基于EPID的在体三维剂量监测及验证方法技术

本发明专利技术公开的基于EPID的在体三维剂量监测及验证方法，属于放射治疗质量保证技术领域。本发明专利技术通过电子射野影像装置采集放疗时每个射野的图像；通过对应散射线与原射线比值提取射野图像中的原射线灰度值，将EPID平面原射线的灰度值转换为EPID平面原射线强度值，进而结合模体CT值反推得到入射模体前的原射线强度值，通过入射模体前原射线强度值与能量沉积核卷积得到模体内的三维剂量值；将计算的三维剂量值与放疗计划系统计算值进行比较，即能够验证放疗计划系统计算和执行的准确性。本发明专利技术只需通过相应的散射线与原射线比值即能够去除EPID平面散射线影响，无需使用迭代或者反卷积的方法。本发明专利技术能够提高三维剂量监测及验证的效率和精度。

In vivo three-dimensional dose monitoring and verification method based on EPID

【技术实现步骤摘要】
基于EPID的在体三维剂量监测及验证方法
本专利技术属于放射治疗质量保证
，具体涉及一种基于EPID的在体三维逆向剂量监测及验证方法。
技术介绍
随着放疗技术的发展，调强放射治疗(Intensity-ModulatedRadiationTherapy,IMRT)和容积调强放射治疗(VolumeModulatedArcTherapy,VMAT)技术应运而生，其复杂的治疗计划对精度的要求也更高，因此质量保证尤为重要。电子射野影像装置(ElectronicPortalImagingDevice,EPID)因采集图像速度快、分辨率高、具有良好的剂量线性响应以及长期的稳定性，目前已经逐渐用于调强放疗中的剂量验证。用EPID进行剂量验证主要分为治疗前的剂量验证和在体剂量验证。治疗前剂量验证是治疗前在有模体或者无模体的情况下，将EPID实际测量结果与放射治疗计划系统(TreatmentPlanningSystem,TPS)计算的EPID剂量分布进行比较，或者通过EPID测量的射野剂量分布重建模体内的剂量分布，与TPS计算结果进行比较；在体剂量验证是通过采集实际治疗时EPID的射野图像，结合模体电子计算机断层扫描(ComputedTomography,CT)数据重建患者体内的剂量分布，再与TPS计算的患者体内剂量进行比较。使用EPID进行剂量验证时，必须要考虑的一个问题就是EPID图像的散射影响。由于EPID采集到的图像包括原射线的贡献值和散射线的贡献值，在计算模体内的剂量时，只需提取原射线的贡献值。在现有的使用EPID进行剂量验证的方法中，主要采用迭代或者反卷积的方法去除EPID平面的散射值，使用迭代方法计算时间较长，使用反卷积方法时EPID各点需使用同样的卷积核，降低了计算的精度。
技术实现思路
本专利技术公开的基于EPID的在体三维剂量监测及验证方法的目的是：提供一种放射治疗中使用EPID对模体接受剂量进行监测及验证的方法，所述方法在去除EPID图像的散射值时无需通过迭代或者反卷积的方法，只需通过相应的散射线与原射线比值即能够去除EPID平面散射线的影响，散射线与原射线比值数据库通过提前测量医用加速器和EPID数据获得，本专利技术能够很大程度的减少计算的复杂性，提高三维剂量监测及验证的效率和精度。本专利技术将计算的三维剂量值与放射治疗计划系统计算值进行比较，即能够验证放射治疗计划系统计算和执行的准确性。所述模体包括被放射的生物体或仿真模体。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：本专利技术公开的基于EPID的在体三维剂量监测及验证方法，通过电子射野影像装置(ElectronicPortalImagingDevice,EPID)采集放疗时每个射野的图像。通过对应的散射线与原射线比值提取射野图像中的原射线灰度值，将EPID平面原射线的灰度值转换为EPID平面原射线强度值，进而结合模体CT值反推得到入射模体前的原射线强度值，通过入射模体前原射线强度值与能量沉积核卷积即得到模体内的三维剂量值。将计算的三维剂量值与放射治疗计划系统计算值进行比较，即能够验证放射治疗计划系统计算和执行的准确性。