CN1649643B - 活体剂量测定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在病人的特定病人治疗期间放射治疗中能够量化剂量辐照的方法，其中利用预定时段中的测定结果以及放置在病人与辐射源之间射束中的信息装置，并把读数转换成对应于人体模型中测定结果。本发明还覆盖该方法以得到检测器的所述校准因子。通过同时照射信息装置和所述人体模型以得到每个信息装置，场和所述预定时段的所述校准因子，所述人体模型包含检测器以测量吸收的剂量，其中利用没有病人的所述特定病人治疗。

Description

活体剂量测定的方法

技术领域

本发明涉及病人治疗期间校准放射治疗设备中所用检测器的方法以验证给病人辐照剂量的准确性。

背景技术

20世纪初以来放射疗法一直用于治疗人体中的癌症。即使我们知道放射疗法对于恶性肿瘤是有效的，但是，长期以来许多癌症的死亡率实际上没有发生很大的变化。这种情况的主要原因是因为我们不能控制原发性癌或转移的发生。只有通过改进局部控制才可以使治疗更加有效。在过去几年中，放射疗法中的治疗计划***TPS得到广泛的发展，因此，现在能够考虑特定病人的解剖结构和有效计划每个病人的更优化治疗，给目标物提供均匀的剂量和给危险器官提供最小的剂量。

这种优化治疗的治疗技术比常规的治疗方法更复杂，因为必须横向调制每个场的强度，从而补偿病人的异质性和轮廓，该技术称之为强度调制放射疗法IMRT。由于一次光子束的衰减，利用补偿器，过滤器减小每个部分场的强度到预定的电平以完成优化治疗。然而，在利用几个场时(4-8)，每个场要求单独的补偿器，这种技术既费时又需要大量的劳动。此外，光子束的衰减还造成射束中频谱分布的多余变化，从而使整个过程变得更复杂。实现IMRT场的最普通方法是利用MLC(多叶准直器)，这是一种包括薄挡板(叶片)的装置，它可以分别地放置以阻挡一小部分的场，从而使横向射束整形成各种不规则的形状。在治疗期间移动这些叶片，每个部分的治疗体积照射不同的时间，从而可以调制治疗区上的强度。

然而，新的治疗技术要求病人准确地处在预定的位置，这种情况不总是容易实现的。此外，准确的剂量辐照要求增大了，从而增大对治疗机的质量控制(QC)，计划过程和最终治疗的要求。必须使用新的验证方法和QC。然而，几乎没有发表有关活体剂量测定法在治疗期间的测定结果。

在传统的活体剂量测定法中，利用检测器对病人皮肤进行测量以预测病人体内剂量是非常苛刻的，由于TPS(治疗计划***)的限制，以前利用固定场(常规的治疗)预测病人区域中的剂量分布，其中外部产生的二次电子对辐照剂量有重大的贡献，例如，积累区(光子束进入病人并到达病人5-35mm深度的部分)。在固定场中利用TPS不能准确地预测表面或皮肤剂量或病人上游的空气中剂量，并随着动态辐照治疗使困难增加。在固定场中，解决这个问题的方法是利用特殊设计的检测器，全面校准，或二者的组合。在IMRT治疗中，利用全面校准或特殊设计是不容易解决的，这是因为场中的变化强度是与病人有关。在每个部分通常不利用传统的活体剂量测定法，从而使特殊设计检测器的扰动变得忽略不计。IMRT治疗中小的容限要求在每个部分有扩展的剂量测定和治疗控制，因此，常规治疗中使用的检测器扰动变得很大。此外，在利用IMRT时，必须在许多点进行测量以验证场的形态，因此，检测器的横向位置是重要的。为了简化该问题，人们建议仅测量空气中的辐照通量。然而，由于缺乏可以明白的量化，很难判断与预测值的差异。

