头阵列和相机探测器，所述人体器官物理模型、所述主镜头、所述微镜头阵列和所述相机探测器依次排列，所述相机探测器的镜头对准所述微镜头阵列，所述主镜头的镜头对准所述人体器官物理模型，所述微镜头阵列中的每个微透镜均覆盖多个传感器像素；
所述主镜头用于收集所述发光信息，并将其全部投影到所述微镜头阵列上；所述微镜头阵列用于根据每个微镜头的属性对所述主镜头投射的光线进行分块，将分块后的所述发光信息传递给所述相机探测器，分块后的所述发光信息包括入射光子的角度信息、空间信息和方向信息；所述相机探测器用于对分块后的所述发光信息进行光电转换和图像重建，形成3D发射光的模式图像；
所述剂量重建***具体用于通过期望最大化算法对所述模式图像进行剂量重建，得到所述人体器官物理模型中的三维剂量分布信息；
所述闪烁体为凝胶闪烁体、液态闪烁体或塑料闪烁体；
所述外壳的厚度范围为0.1mm～10mm；
所述主镜头的入瞳直径为100mm，焦距为600mm；
所述微镜头阵列的相对孔径为1/6，焦距为540μm，单元数为403*268；
所述相机探测器为Cmos相机、制冷相机或光场相机，所述相机探测器的有效探测面积为36mm*24mm，有效像素数为4032*2688。
2.基于权利要求1所述的一种人体内部三维剂量分布的实时测量***的一种人体内部三维剂量分布的实时测量方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、人体器官物理模型内的所述闪烁体在受到辐射源的射线的能量沉积时，产生发光信息，且光产额与射线的能量沉积成正比；
S2、相机测量***收集所述发光信息，根据所述发光信息重建所述人体器官物理模型受到辐射后形成的3D发射光的模式图像；
S3、剂量重建***对所述模式图像进行剂量重建，得到所述人体器官物理模型中的三维剂量分布信息；
所述相机测量***包括：主镜头、微镜头阵列和相机探测器，步骤S2包括：
S21、所述主镜头收集所述发光信息，并将其全部投影到所述微镜头阵列上；
S22、所述微镜头阵列根据每个微镜头的属性对所述主镜头投射的光线进行分块，将分块后的所述发光信息传递给所述相机探测器，分块后的所述发光信息包括入射光子的角度信息、空间信息和方向信息；
S23、所述相机探测器对分块后的所述发光信息进行光电转换和图像重建，形成3D发射光的模式图像。
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