三维剂量学光学CT关键技术.doc

一种用于三维辐照剂量检测光学CT技术
王培玮1 王贤刚2 徐沔1
1中华人民共和国计量科学研究院
2清华大学
摘要：放射治疗高新技术发展，规定新型三维（3D）剂量测量系统。用组织等效性好辐射敏感材料做成模体，产生辐射效应并存储空间剂量分布信息，而后读出完毕测量，发展成3D凝胶剂量学。
设计研制了用于聚合物凝胶模体三维剂量检测光学CT系统，采用锥束投照，旋转扫描，帧投影采集方式，对约580nm波长可见光衰减系数进行图像重建，并在此基本上描绘等剂量图等放疗临床需要剂量学资料。OCT扫描重建时间，辨别能力，剂量响应等都得到满意成果。自制测量模体采用MAGIC配方，模体光学质量和稳定性良好，用6 MV医用加速器X射线进行照射，空间剂量分布信息存储稳定，并得到满意剂量图。
核心词：光学CT（OCT），辐射敏感凝胶，3D凝胶剂量学，剂量图，放疗剂量学
一、引言
近年来以肿瘤病变精准治疗为目的，剂量交付创新放疗技术迅速发展，适应病变体积，避让正常组织，保证予以病变部位足够剂量，对肿瘤实行精准治疗，迅速得到临床应用，并推广用于心血管、脉管再狭窄处置等重要医疗领域。
放射治疗技术新发展重要特点是：射束精准、以多射束立体动态合成照射或近距离组织间、脉管内处置，射束边沿锐利剂量变化梯度大，并且照射过程调节射线强度，形成复杂适形剂量分布。因而，放射治疗筹划计算剂量交付处方核验鉴定、治疗过程质量控制和质量保证都规定精准剂量及其分布测定。老式测量手段，如电离室（单点测量）、胶片（平面剂量分布）、三维水箱（只适合于单野静态照射条件），已不适应新治疗技术规定。
针对这种特异照射野和动态照射条件，解决立体空间剂量测量，建立配合临床治疗剂量学办法，是有效地实行新放疗技术基本。三维剂量（图）测量规定达到毫米量级辨别能力，在腔内近距治疗状况，甚至规定到0.5 mm如下。并且测量必要可以对三维（3D）放射治疗筹划或理论计算剂量处方加以比较和认证。老式使用电离室剂量计能较好完毕点剂量测量，但空间辨别能力差，仅为几毫米。胶片惯用于获取平面剂量分布信息，但用于三维立体测量则很不满意。并且这些老式剂量计组织等效不抱负，其测量原理自身不可避免地对辐射产生干扰，引起测量误差，已不能满足新治疗技术发展规定。这对老式常规剂量测量办法提出了重大挑战。必要谋求新测量技术，解决多野立体布置动态辐照形成复杂适形照射野剂量（分布）。人们综合考虑辐射效应探测、效应信息保持和信息量值检出，设计成功辐射敏感组织等效模体（Phantom），作为效应探测和效信息保持介质，实现辐照剂量信息（图像）稳定和精确地保持；而后完毕立体分布剂量值测量；这种新型剂量技术并能适合三维立体剂量确认和评估需要。保证高精准放射治疗技术可靠用于临床并保证治疗质量。
二、3D凝胶剂量学发展和现状
在早年运用辐照剂量引起敏感试剂化学效应测量原理基本上，通过凝胶介质空间固定存储剂量信息，运用MRI和X-CT读出辐照给与剂量分布，形成新型剂量技术——放射治疗3D凝胶剂量学。它综合辐射物理、辐射化学、放射治疗、材料、计算机应用等各种学科，成为极具发展活力新剂量学领域。1999年起形成世界范畴国际学术会议，吸引了材料科学、化学、医学物理、成像技术、辐射技术等专家关注和参加[[] DOSGEL '99，Proceedings of the 1st International Workshop on Radiation Therapy Gel Dosimetry (University of Kentucky，Lexington，Kentucky USA.)，Publ. Canadian Organisation of Medical Physicists and the Canadian College of Physicists in Medicine)，July 1999
,[] DOSGEL (Clive Baldock and Yves De Deene)，Proceedings of 2nd International Conference on Radiotherapy Gel Dosimetry，18-21 November ，Published by Queensland University of Technology，Brisbane，Australia
,[] DOSGEL ，Third International Conference on Radiotherapy Gel Dosimetry，13–16 September ，Ghent University，Gent，Belgium
]。特别受到放射治疗界注重，成为剂量测量和原则研究新热点。
