一种粒子放射治疗射束实时监测方法技术

本发明专利技术公开了一种粒子放射治疗射束实时监测方法，包括根据切伦科夫光光强二维分布即可实时监测质子束的照射位置、大小、形状、均匀性和半高宽；同时，基于切伦科夫光光强和质子束能量之间的定量关系，可确定质子束实际输出的能量；然后根据射束输出的实时偏差信息，可计算得到剂量偏差值。本发明专利技术提供了一种能够实时全面监测质子放射治疗过程中射束信息（能量、照射位置、大小、均匀性、半高宽）且简单实用、稳定可靠的新方法，可有效确保计划剂量的准确授予。

A Real-time Beam Monitoring Method for Particle Radiotherapy

The invention discloses a real-time monitoring method for particle radiotherapy beam, which includes real-time monitoring of the irradiation position, size, shape, uniformity and half-width of proton beam according to the two-dimensional distribution of Cherenkov light intensity; at the same time, the actual output energy of proton beam can be determined based on the quantitative relationship between Cherenkov light intensity and proton beam energy; Real-time deviation information can be used to calculate the dose deviation. The invention provides a simple, practical, stable and reliable new method for real-time and comprehensive monitoring of beam information (energy, irradiation location, size, uniformity, half-width) during proton radiotherapy, which can effectively ensure the accurate granting of planned dose.