本专利技术公开的基于EPID的在体三维剂量监测及验证方法，包括如下步骤：步骤一：通过采集不同射野大小、不同模体厚度的EPID射野图像，建立EPID散射线与原射线比值数据库。步骤一实现方法为：采集不同射野大小、不同模体厚度的EPID射野图像，EPID上各点总灰度响应值包括原射线灰度响应值和散射线灰度响应值，关系如式(1)所示：其中，i、j为EPID平板各像素的坐标索引值，fs为射野大小，t为模体厚度，表示射野大小为fs、厚度为t时EPID点(i,j)处总的灰度响应值，表示射野大小为fs、厚度为t时点(i,j)处的原射线灰度响应值，表示射野大小为fs、厚度为t时点(i,j)处散射线灰度响应值。原射线的灰度响应值与射野大小无关，散射线的灰度响应值随着射野的增大而变大，故射野趋于零时，散射线贡献为零，此时可求得EPID平面各点的原射线灰度值，进而求得散射线灰度响应值，然后通过公式(2)即可求得EPID平面散射线与原射线的比值。即实现了建立不同射野大小、不同模体厚度的散射线与原射线比值数据库。其中，SPR(fs,t)表示射野大小为fs、厚度为t时的散射线与原射线比值。步骤二：采集监测时每个射野的EPID射野图像，并从步骤一生成的散射线与原射线比值数据库中插值得到该射野大小和模体厚度对应的散射线与原射线值，去除EPID的散射影响，提取出EPID平面原射线的灰度值，计算不规则射野的散射线与原射线比值时将不规则射野转换成相应的等效方野，再从数据库中插值得到对应的散射线与原射线比值；步骤二实现方法为：首先采集放疗时的射野，然后计算从加速器源到EPID上各点所经过路径的等效水厚度，由公式(1)和公式(2)知，EPID上各点总的灰度响应值转换为公式(3)所示形式：所以，EPID上各点的原射线响应值通过公式(4)求得：即实现通过对应的散射线与原射线比值从EPID平面总灰度响应值中提取原射线的灰度响应值。步骤三：将步骤二中提取的EPID平面原射线灰度值转化为EPID平面原射线的强度值；步骤三实现方法为：将步骤二中公式(4)计算得到的EPID平面原射线灰度值除以灰度-强度转换矩阵转换成EPID平面的原射线强度值，如公式(5)所示：其中，表示厚度为t时，EPID平面原射线的强度值，CHij表示灰度-强度转换矩阵；灰度-强度转换矩阵CHij计算方法如下：将电离室夹在三维水箱上，外装平衡帽，高度与EPID所在平面一致，射野大小根据三维水箱大小预先设定，扫描对角线方向剂量剖线即为原射线强度的离轴分布曲线同样条件下照射EPID，用步骤二中公式(4)提取EPID平面上点(i,j)处的原射线灰度响应值与的比值即为CHij，对于同一台加速器和EPID只需测量一次。即实现了将EPID平面原射线灰度值转换为EPID平面原射线强度值。步骤四：将步骤三中计算的EPID平面原射线强度值反推得到入射模体前的原射线强度值；步骤四实现方法为：将步骤三中公式(5)计算得到的EPID平面原射线强度值根据指数衰减规律和平方反比定律反推得到入射模体前的原射线强度值，因不同物质的衰减系数不同，此处为了简化运算，通过等效水厚度以及测量得到的水的衰减系数进行计算，如公式(6)和公式(7)所示：μij＝α(rij)-β(rij)tij(7)其中，SID为加速器源到EPID平面的距离，SSD为加速器源到模体表面的距离，为EPID平面的原射线强度值，μij为实验计算得到的衰减系数，tij为加速器源到EPID各点的等效水厚度，rij为EPID平面点(i,j)到中心轴的距离，α(rij)表示原射线对水厚度为tij时的衰减，β(rij)表示对射束硬化效应的校正。通过测量不同射野大小、不同固体水厚度时原射线的透射率，拟合得到不同离轴位置处α(rij)和β(rij)的值。即为反推得到的入射模体前的原射线强度值。即实现了将EPID平面原射线强度值反推得到入射模体前的原射线强度值。步骤五：通过步骤四计算得到的入射模体前的原射线强度值与能量沉积核进行卷积计算模体内的三维剂量分布。