以研讨当前国家社会对电离辐射测量需要为宗旨，由美国牵头构成《电离辐射测量和原则理事会（CIRMS，The Council on Ionizing Radiation Measurements and Standards）》，重点关注放射治疗剂量测量需要，在1994年第一次《电离辐射测量和原则需要报告（Report on Needs in Ionizing Radiation Measurements and Standards）》中就强调对立体特异剂量测量技术，从起更明确强调重点发展新型3D剂量学、摸索建立三维剂量计量原则，为放射治疗新技术发展提供质量保证和治疗处置核验鉴定[[] CIRMS，，Third Report on National Needs in Ionizing Radiation Measurements and Standards，Prepared by the CIRMS Science and Technology Committee，October
,[] CIRMS，，Fourth Report on Needs in Ionizing Radiation Measurements and Standards ，Prepared by the CIRMS Science and Technology Committee ，December
]。国际电离辐射测量和原则领域在上述背景下，NPL[[] NPL，，NMS Programme for Ionising Radiation Metrology，October to September ，Final Version，September
,[] NPL REPORT DQL-RN 020，，Proposed NMS Programme for Acoustics and Ionising Radiation Metrology-October to September :Public Comment Document，Editors：N Roberts，S Duane，S M Judge，P de Lavison，D Rayner，D J Thomas，B Zeqiri，Quality of Life Division，March
,[] NPL REPORT AC 5，，National Measurement System for Acoustics and Ionising Radiation Metrology-October to September Editors：S M Judge，A DuSautoy，P de Lavison，Quality of Life Division，February
]和NIST[[] Christopher G. Soares，，Update on NIST Beta-Particle Dosimetry Standards and Calibrations，CCRI(I)/07-13，Ionizing Radiation Division National Institute of Standards and Technology，Gaithersburg，MD 20899 USA，April 4，
]都及时制定这一剂量学新技术发展筹划，开展了积极研究工作。10月NPL刊登了其第一种研究进展报告[[] J A D Pearce and D C Crossley，，Gel dosimetry for direct measurement of dose distributions：Progress report，NPL REPORT-IR 1，Oct
]，其工作进行迅速引人注目。同步也阐明此项剂量测量新技术发展，进入到了精准定量和迫切需要发展计量原则阶段。
当前，组织等效辐射敏感测量模体，重要采用辐射变色凝胶（例如：Fricke凝胶[[] Schreiner L J，，Review of Fricke gel dosimeters，Proc. 3rd Int. Conf. On Radiotherapy Gel Dosimetry， ed. De Deene Y and Baldock C (Ghent，Belgium) 10-22
]）、辐射聚合物凝胶（例如：MAGIC[[] Fong P M，Keil D C，Does M D and Gore J C，，Polymer gels for magnetic resonance imaging of radiation dose distributions at normal room atmosphere，Phys. Med. Biol. 46 ()3105–13
]，PAGAT[[] Venning A J，Brinda S，Hill B and Baldock C，，Preliminary investigation of a novel normoxic PAG gel dosimeter with tetrakis (hydroxymethyl) phosphonium chloride as an anti-oxidant，J. Phys.：Conf. Ser. 3() 155-158