【技术实现步骤摘要】
一种粒子放射治疗射束实时监测方法
本专利技术涉及放射治疗领域，具体是一种粒子放射治疗射束实时监测方法。
技术介绍
质子放射治疗是目前最前沿的癌症治疗手段之一，其具有独特的物理特性：质子的剂量沉积在某一深度处存在一个峰值，且在峰值之后剂量沉积下降非常陡峭，几乎瞬间降低至0；在实际应用中，通过不同能量质子束的组合，可只在肿瘤区域形成一个高剂量平台。相对于传统的光子放射治疗，质子放射治疗能够在保证靶区剂量的同时尽可能减少尾部正常组织器官的剂量。但同时也正是由于质子束的这一特性，使得轻微的质子束输出不准确即可导致较大的剂量偏差，从而导致靶区剂量过低或造成正常组织过量照射。所以，在肿瘤患者进行质子放射治疗前，都需要通过治疗计划系统设计个体化的质子束照射计划，对质子束能量、照射位置、束斑大小、均匀性、半高宽等进行精确设计。但质子束本身特性亦可能发生偏差，非常有必要在质子放射治疗中对射束进行质量保证和控制，以确保治疗疗效和保障患者辐射防护与安全的基础。目前，质子束在治疗前需要使用电离室和水体模对其进行质量保证，在治疗过程中则通过机头端有限数量的电离室对剂量率输出进行实时测量。但该类质量保证方法仍不能全面地确保治疗过程中射束输出的准确性，无法对照射到患者体表的射束信息（能量、照射位置、大小、均匀性、半高宽）进行实时监测。因此，急需发展一种用于质子放射治疗射束实时监测的新方法，能够确保治疗过程中射束输出的准确性，进而保证计划剂量的准确授予。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种粒子放射治疗射束实时监测方法，能够实时监测质子放射治疗射束能量、照射位置、大小、均匀性和半高宽且简单实用、稳定可靠。本专利技术提供了一种粒子放射治疗射束实时监测方法，包括以下步骤：1）通过治疗计划系统获得治疗过程中射束任意时间点的能量E(T)、照射位置P(T)，并获取不同能量质子束的束斑大小R(E)、均匀性U(E)和半高宽FWHM(E)，其中E为质子束的能量，T为照射过程中的任意时间点，照射位置P为照射到患者体表射野中心点的空间坐标（X,Y,Z）；2）在最优探测条件下利用高灵敏度光学探测器获得不同能量质子束照射时的杂散辐射背景数据S(E,Nx,Ny)，其中S为每一像素的光学计数，E为质子束能量，Nx和Ny分别为每一像素在EMCCD探测器X和Y方向上的阵列序号；3）在质子放射治疗前，设置最优探测条件，利用高灵敏度光学探测器获取质子束照射位置处的环境光背景数据B(Nx,Ny)；4）在质子放射治疗过程中，保持最优探测条件不变，利用光学探测器对质子束照射位置进行实时二维光学成像，实时测量照射位置处的单位面积光强二维分布V(T,E,Nx,Ny)；5）将不同时间点的光强二维分布减去环境光背景数据和杂散辐射背景数据，然后根据切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系，得到单位面积切伦科夫光光强二维分布Vc(T,E,Nx,Ny)；6）切伦科夫光光强二维分布区域的位置、大小、均匀性和半高宽即反映质子射束相关信息；同时，基于切伦科夫光光强和质子束能量之间的定量关系，由切伦科夫光光强得到射束能量；最终，可得到任一时间点射束的能量Ea(T)、照射位置Pa(T)、大小Ra(T)、均匀性Ua(T)和半高宽FWHMa(T)；7）将根据切伦科夫光光强二维分布获得的实际射束信息和步骤1）中的理想射束信息进行对比分析，得到任一时间点射束各个特性的偏差百分比；同时，基于蒙特卡罗方法计算患者肿瘤区域和正常组织的剂量偏差值。步骤2）所述的最优探测条件确定过程如下：基于等效数字体模和质子束流源项，利用蒙特卡罗工具包Geant4计算EMCCD探测器位于不同角度和位置时的切伦科夫光光强分布，确定EMCCD探测器的最佳探测位置和角度；同时，通过实验验证该最佳探测位置和角度，并进一步确定EMCCD探测器的探测参数设置，最终确定包括EMCCD探测器位置及角度、探测参数在内的最优探测条件。步骤5）所述切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系可由以下步骤获得：在不同能量质子束实际照射辐射仿真人体体模条件下，利用高灵敏度光谱仪在最优探测条件下对体模近体表产生的光学光子光谱进行测量，通过光谱分析建立不同能量质子束照射下切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系。步骤6）所述切伦科夫光光强和质子束能量之间的定量关系可由以下步骤获得：基于等效数字体模和特定质子放射治疗设备的射束源项，将光学探测器设置为最优探测条件，利用蒙特卡罗方法计算不同能量质子束照射时光学探测器得到的切伦科夫光光强分布，建立切伦科夫光光强和射束能量之间的定量关系式；同时，在不同能量质子束实际照射辐射仿真人体体模条件下，利用光学探测器在最优探测条件下对光学光强分布进行探测，并根据切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系，基于实验数据对切伦科夫光光强和射束能量之间的定量关系进行标定校正。本专利技术有益效果在于：根据质子放射治疗过程中产生的切伦科夫光光强二维分布即可确定射束的照射位置、大小、均匀性和半高宽，并结合切伦科夫光光强和射束能量之间的定量关系反推射束能量，进而可以全面监测质子放射治疗过程中的射束输出准确性，达到确保治疗疗效和保障患者辐射防护与安全的效果。附图说明图1为本专利技术实例提供的质子束在患者体表照射位置处产生切伦科夫光及其探测示意图。图2为本专利技术粒子放射治疗射束实时监测方法的流程示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1为质子束在患者体表照射位置处产生切伦科夫光及其探测示意图。患者3固定于治疗床7上，从质子加速器装置1发射出的质子束2按照治疗计划对患者3进行照射。质子束2在患者3体内产生切伦科夫光4，照射野范围内近体表处产生的切伦科夫光4穿出体表被固定于悬挂臂6上的EMCCD探测器5所探测，进而扣除环境光背景数据和杂散辐射背景数据，然后根据切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系得到切伦科夫光光强二维分布，根据切伦科夫光光强二维分布即可确定质子束任一时间点的能量、照射位置、大小、均匀性和半高宽。图2为本专利技术粒子放射治疗射束实时监测方法的流程示意图，具体过程为：步骤1：基于等效数字体模和质子束流源项，利用蒙特卡罗工具包Geant4计算EMCCD探测器位于不同角度和位置时的切伦科夫光光强分布，确定EMCCD探测器的最佳探测位置和角度。同时，通过实验验证该最佳探测位置和角度，并进一步确定EMCCD探测器的探测参数设置，最终确定包括EMCCD探测器位置及角度、探测参数等在内的最优探测条件；步骤2：在不同能量质子束实际照射辐射仿真人体体模条件下，利用高灵敏度光谱仪在最优探测条件下对体模近体表产生的光学光子光谱进行测量，通过荧光峰值波长结合光谱处理实现荧光组分和切伦科夫光组分的分离，建立不同能量质子束照射下切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系；步骤3：基于等效数字体模和特定质子放射治疗设备的射束源项，将EMCCD探测器设置为步骤1得到的最优探测条件，利用Geant4计算不同能量质子束照射时EMCCD探测器得到的切伦科夫光光强分布，建立切伦科夫光光强和射束能量之间的定量关系式；同时，在不同能量质子束实际照射辐射仿真人体体模条件下，利用EMCCD探测器在最优探测条件下对光学光强分布进行探测，并根据切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系，基于实验数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粒子放射治疗射束实时监测方法，其特征在于包括以下步骤：1）通过治疗计划系统获得治疗过程中射束任意时间点的能量E (T)、照射位置P (T)，并获取不同能量质子束的束斑大小 R (E)、均匀性U (E)和半高宽FWHM (E)，其中E为质子束的能量，T为照射过程中的任意时间点，照射位置P为照射到患者体表射野中心点的空间坐标（X,Y, Z）；2）在最优探测条件下利用高灵敏度光学探测器获得不同能量质子束照射时的杂散辐射背景数据S (E, Nx, Ny) ，其中S为每一像素的光学计数，E为质子束能量，Nx和Ny分别为每一像素在EMCCD探测器X和Y方向上的阵列序号；3）在质子放射治疗前，设置最优探测条件，利用高灵敏度光学探测器获取质子束照射位置处的环境光背景数据B (Nx, Ny)；4）在质子放射治疗过程中，保持最优探测条件不变，利用光学探测器对质子束照射位置进行实时二维光学成像，实时测量照射位置处的单位面积光强二维分布V (T, E, Nx, Ny)；5）将不同时间点的光强二维分布减去环境光背景数据和杂散辐射背景数据，然后根据切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系，得到单位面积切伦科夫光光强二维分布Vc(T, E, Nx, Ny)；6）切伦科夫光光强二维分布区域的位置、大小、均匀性和半高宽即反映质子射束相关信息；同时，基于切伦科夫光光强和质子束能量之间的定量关系，由切伦科夫光光强得到射束能量；最终，可得到任一时间点射束的能量Ea(T)、照射位置Pa (T)、大小Ra (T)、均匀性Ua (T)和半高宽FWHMa (T)；7）将根据切伦科夫光光强二维分布获得的实际射束信息和步骤1）中的理想射束信息进行对比分析，得到任一时间点射束各个特性的偏差百分比；同时，基于蒙特卡罗方法计算患者肿瘤区域和正常组织的剂量偏差值。...

