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基于EPID系统的放疗剂量控制技术

发表于:2019-01-25作者: 李亚东
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        摘要:电子射野影像系统(EPID)是一组辐射探测器,经过适当的刻度和校准可以用于放射治疗剂量学测量。有多种研究表明,EPID系统不仅可以提高治疗前剂量验证的效率,还可以实时监控患者接受的射线剂量,便于后续开展对患者的剂量核查工作。随着诸如IMRT、VMAT等精确、复杂的放疗技术的发展,EPID系统在临床上的使用也越来越广泛。本文主要介绍了EPID系统的工作原理及放射治疗中的应用。

  电子射野影像系统(EPID)是采用电子影像技术在X射线出射方向上获取射野信息并投影在显示装置上来辅助放射治疗的装置。第一套EPID系统是1958年Andrews设计的,用来监测2兆伏X线治疗;其后1962年Benner也设计了一个用于监测30兆伏X线治疗。由于技术限制,当时设计的EPID采集生成的图像对比度很差,实际应用效果有限。随着荧光剂和摄像技术的飞跃发展,EPID系统采集的图像质量得到了改进。上世纪80年代后,固体探测器和液体探测器开始用于EPID的设计。最初设计EPID的目的主要是通过拍摄兆伏级影像来解决射野形状和患者摆位精度的位置验证问题,后来图像质量大大提高后,利用EPID在临床上对患者靶区位置和射野形状进行验证的技术得到广泛应用,但是因为它实际上是一组辐射探测器,因此经过适当的刻度,可以作为剂量仪使用。

  EPID系统的分类

  EPID由两部分组成,射线探测装置和射线信号处理装置。目前常用的EPID按照其对射线探测方式的不同主要分为三种类型:荧光探测器型、液体电离室探测器型和固体探测器型。

  荧光型探测器的优点是成像范围大、成像速度快、空间分辨率高。但是由于反射镜倾斜占空间,造成系统体积大,只能安装在没有射线遮挡器的加速器机架上,实际使用时还是会妨碍患者摆位;其次光子入射荧光屏会发生强烈散射。透视镜只能捕捉到少量散射光子,造成系统光子搜集效率、量子探测效率低。

  图1 荧光体探测器结构示意图

图1 荧光体探测器结构示意图

  液体电离室探测系统由探头系统、控制单元、系统软件三部分组成,该系统结构紧凑、轻便,探测器体积不大,可以采用机器人手臂支撑使探头收放自如,各个探测器单元位置固定、均匀分布,不会使图像发生几何失真。缺点是入射射线利用率低、成像速度慢;而且该系统采用扫描的方式采集信号,如果过程中加速器射线出束剂量率发生变化可能会影响到图像的质量。

图2 液体电离室探测器EPID结构示意图

图2 液体电离室探测器EPID结构示意图

  固体探测器是现在放疗设备安装最多的探测器,其通过将X射线光子转换成可见光,再由光电二极管转换成图像信号来显示图像。优点是体积小、成像面积大、成像速度快、图像分辨率高;而且量子探测效率高、平均量子效率高,并且成像所需照射剂量小,能长期承受大剂量照射。

图3 固体探测器结构示意图

图3 固体探测器结构示意图

  EPID系统不同的剂量验证方法

  目前对于EPID剂量验证的程序和方法没有统一的分类,根据是否在治疗患者时执行可大致分为治疗前验证和治疗中验证。治疗前剂量验证是利用模体或直接开野使用 EPID 采集剂量分布图像与TPS剂量分布对比,侧重的是计划治疗方面的偏差,包括预测和实际测量光栅叶片的位置,模体或 EPID 探测器接受的剂量差别,以及入射能量通量的精确程度等。EPID 的治疗中验证是指在患者治疗过程中 EPID 接受的剂量与计划中的整个或部分剂量对比,测量的数据可以推导出病人接受剂量或者 EPID直接接受剂量通量图像。

  病人治疗过程中使用EPID 测量剂量,以此来计算出病人体内点、线、面或者立体的特区域剂量分布。如图4所示,a为治疗前验证,,EPID 直接接受射线照射,所测量的为2D剂量分布图;b是非投射剂量验证,EPID 位于病人之上, 直接接受射线信号,重建介质内剂量;c是投射剂量验证,介质位于射线与 EPID 之间,通过算法重建剂量分布。

图5 EPID剂量验证三种类型

图5 EPID剂量验证三种类型

  即EPID采集的仅仅是透射剂量,还需用公式由透射剂量推得体模参考层面的二维剂量分布,并与计划系统相同层面的剂量结果相比较。EPID用于剂量验证探索开始较早,目前关于此的研究文献较多,主要集中于调强计划验证和与其它验证方法的比对验证。

  结语

  放射治疗计划的剂量验证,要结合验证方法的优缺点和治疗技术选择适合的验证手段,其中时效性与精确度是需要重点考虑的两个因素。放疗技术的日趋复杂化和精细化,不断地对剂量验证提出更高的要求。基于EPID系统的剂量验证优势明显,相信随着计算机技术和摄像技术的发展,它将得到更广泛的应用。

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