]）以及辐射变色塑料（例如：PRESAGE[[] Adamovics J，Jordan K and Dietrich J，，PRESAGE™-Development and optimization studies of a 3D radiochromic plastic dosimeter–Part 1，J. Phys.：Conf. Ser. 56 ()172-175
]）。辐照剂量信息读出办法，初期多运用医院既有X射线CT、NMI设备。近几年依照辐射感生材料光学衰减性能发生变化原理，发展了用于剂量检测光学CT（OCT）技术[[] Doran S J and Krstajić N，，The history and principles of optical computed tomography for scanning 3-D radiation dosimeters，J. Phys.：Conf. Ser. 56 ()45-57
]，现已成为3D凝胶剂量学重要技术方向[19]。
三维凝胶剂量学公认技术规定目的为：
检测空间辨别 ≤1 mm3；
整体测量时间 ≤1 hr（完毕三维剂量分布图）；
检测精密度 1～2 %；
剂量精确度 2～4 %。
当前，英国国家计量机构NPL给出凝胶剂量计（单元试样）辐照剂量总不拟定度为±1.5%～±3%（k=2）[Error! Bookmark not defined.]。这代表了当前能达到先进测量水平。
光学CT技术方面，采用单束激光-单探测器逐点扫描方式[[] Gore J C，Ranade M，Maryañski M J and R J Schultz，1996，Radiation dose distributions in three dimensions from tomographic optical density scanning of polymer gels：I. Development of an optical scanner，Phys. Med. Biol. 41 (1996)2695-2704
]，容易排除光折射散射等干扰因素达到较好成像规定，虽然构造复杂，特别是工作效率低，但是相称实用。采用宽束（锥束或平行束）光线-面探测器方案有其长处，但技术难度加大，特别是要得到高图像质量和剂量精确度，必要解决遇到光学信号传播和检测中干扰问题以及提高成像质量问题。咱们依托从事剂量学和CT技术方面研究工作技术积累，在放射治疗单位同事支持下，建立起凝胶剂量学研究基本，开发了适于进入放射治疗临床实用3D剂量计原型机。原型机涉及凝胶测量模体和OCT（光学计算机层析技术）剂量数据解读系统，获得中华人民共和国国家专利[[] 王培玮，王贤刚，徐沔，三维剂量测量装置，中华人民共和国实用新型专利 申请号9090.6（.05.11）；公示号CN51145（.04.23）
]。在此基本上针对精准放射治疗需要，对模体存储3D剂量信息精准检测解读，进行进一步研究。
国内放射治疗界已注意到3D凝胶剂量学这一新发展动态。但至今未见有其她研究工作报道。
三、原理和设计方案
组织等效模体，例如三维水箱，是放疗剂量学惯用器具。重要用于模仿生物组织辐射吸取和散射状态，配合剂量测量探测器，得到有用剂量学资料。但是这种老式办法只适合单射束固定照射。
针对适形复杂照射野和动态变化照射条件，新型3D剂量测量技术选取特定辐射敏感成分（剂量批示器），混合在组织等效性好固定介质中，做成测量模体。经X射线、γ射线及电子束等辐照，材料中辐射能量沉积使预设敏感成分产生特定效应定量变化，在一定范畴内，这一辐射响应与所受吸取剂量具备拟定关系。而固定介质保证模体内各点产生效应敏感成分空间位置不变，形成定量精确、定位稳定剂量数据信息存储。继而，相应辐射效应选取恰当检测办法（探针），通过积分（累积）检测和微分（分立）解析，实现空间各点存储剂量数据信息读出，经图像解决和计量定标，完毕辐射剂量空间分析和测定。
这种采用全新概念辐射敏感组织等效体模（测量模体），可以在完全个体化治疗条件下模仿对病患部位照射，形成空间坐标稳定剂量数据存储后，即可进一步通过辐射效应检测实现数据读出并建立三维剂量分布。
3D剂量测量系统构成如方框图所示。
2-1光源
2-2扫描工作台
2-4计算机测控装置
2-3投影传感器
2 剂量效应探测装置
3剂量数据解读解决（软件）系统
三维剂量测量装置
1 测量体模
OCT技术采用可见波段光线，射束穿过物体进行扫描，得到对物体特性投影数据，经计算重建物体扫描截面特性图像。依照CT值与辐射剂量关系，可进行剂量校准，最后得到医疗临床需要剂量数据和剂量（分布）图。OCT系统原理构造见图1。