【技术特征摘要】
1.一种粒子放射治疗射束实时监测方法，其特征在于包括以下步骤：1）通过治疗计划系统获得治疗过程中射束任意时间点的能量E(T)、照射位置P(T)，并获取不同能量质子束的束斑大小R(E)、均匀性U(E)和半高宽FWHM(E)，其中E为质子束的能量，T为照射过程中的任意时间点，照射位置P为照射到患者体表射野中心点的空间坐标（X,Y,Z）；2）在最优探测条件下利用高灵敏度光学探测器获得不同能量质子束照射时的杂散辐射背景数据S(E,Nx,Ny)，其中S为每一像素的光学计数，E为质子束能量，Nx和Ny分别为每一像素在EMCCD探测器X和Y方向上的阵列序号；3）在质子放射治疗前，设置最优探测条件，利用高灵敏度光学探测器获取质子束照射位置处的环境光背景数据B(Nx,Ny)；4）在质子放射治疗过程中，保持最优探测条件不变，利用光学探测器对质子束照射位置进行实时二维光学成像，实时测量照射位置处的单位面积光强二维分布V(T,E,Nx,Ny)；5）将不同时间点的光强二维分布减去环境光背景数据和杂散辐射背景数据，然后根据切伦科夫光光强与总光强之间的比例关系，得到单位面积切伦科夫光光强二维分布Vc(T,E,Nx,Ny)；6）切伦科夫光光强二维分布区域的位置、大小、均匀性和半高宽即反映质子射束相关信息；同时，基于切伦科夫光光强和质子束能量之间的定量关系，由切伦科夫光光强得到射束能量；最终，可得到任一时间点射束的能量Ea(T)、照射位置Pa(T)、大小Ra(T)、均匀性Ua(T)和半高宽FWHMa(T)；7）将根据切伦科夫光光强二维分布获得的实际射束信息和步骤1）中的理想射束信息进行对比分析，得到任一时间点...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿长冉，舒迪昀，汤晓斌，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32