步骤五实现方法为：将步骤四中计算得到的入射模体前原射线强度值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于EPID的在体三维剂量监测及验证方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：通过采集不同射野大小、不同模体厚度的EPID射野图像，建立EPID散射线与原射线比值数据库；步骤二：采集监测时每个射野的EPID射野图像，并从步骤一生成的散射线与原射线比值数据库中插值得到该射野大小和模体厚度对应的散射线与原射线比值，去除EPID平面散射的影响，提取出EPID平面原射线的灰度值；计算不规则射野的散射线与原射线比值时将不规则射野转换成相应的等效方野，再从数据库中插值得到对应的散射线与原射线比值；步骤三：将步骤二中提取的EPID平面原射线灰度值转化为EPID平面原射线的强度值；步骤四：将步骤三中计算的EPID平面原射线强度值反推得到入射模体前的原射线强度值；步骤五：通过步骤四计算得到的入射模体前的原射线强度值与能量沉积核卷积计算得到模体内的三维剂量分布；步骤六：将步骤一到步骤五计算监测的三维剂量分布值与放射治疗计划系统计算的剂量值进行比较，验证放射治疗计划系统计算和执行的准确性。

【技术特征摘要】
1.基于EPID的在体三维剂量监测及验证方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：通过采集不同射野大小、不同模体厚度的EPID射野图像，建立EPID散射线与原射线比值数据库；步骤二：采集监测时每个射野的EPID射野图像，并从步骤一生成的散射线与原射线比值数据库中插值得到该射野大小和模体厚度对应的散射线与原射线比值，去除EPID平面散射的影响，提取出EPID平面原射线的灰度值；计算不规则射野的散射线与原射线比值时将不规则射野转换成相应的等效方野，再从数据库中插值得到对应的散射线与原射线比值；步骤三：将步骤二中提取的EPID平面原射线灰度值转化为EPID平面原射线的强度值；步骤四：将步骤三中计算的EPID平面原射线强度值反推得到入射模体前的原射线强度值；步骤五：通过步骤四计算得到的入射模体前的原射线强度值与能量沉积核卷积计算得到模体内的三维剂量分布；步骤六：将步骤一到步骤五计算监测的三维剂量分布值与放射治疗计划系统计算的剂量值进行比较，验证放射治疗计划系统计算和执行的准确性。2.如权利要求1所述的基于EPID的在体三维剂量监测及验证方法，其特征在于：步骤一实现方法为，采集不同射野大小、不同模体厚度的EPID射野图像，EPID上各点总灰度响应值包括原射线灰度响应值和散射线灰度响应值，关系如式(1)所示：其中，i、j为EPID平板各像素的坐标索引值，fs为射野大小，t为模体厚度，表示射野大小为fs、厚度为t时EPID点(i,j)处总的灰度响应值，表示射野大小为fs、厚度为t时点(i,j)处的原射线的灰度响应值，表示射野大小为fs、厚度为t时点(i,j)处散射线的灰度响应值；原射线的灰度响应值与射野大小无关，散射线的灰度响应值随着射野的增大而变大，故射野趋于零时，散射线贡献为零，此时能够求得EPID平面各点的原射线灰度值，进而求得散射线灰度响应值，然后通过公式(2)即可求得EPID平面散射线与原射线的比值；即实现建立不同射野大小、不同模体厚度的散射线与原射线比值数据库；其中，SPR(fs,t)表示射野大小为fs、模体厚度为t时的散射线与原射线比值。3.如权利要求2所述的基于EPID的在体三维剂量监测及验证方法，其特征在于：步骤二实现方法为，由公式(1)和公式(2)知，EPID上各点总的灰度响应值转换为公式(3)所示形式：所以，EPID上各点的原射线响应值通过公式(4)求得：4.如权利要求3所述的基于EPID的在体三维剂量监测及验证方法，其特征在于：步骤三实现方法为，将步骤二中公式(4)计算得到EPID平面原射线灰度值除以灰度-强度转换矩阵转换成EPID平面的原射线强度值，如公式(5)所示：其中，表示厚度为t时，EPID平面原射线的强度值，CHij表示灰度-强度转换矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：温俊海，张军，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11