图1. 3D剂量计OCT系统原理构造
四、实验和成果
咱们研制3D剂量计原型为光学CT（OCT）读出系统和聚合物凝胶测量模体方案。
用于聚合物凝胶模体三维剂量检测OCT系统，采用锥束投照，旋转扫描，帧投影采集方式，对可见光衰减系数进行图像重建，并在此基本上描绘等剂量图等放疗临床需要剂量学资料。光源由高压汞灯、光阑和快门及单色滤光片构成，选取约580nm波长可见光。聚合物凝胶模体放在装有折射率匹配液体模槽中，减少界面折射等影响。步进电机驱动模体进行扫描。扫描一周采集400帧投影。采用高性能CCD相机完毕采集，并实时传播至计算机。
表1 MAGIC聚合物凝胶配方
明胶 Gelatin
8%
对苯二酚 Hydroquinone
18mM
抗坏血酸维生素C Ascorbic acid
2mM
硫酸铜 CuSO4•5H2O
0.08mM
甲基丙烯酸 methacrylic acid
9%
水 water
HPLC grade

测量模体采用Fong et al[[] Fong P M，Keil D C，Does M D and Gore J C，，Polymer gels for magnetic resonance imaging of radiation dose distributions at normal room atmosphere，Phys. Med. Biol. 46 3105–13
[19] DOSGEL ，The 5th International Conference on Radiotherapy Gel Dosimetry
29th Sept. - 3rd Oct.，， Hersonissos，Crete，Greece .

]MAGIC聚合物凝胶，典型配方见表1。这种材料辐射敏感度可通过甲基丙烯酸用量进行调节，辐照后有较好时间和空间稳定性，在30 Gy范畴响应线性。聚合物凝胶测量模体制作方面，必要严格选取试剂材料质量，仔细控制制作工艺过程，得到质量均匀和性能稳定模体。咱们制作模体照片见图2，清晰可见方形照射野和立体照射靶区域。

图2 组织等效测量模体
经3.0cm×3.0cm照射野，6 MV X射线辐照5 Gy，可见靶体积透明度变化，左图为正视；右图为侧视，可见三维射野。

对于OCT读出系统，一方面调试系统参数，达到CT系统关于投照、扫描和图象重建基本规定。进一步依照可见光特点，仔细进行光传播实验和调节，特别是模体放置在折射率匹配液内，达到良好折射率匹配。排除对投影质量各种光学因素干扰。图3为OCT系统工作照片。从正在扫描模体及其投影，可见柱状辐照区域。
OCT系统实际扫描时间（400投影）约5 min，图象重建时间约300 s（100层切片），辨别能力0.25mm。
测量模体用6 MV医用加速器X射线进行照射5 Gy，从图2可见辐射剂量产生模体材料性能变化。经OCT读出系统检测，得到空间剂量分布，图4示出一种截面等剂量分布图。

图4 等剂量图。（3cm×3cm方野6MV X射线5Gy剂量）

图3 进行扫描读出中测量模体
（可见模体中柱状辐照区及其投影）
五、结论
基于测定辐射敏感组织等效模体中空间各点辐射能量沉积，拟定受照射体模空间剂量（图）。设计和建造一种新型3D剂量测量装置（3D凝胶剂量计），采用聚合物凝胶辐射敏感测量模体和OCT读出系统。测量工作正常，空间辨别能力好于1 mm，并初步测得满意剂量图。
这种新型3D凝胶剂量计是医用模仿人体体模和剂量计一体化整合，其特点是：具备组织等效性，测量模体元素构成类似人体组织；无方向性，尺寸和形状可依照需要制备，剂量效应累积存储，对光子能谱和剂量率不敏感，能适应随时间变化剂量交付；良好空间辨别能力，特别适于测定陡峭剂量梯度区域剂量分布（高剂量率近距治疗HDR brachytherapy），以及高精确度三维体积剂量测定。可用来解决放疗新技术发展面临对窄束组合照射野和动态照射条件下高精度高空间辨别剂量测量难题。同步提供了进行质量保证规定剂量验证和鉴定基本。
设计OCT读出系统，考虑系统构造简朴，使用中调节维护容易，采用锥束投照方案。技术难度增长，特别是须较好地解决光学匹配和干扰修正等。
从实验成果看，测量模体存在敏捷度局部不均现象，制备中尚需严格控制。
进一步筹划进行剂量校准，并在个体化治疗条件下全面真实模仿测量，进行测量成果与放射治疗筹划比较。以及评估对病人实际治疗进行全面核验和认证明用性。
感谢
在1998年刘明远先生建议下，咱们开始了本文研究工作，至今一贯得到先生关注、协助和指引，在此表达衷心感谢。
模体加速器辐照实验工作得到北京医院放射治疗科主任和吴钦宏先生大力协助，得以顺利进行并给于有益讨论，表达衷心感谢。
本文设计原型研制工作属于北京天成北光科学仪器公司筹划项目。
重要参照文献：