另一个传统活体剂量测定法的方案是，人们建议利用放置在病人下游的成像***，胶片或EPID(电子门成像装置)，其中校准该装置以测定剂量.这种方法是在K.I.Pasma et al.的“Portal dose imageprediction for dosimetric treatment verification in radiotherapy I：andalgorithm for open beam”中讨论，Medical Physics 25(6)，pages830-840，1998。例如，利用测量装置位置处的TPS(治疗计划***)，可以与计算的剂量分布进行比较。在M.Kroonwijk et al.的“In Vivodosimetry for prostate cancer patients using an electronic portalimaging device；demonstration of internal organ motion”中描述其中一个例子，Radiotherapy and Oncology，49(2)，pages 125-132，1998。另一个方案是根据EPID中测得的剂量分布计算病人中的剂量分布。这是在C.Vallhagen Dahlgren et al.的“Modelling the dosedistribution to an EPID with collapsed cone kernel superposition”中公开，它是MDS Nordion公司于2001年3月13日在Uppsala组织的Workshop。

后者的优点是它提供的数据是较容易理解。然而，单单在病人下游的测量总是不如与病人上游的测量进行组合那样准确，从而不能区分偏差是由于治疗机不正确的剂量辐照或定位误差或病人解剖结构变化(病人可能由于原始的诊断而使体重下降)造成的。后者对于分析偏差根源并不是次要的，从而可以防止它发生在下一次治疗部分(在治疗完成之前，病人通常接受30个部分)。

发明内容

本发明的目的是在病人放射治疗期间把剂量验证与病人定位验证分开，并提供提供一种完成剂量验证的方法。因此，本发明是一种高效和准确校准活体中(在治疗期间)所用检测器的方法，可以在治疗期间获得高质量和可靠的剂量测定结果。

按照本发明的一个方面，与放射治疗有关的能够量化剂量辐照的方法其特征是包括以下步骤：按照病人的治疗计划照射人体模型，测量所述人体模型中的照射，利用布置在人体模型与辐射源之间的信息装置收集关于照射的信息，其中所述测量分成几个时段，和分析测定结果以得到每个时段关于人体模型中测定结果和人体模型与辐射源之间的之间的信息装置中的测定结果之间的关系的信息，在验证辐照的剂量期间利用该关系信息。按照本发明，可以有不同的方法利用测定结果之间的关系。

因为在特定的时段存储人体模型中的测定结果和利用检测器的测定结果，可以得到测定结果之间的比例关系并确定辐照通量基准。这能够计算检测器的校准因子，这些校准因子用在活体测量中病人的随后治疗。

在应用校准因子之后，来自这种活体测量的读数可以预测人体模型内部的剂量。剂量分布中偏差的量化可用于判断该偏差是否可接受。在大多数情况下，这种剂量辐照的验证是足够的，可以提供与离线验证类似的结果。

利用EPID或其他的方法，按照传统的方式可以完成病人定位的验证，例如，在治疗射束之外的投影中(称之为图像引导放射疗法)，利用诊断X射线源和传输检测器。利用诊断X射线源的优点是使图像的对比度得到很大的提高，从而提供位置的准确性，这是专业人员都知道的。

另一种方案可以是辐照通量验证，其中通过比较所有时段的积分值与人体模型中积分测定结果，可以得到ExtDet每个时段的参照值.利用来自EPID图像的背投影组合或作为治疗计划***的输入，可以给出病人量化的剂量数据.

在验证剂量辐照和/或病人定位的主要偏差之后，第二步可以是组合这两个偏差，从而预测病人中的剂量分布，用于更精确检查给肿瘤，危险器官等的剂量。这种来自一个部分或几个部分累积的数据可用于改变剩余治疗部分的治疗计划，从而补偿早期的偏差。如果需要，可以在每个部分之后更新这种自适应治疗技术。

利用病人上游的检测器ExtDet测量辐照通量的另一种方案是，利用MLC位置的信息作为输入，计算辐照通量和随后利用上述方法校准该辐照通量，例如，在治疗前验证期间，校准每个时段的辐照通量到人体模型中测得的剂量。与利用ExtDet比较，这种人体模型中的剂量确定在准确性和验证方面受到限制，但仍然是非常有用的，因为它能够在治疗期间量化人体模型中剂量的偏差。

