三维剂量学光学CT技术.doc

一种用于三维辐照剂量检测的光学CT技术王培玮1 王贤刚2 徐沔11中国计量科学研究院2清华大学摘要：放射治疗的高新技术发展，要求新型三维（3D）剂量测量系统。用组织等效性好的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，而后读出完成测量，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的光学CT系统，采用锥束投照，旋转扫描，帧投影采集方式，对约580nm波长可见光的衰减系数进行图像重建，并在此基础上描绘等剂量图等放疗临床需要的剂量学资料。OCT的扫描重建时间，分辨能力，剂量响应等都得到满意的结果。自制的测量模体采用MAGIC配方，模体光学质量和稳定性良好，用6 MV医用加速器的X射线进行照射，空间剂量分布信息存储稳定，并得到满意的剂量图。关键词：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确治疗为目标，剂量交付的创新放疗技术迅速发展，适应病变体积，避让正常组织，确保给予病变部位足够的剂量，对肿瘤实施精确治疗，迅速得到临床的应用，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的主要特点是：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，射束边缘锐利剂量变化梯度大，而且照射过程调整射线强度，形成复杂适形的剂量分布。因此，放射治疗计划计算的剂量交付处方的核验鉴定、治疗过程的质量控制和质量保证都要求精确的剂量及其分布的测定。传统测量手段，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的要求。针对这种特异的照射野和动态的照射条件，解决立体空间的剂量测量，建立配合临床治疗的剂量学方法，是有效地实施新放疗技术的基础。三维剂量（图）测量要求达到毫米量级的分辨能力，在腔内近距治疗情况，甚至要求到0.5 mm以下。而且测量必须能够对三维（3D）放射治疗计划或理论计算的剂量处方加以比较和认证。传统使用的电离室剂量计能很好完成点剂量测量，但空间分辨能力差，仅为几毫米。胶片常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。而且这些传统剂量计组织等效不理想，其测量原理本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的要求。这对传统常规的剂量测量方法提出了重大挑战。必须寻求新测量技术，解决多野立体布置动态辐照形成的复杂适形照射野的剂量（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，设计成功辐射敏感的组织等效模体（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）稳定和准确地保持；而后完成立体分布的剂量值的测量；这种新型剂量技术并能适合三维立体剂量确认和评定的需要。保证高精确放射治疗技术可靠用于临床并保证治疗质量。二、3D凝胶剂量学的发展和现状在早年利用辐照剂量引起敏感试剂化学效应的测量原理基础上，通过凝胶介质空间固定存储剂量信息，利用MRI和X-CT读出辐照给与的剂量分布，形成新型的剂量技术放射治疗3D凝胶剂量学。它综合辐射物理、辐射化学、放射治疗、材料、计算机应用等多种学科，成为极具发展活力的新剂量学领域。1999年起形成世界范围的国际学术会议，吸引了材料科学、化学、医学物理、成像技术、辐射技术等专家的关注和参与 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 2001 (Clive Baldock and Yves De Deene), Proceedings of 2nd International Conference on Radiotherapy Gel Dosimetry, 18-21 November 2001, Published by Queensland University of Technology, Brisbane, Australia, DOSGEL 2004, Third International Conference on Radiotherapy Gel Dosimetry, 1316 September 2004, Ghent University, Gent, Belgium。特别受到放射治疗界的重视，成为剂量测量和标准研究的新热点。以研讨当前国家社会对电离辐射测量的需要为宗旨，由美国牵头组成的电离辐射测量和标准理事会（CIRMS，The Council on Ionizing Radiation Measurements and Standards），重点关注放射治疗的剂量测量需要，在1994年的第一次电离辐射测量和标准的需要报告（Report on Needs in Ionizing Radiation Measurements and Standards）中就强调对立体特异剂量的测量技术，从2001年起更明确强调重点发展新型3D剂量学、探索建立三维剂量的计量标准，为放射治疗的新技术发展提供质量保证和治疗处置核验鉴定 CIRMS, 2001, Third Report on National Needs in Ionizing Radiation Measurements and Standards, Prepared by the CIRMS Science and Technology Committee, October 2001, CIRMS，2004，Fourth Report on Needs in Ionizing Radiation Measurements and Standards ，Prepared by the CIRMS Science and Technology Committee , December 2004。