根据以下的详细描述和附图，本发明的这些和其他特征和优点是显而易见的。

附图说明

以下参照附图给予详细的描述，其中

图1a表示安排了人体模型的治疗机示意图，其中还配置检测器，

图1b表示图1a中治疗机的示意图，但利用人体代***模型，

图2a表示图1a中治疗机的示意图，但在机器与人体模型之间配置2D检测器装置，

图2b表示图2a中治疗机的示意图，但利用人体代***模型，

图3是辐射光束的示意图，和

图4表示治疗计划的离线验证。

具体实施方式

图1-2表示利用辐射***的放射治疗装置示意图，我们用参考数字10代表放射治疗装置。该装置包括：放射治疗***，它能够从治疗头发射电子束或光子束12。放射治疗***配置常规的场整形装置(未画出)，例如，MLC，用于改变射束的横向形状以屏蔽人体的非影响区域并把射束集中到肿瘤。放射治疗***还配置控制装置(未画出)。

安排病人20躺在台子22上。台子22可以绕垂直轴转动，并可以沿水平方向和垂直方向移动，为了使病人的治疗区是在射束的区域。此外，按照本发明的方法利用不同的检测器，用于测量从放射治疗装置发射的辐射。这些检测器可以包括实时检测器以测量表面/皮肤14，例如，半导体检测器，气体检测器，闪烁检测器，等等。检测器装置可以是薄的或包含结构的装置以减小散射辐射的影响。还可以按照这样的方式进行设计，在它的整个区域有均匀的厚度g/cm²，从而考虑到封装的各种密度和典型射束模式下的检测器。

检测器还可以在是辐射源与人体模型/病人之间测量的检测器，例如，胶片或EPID的成像***。检测器连接到合适的信号处理装置(未画出)。上述的细节对于专业人员是熟知的，此处不再详细描述。

按照本发明方法的目的是利用上述设备，为的是能够量化放射治疗中的剂量辐照，特别是在病人的特定病人治疗期间(以下称之为活体)，在预定的时段内利用放置在病人与辐射源之间辐射束中的检测器(以下称之为ExtDet)进行测量，并利用检测器测定结果与人体模型中测定结果之间的比率关系，把读数转换成对应的人体模型中的测定结果.

按照本发明方法的另一个目的是得到ExtDet的校准因子。得到的每个ExtDet的所述校准因子是用于图3的人体模型36中限定段的每个点，且所述限定的时段中每个场同时照射ExtDet和所述人体模型，其中所述人体模型包含检测器以测量吸收的剂量，它利用没有病人的所述特定病人治疗(以下称之为离线)。

利用以下的步骤可以描述按照本发明方法的例子：

●利用治疗计划***(TPS)制订病人的个人治疗计划。然后，利用诊断设备确定病人的解剖结构，例如，计算机断层照相术CT，并利用TPS中输入的测定结果，大致确定治疗装置的辐射特性。确定目标体积和危险器官，并作出治疗的最佳计划，其中利用作为危险器官最大剂量和目标最小剂量的准则。计划的结果是治疗机所用的信息以确定投影，射束模式，场形状和MLC叶片的移动。

●TPS中的特定病人治疗计划应用于合适剂量测定的人体模型，并计算人体模型内部的剂量分布。

●在治疗之前，利用特定病人治疗照射与计算中所用相同的离线物理人体模型。通过比较测定结果与完整场，子场或部分的计划(离线质量控制或治疗前验证)，测量人体模型内部的剂量分布以验证总体的剂量。此外，在每个时段的人体模型中所有测量点，它是由正确的时间或与强度调制场治疗机同步所限定，测量每个场的剂量分布并存储。图4表示以上的过程。

●在与测量离线的人体模型内部的同时，还利用人体模型表面上或人体模型与治疗源之间射束下任何位置的外部检测器ExtDet测量剂量，其中利用与人体模型测量中相同或同步的时段。这个步骤还可以这样完成，首先在人体模型内部放置检测器并测量每个时段的辐射，然后沿人体模型上游放置人体模型，再现以前的辐照条件并测量每个时段的辐射。利用这种解决方法，在两个测量中可以利用相同的检测器。得到每个ExtDet，每个场和时段的读数用于计算校准因子与人体模型中的剂量值。或首先存储得到的读数和随后计算校准因子，或立刻进行计算。最好按照以下公式计算校准因子：

Cal_{n，f，seg-n，f，p，t(i)，t(t+1)}＝S_{n，f，t(i)，t(i+1)}/(D_{seg-n，f，p，t(i)，t(I+1)})

其中

D：在某个时段测得具有已知形状，定位和取向的人体模型中测得的吸收剂量

S：来自ExtDet的积分信号

n：图3中ExtDet的检测器单元32

f：特定的场(场标识限定的一个射束投影)

seg：图3中一个特定的ExtDet检测器单元n和场f 36限定的一个特定投影方向中阴影体积所描述的一段人体模型

p：该段中限定的点

Cal：校准因子

t(i)：时段i开始的时间，t(0)是序列的开始时间。

t(i+1)：时段i+1开始的时间，t(T)是序列的结束时间。

D_{seg-n，f，p，t(i)，t(i+1)}：ExtDet检测器单元n和从时间t(i)至t(i+1)积分场(投影)f限定的人体模型段中点p的剂量

S_{n，f，t(i)，t(i+1)}：在从时间t(i)至t(i+1)积分场f中ExtDet检测器单元n的信号

C_{aln，f，seg-n，f，p，t(i)，t(i+1)}：在场f中ExtDet检测器单元n使用的校准因子。为了转换从时间t(i)至t(i+1)积分的信号以得到ExtDet检测器单元n和从时间t(i)至t(i+1)积分场(投影)f限定的人体模型段中点p的剂量。

●在治疗病人期间，可以把每个ExtDet的读数转换成人体模型段中各点的剂量，按照以下公式利用每个时段的所述校准因子

D_{seg-n，f，p，t(i)，t(i+1)}＝(S_{n，f，t(i)，t(i+1)}/Cal_{n，f，seg-n，f，p，t(i)，t(i+1)})

按照以下的公式，可以对人体模型中每个特定剂量点的所有时间段求和以给出每个场在该点的总剂量

$D_{\mathrm{seg}-n,f,p}=\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{seg}-n,f,p,t\left(i\right),t(i+1)}=\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}(S_{n,f,t\left(i\right),t(i+1)}/{\mathrm{Cal}}_{n,f,\mathrm{seg}-n,f,p,t\left(i\right),t(i+1)})$

然后，可以对每个特定点来自全部场的剂量求和以给出完整治疗部分(完整治疗是由几天或几周给出的几个部分构成)中所有点的总剂量。在应用到类似于离线验证(治疗前验证)的人体模型上时，可以直接地比较每个点的总剂量与治疗计划***的结果。

利用每个时段的数据，可以分析测得剂量值与计算剂量值之间的偏差，从而简化分析阶段。

若偏差是由叶片的不正确移动造成的，则人体模型中计算的剂量值可能略微不正确，在这种情况下，利用人体模型测定结果可以验证准确值，该测定结果模拟辐照未对准治疗期间的移动。

利用检测器的投影或与ExtDet限定的标记，可以确定ExtDet在人体模型和病人的横向平面上位置，其中利用来自人体模型下游的图像装置中图像，例如，EPID或放射照相胶片。

利用检测器装置上的标记，可以观察场中病人相对于检测器的不正确定位，检测器装置照亮EPID图像，例如，lead-seeds。利用几个投影，可以确定病人的定位。

或者，辐照通量验证按照治疗计划的人体模型中积分剂量与利用ExtDet同时测量的参考信号，其中(S_{n，f，t(i)，t(i+1)}正比于(D_{seg-n，f，p，t(i)，t(i+1)}，可以估算治疗期间每个时段的辐照通量偏差，虽然它不能直接地转换成人体模型中的剂量。

或者，利用病人上游的检测器ExtDet测量辐照通量，它是利用MLC位置的任何信息作为输入计算辐照通量，然后利用上述方法校准该辐照通量，例如，校准每个时段的辐照通量到治疗前验证期间人体模型中测得的剂量。与利用ExtDet比较，这种确定人体模型中的剂量在准确性和验证方面受到限制，但仍然是非常有用的，因为它能够量化治疗期间的偏差作为人体模型中的剂量。得到有关MLC位置的信息是容易的，因为在放射治疗装置中已经配置控制MLC叶片位置的装置。这个信息可用于比较人体模型内部的测定结果。