国际电离辐射测量和标准领域在上述的背景下，NPL NPL, 2004, NMS Programme for Ionising Radiation Metrology, October 2004 to September 2007, Final Version, September 2004, NPL REPORT DQL-RN 020, 2007, Proposed NMS Programme for Acoustics and Ionising Radiation Metrology-October 2007 to September 2010: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 2007, NPL REPORT AC 5, 2008, National Measurement System for Acoustics and Ionising Radiation Metrology-October 2007 to September 2010 Editors: S M Judge, A DuSautoy, P de Lavison, Quality of Life Division, February 2008和NIST Christopher G. Soares, 2007, 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, 2007都立即制订这一剂量学新技术的发展计划，开展了积极的研究工作。2007年10月NPL发表了其第一个研究进展报告 J A D Pearce and D C Crossley, 2007, Gel dosimetry for direct measurement of dose distributions: Progress report, NPL REPORT-IR 1, Oct 2007，其工作进行的迅速引人注目。同时也说明此项剂量测量新技术的发展，进入到了精确定量和迫切需要发展计量标准的阶段。目前，组织等效的辐射敏感测量模体，主要采用辐射变色凝胶（例如：Fricke凝胶 Schreiner L J, 2004, 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, 2001, Polymer gels for magnetic resonance imaging of radiation dose distributions at normal room atmosphere, Phys. Med. Biol. 46 (2001)310513，PAGAT Venning A J, Brinda S, Hill B and Baldock C, 2004, Preliminary investigation of a novel normoxic PAG gel dosimeter with tetrakis (hydroxymethyl) phosphonium chloride as an anti-oxidant, J. Phys.: Conf. Ser. 3(2004) 155-158）以及辐射变色塑料（例如：PRESAGE Adamovics J, Jordan K and Dietrich J, 2006, PRESAGE-Development and optimization studies of a 3D radiochromic plastic dosimeterPart 1, J. Phys.: Conf. Ser. 56 (2006)172-175）。辐照剂量信息读出方法，早期多利用医院现有的X射线CT、NMI设备。近几年根据辐射感生材料光学衰减性能发生变化的原理，发展了用于剂量检测的光学CT（OCT）技术 Doran S J and Krstaji N, 2006, The history and principles of optical computed tomography for scanning 3-D radiation dosimeters, J. Phys.: Conf. Ser. 56 (2006)45-57，现已成为3D凝胶剂量学的主要技术方向19。三维凝胶剂量学公认的技术要求目标为：检测空间分辨1 mm3；整体测量时间1 hr（完成三维剂量分布图）；检测精密度12 %；剂量准确度24 %。目前，英国国家计量机构NPL给出凝胶剂量计（单元试样）辐照剂量的总不确定度为1.5%3%（k=2）10。这代表了当前能达到的先进测量水平。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, Maryaski 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，容易排除光的折射散射等干扰因素达到较好的成像要求，虽然结构复杂，特别是工作效率低，但是相当实用。采用宽束（锥束或平行束）光线-面探测器方案有其优点，但技术难度加大，特别是要得到高的图像质量和剂量准确度，必须解决遇到的光学信号传输和检测中的干扰问题以及提高成像质量问题。我们依靠从事剂量学和CT技术方面研究工作的技术积累，在放射治疗单位同事的支持下，建立起凝胶剂量学研究基础，开发了适于进入放射治疗临床实用的3D剂量计原型机。原型机包括的凝胶测量模体和OCT（光学计算机层析技术）剂量数据解读系统，获得中国国家专利 王培玮，王贤刚，徐沔，三维剂量测量装置，中国实用新型专利 申请号200720149090.6（2007.05.11）；公告号CN201051145（2008.04.23）。在此基础上针对精确放射治疗的需要，对模体存储的3D剂量信息的精确检测解读，进行深入的研究。国内放射治疗界已注意到3D凝胶剂量学这一新的发展动态。但至今未见有其他的研究工作报道。三、原理和设计方案组织等效模体，例如三维水箱，是放疗剂量学的常用器具。主要用于模拟生物组织的辐射吸收和散射状态，配合剂量测量探测器，得到有用的剂量学资料。但是这种传统方法只适合单射束固定照射。针对适形的复杂照射野和动态变化的照射条件，新型3D剂量测量技术选择特定的辐射敏感成分（剂量指示器），混合在组织等效性好的固定介质中，做成测量模体。