在利用MLC位置的信息时，可以按照以下公式计算校准因子

Cal_{n，f，p，t(i)，t(i+1)}＝F_{n，f，t(i)，t(i+1)}/(D_{f，p，t(i)，t(i+1)})

其中

D_{f，p，t(i)，t(i+1)}：在从时间t(i)到t(i+1)积分场(投影)f的人体模型中点p的剂量。

F_{n，f，t(i)，t(i+1)}：在沿射线的病人与辐射源之间场f的辐照通量，该射线相交于从时间t(i)到t(i+1)积分的人体模型中的点p。

Cal_{n，f，p，t(i)，t(i+1)}：描述病人与辐射源之间辐照通量与人体模型中剂量关系的校准因子。

按照以下的公式，可以对人体模型中每个特定剂量点的全部时间段读数求和以给出每个场在该点的总剂量，

$D_{f,p}=\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{f,p,t\left(i\right),t(i+1)}=\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{n,f,t\left(i\right),t(i+1)}/{\mathrm{Cal}}_{n,f,p,t\left(i\right),t(i+1)}$

在放射治疗装置的控制和测量***中可以实施本发明的方法，从而利用其中现有的处理器和存储装置。当然，还可以在包含必需设备的独立单元中实施本发明的方法，例如，中央处理单元CPU完成按照本发明的步骤。这是借助于程序存储器中存储的专用计算机程序完成的。应当明白，该计算机程序还可以在通用工业计算机中运行以代替专用计算机。

软件包括计算机程序代码单元或软件代码部分，使计算机利用上述的公式，算法，数据和计算实施该方法。部分的程序可以存储在上述处理器中，但是，它也可以存储在ROM，RAM，PROM或EPROM芯片中。部分或整个的程序还可以存储在其他合适的计算机可读媒体中，例如，磁盘，CD-ROM或DVD盘，硬盘，磁光存储器装置，非易失性存储器，闪烁存储器，如固件，或存储在数据服务器。

应当明白，以上描述的本发明和附图应当作为非限制性例子，而本发明的保护范围是受所附的专利权利要求书的限制。

Claims (25)

1.一种与放射治疗有关的能够量化剂量辐照的方法，其特征是，它包括以下步骤：

按照病人的治疗计划照射人体模型，

测量所述人体模型中的照射，

利用布置在人体模型与辐射源之间的信息装置收集关于照射的信息，其中所述测量分成几个时段，和

分析测定结果以得到每个时段关于人体模型中测定结果和人体模型与辐射源之间的信息装置中的测定结果之间的关系的信息，

在验证辐照的剂量期间利用该关系信息。

2.按照权利要求1的方法，其特征是，信息装置包括多叶准直器MLC，该多叶准直器的叶片的位置用于整形辐射源的照射光束。

3.按照权利要求2的方法，其特征是，人体模型中的测量与多叶准直器叶片位置的确定是同时进行的。

4.按照权利要求1的方法，其特征是，信息装置包括检测器ExtDet。

5.按照权利要求4的方法，其特征是，人体模型中的测量与利用检测器ExtDet的测量是同时进行的。

6.按照权利要求2至5中任何一个的方法，其特征是，根据得到的作为来自信息装置的信息读数与人体模型中沿照射光线的测定结果的比率的关系信息，计算校准因子。

7.按照权利要求2至5中任何一个的方法，其特征是，还包括步骤：存储对于每个特定时段人体模型中测定结果和病人与辐射源之间信息的数据。

8.按照从属于权利要求4或5的权利要求6的方法，其特征是，按照以下公式计算校准因子：

Cal_{n，f，seg-n，f，p，t(i)，t(i+1)}＝S_{n，f，t(i)，t(i+1)}/(D_{seg-n，f，p，t(i)，t(i+1)})

其中

D_{seg-n，f，p，t(i)，t(i+1)}：ExtDet检测器单元n和从时间t(i)至t(i+1)积分场f限定的人体模型段中点p的剂量

S_{n，f，t(i)，t(i+1)}：在从时间t(i)至t(i+1)积分场f中ExtDet检测器单元n的信号

Cal_{n，f，seg-n，f，p，t(i)，t(i+1)}：在场f中ExtDet检测器单元n使用的校准因子，为了转换从时间t(i)至t(i+1)积分的信号以得到ExtDet检测器单元n和从时间t(i)至t(i+1)积分场f限定的人体模型段中点p的剂量。