经X射线、射线及电子束等辐照，材料中辐射能量沉积使预设的敏感成分产生特定效应定量变化，在一定范围内，这一辐射响应与所受的吸收剂量具有确定的关系。而固定介质确保模体内各点产生效应的敏感成分的空间位置不变，形成定量准确、定位稳定的剂量数据信息存储。继而，对应辐射效应选择适当的检测方法（探针），通过积分（累积）检测和微分（分立）解析，实现空间各点存储的剂量数据信息读出，经图像处理和计量定标，完成辐射剂量的空间分析和测定。这种采用全新概念的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拟对病患部位的照射，形成空间坐标稳定的剂量数据存储后，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剂量测量系统组成如方框图所示。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剂量数据解读处理（软件）系统三维剂量测量装置1 测量体模OCT技术采用可见波段的光线，射束穿过物体进行扫描，得到的对物体特性的投影数据，经计算重建物体扫描截面的特性图像。根据CT值与辐射剂量的关系，可进行剂量校准，最后得到医疗临床需要的剂量数据和剂量（分布）图。OCT系统的原理结构见图1。图1. 3D剂量计OCT系统原理结构四、实验和结果我们研制的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的OCT系统，采用锥束投照，旋转扫描，帧投影采集方式，对可见光的衰减系数进行图像重建，并在此基础上描绘等剂量图等放疗临床需要的剂量学资料。光源由高压汞灯、光阑和快门及单色滤光片组成，选择约580nm波长的可见光。聚合物凝胶模体放在装有折射率匹配液的体模槽中，减少界面折射等的影响。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相机完成采集，并实时传输至计算机。表1 MAGIC聚合物凝胶配方明胶 Gelatin8%对苯二酚 Hydroquinone18mM抗坏血酸维生素C Ascorbic acid2mM硫酸铜 CuSO45H2O0.08mM甲基丙烯酸 methacrylic acid9%水 waterHPLC grade测量模体采用Fong et al Fong P M, Keil D C, Does M D and Gore J C, 2001, Polymer gels for magnetic resonance imaging of radiation dose distributions at normal room atmosphere, Phys. Med. Biol. 46 31051319 DOSGEL 2008, The 5th International Conference on Radiotherapy Gel Dosimetry 29th Sept. - 3rd Oct., 2008, Hersonissos, Crete, Greece .的MAGIC聚合物凝胶，典型配方见表1。这种材料的辐射敏感度可通过甲基丙烯酸的用量进行调整，辐照后有较好的时间和空间稳定性，在30 Gy范围响应线性。聚合物凝胶测量模体的制作方面，必须严格选择试剂材料的质量，仔细控制制作的工艺过程，得到质量均匀和性能稳定的模体。我们制作的模体照片见图2，清晰可见方形照射野和立体的照射靶区域。图2 组织等效测量模体经3.0cm3.0cm照射野，6 MV X射线辐照5 Gy，可见靶体积透明度的变化，左图为正视；右图为侧视，可见三维射野。对于OCT读出系统，首先调试系统参数，达到CT系统关于投照、扫描和图象重建的基本要求。进一步根据可见光的特点，仔细进行光传输的试验和调整，特别是模体放置在折射率匹配液内，达到良好的折射率匹配。排除对投影质量的各种光学因素干扰。图3为OCT系统的工作照片。从正在扫描的模体及其投影，可见柱状的辐照区域。OCT系统的实际扫描时间（400投影）约5 min，图象重建时间约300 s（100层切片），分辨能力0.25mm。测量模体用6 MV医用加速器的X射线进行照射5 Gy，从图2可见辐射剂量产生的模体材料性能的变化。经OCT读出系统检测，得到空间剂量分布，图4示出一个截面的等剂量分布图。图4 等剂量图。（3cm3cm方野6MV X射线5Gy剂量）图3 进行扫描读出中的测量模体（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的组织等效模体中空间各点的辐射能量沉积，确定受照射体模的空间剂量（图）。设计和建造的一种新型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，空间分辨能力好于1 mm, 并初步测得满意的剂量图。这种新型的3D凝胶剂量计是医用模拟人体体模和剂量计的一体化整合，其特点是：具有组织等效性，测量模体元素组成类似人体组织；无方向性，尺寸和形状可根据需要制备，剂量效应累积存储，对光子能谱和剂量率不敏感，能适应随时间变化的剂量交付；良好的空间分辨能力，特别适于测定陡峭剂量梯度区域的剂量分布（高剂量率近距治疗HDR brachytherapy），以及高准确度三维体积剂量测定。可用来解决放疗新技术发展面临的对窄束组合照射野和动态照射条件下的高精度高空间分辨剂量测量难题。同时提供了进行质量保证要求的剂量验证和鉴定的基础。设计的OCT读出系统，考虑系统结构简单，使用中调整维护容易，采取锥束投照方案。技术难度增加，特别是须很好地解决光学匹配和干扰修正等。从试验结果看，测量模体存在灵敏度局部不均现象，制备中尚需严格控制。进一步计划进行剂量校准，并在个体化治疗条件下全面真实模拟测量，进行测量结果与放射治疗计划的比较。以及评估对病人的实际治疗进行全面核验和认证的实用性。感谢在1998年刘明远先生的提议下，我们开始了本文的研究工作，至今一贯得到先生的关注、帮助和指导，在此表示衷心的感谢。模体的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的大力协助，得以顺利进行并给于有益的讨论，表示衷心的感谢。本文的设计原型研制工作属于北京天成北光科学仪器公司的计划项目。主要参考文献：8