9.按照权利要求4或5的方法，其特征是，检测器ExtDet放置在人体模型的表面上。

10.按照权利要求4或5的方法，其特征是，检测器ExtDet放置在辐射源与人体模型的表面之间。

11.按照权利要求4或5的方法，其特征是，检测器ExtDet放置在人体模型的内部。

12.按照从属于权利要求2或3的权利要求6的方法，其特征是，按照以下公式计算校准因子：

Cal_{n，f，p，t(i)，t(i+1)}＝F_{n，f，t(i)，t(i+1)}/(D_{f，p，t(i)，t(i+1)})

其中

D_{f，p，t(i)，t(i+1)}：在从时间t(i)到t(i+1)积分场f的人体模型中点p的剂量

F_{n，f，t(i)，t(i+1)}：在沿射线的病人与辐射源之间场f的辐照通量，该射线相交于从时间t(i)到t(i+1)积分的人体模型中的点p

Cal_{n，f，p，t(i)，t(i+1)}：描述病人与辐射源之间的辐照通量与人体模型中剂量之间的关系的校准因子。

13.按照权利要求2至5中任何一个的方法，其特征是，在照射人体模型期间利用特定病人治疗计划，并通过比较人体模型中测得的剂量与治疗计划以验证人体模型照射的准确性。

14.按照权利要求2或3的方法，其特征是，在病人治疗期间，利用与照射人体模型期间相同的MLC位置。

15.按照权利要求8的方法，其特征是，在病人治疗期间，利用与人体模型照射期间病人与辐射源之间相同横向位置的ExtDet。

16.按照权利要求15的方法，其特征是，在病人治疗期间，利用每个时段的所述校准因子，把来自ExtDet的读数转换成剂量。

17.按照权利要求16的方法，其特征是，按照以下的公式转换该读数：

D_{seg-n，f，p，t(i)，t(i+1)}＝S_{n，f，t(i)，t(i+1)}/Cal_{n，f，seg-n，f，p，t(i)，t(i+1)}

18.按照权利要求12的方法，其特征是，在病人治疗期间，利用每个时段的所述校准因子，把来自MLC的位置的信息转换成剂量。

19.按照权利要求18的方法，其特征是，按照以下的公式转换该信息：

D_{f，p，t(i)，t(i+1)}＝F_{n，f，t(i)，t(i+1)}/Cal_{n，f，p，t(i)，t(i+1)}

20.按照权利要求16的方法，其特征是，对来自每个特定剂量点的所有时段的读数求和以得到总的剂量。

21.按照权利要求20的方法，其特征是，按照以下的公式得到求和值：

$D_{\mathrm{seg}-n,f,p}=\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{seg}-n,f,p,t\left(i\right),t(i+1)}=\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}(S_{n,f,t\left(i\right),t(i+1)}/$ ${\mathrm{Cal}}_{n,f,\mathrm{seg}-n,f,p,t\left(i\right),t(i+1)})$

22.按照权利要求18的方法，其特征是，对来自每个特定剂量点的所有时段的信息求和以得到总的剂量。

23.按照权利要求22的方法，其特征是，按照以下的公式得到求和值：

$D_{f,p}=\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{f,p,t\left(i\right),t(i+1)}=\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{n,f,t\left(i\right),t(i+1)}/{\mathrm{Cal}}_{n,f,p,t\left(i\right),t(i+1)}$

24.按照权利要求4的方法，还包括步骤：利用检测器的投影或ExtDet限定的标记，确定横向平面上ExtDet的位置，其中利用来自人体模型下游图像装置中的图像。

25.按照权利要求2至5中任何一个的方法，其特征是，利用一个治疗部分或几个治疗部分累积的病人中剂量分布，其中利用病人解剖的测定结果和辐照剂量，通过计算得到剂量分布，用于改变以前治疗之后的治疗以适应预期的剂量分布。