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粒子束性能多功能分析系统主要功能为横向剖面射野分析、射程验证和束斑识别与分析。本系统采用模块化设计,在用户界面上以弹窗形式实现功能分划,使得整体界面整洁。系统支持的数据来源包括了放射显影胶片离线扫描图像和荧光探测器实时采集的图像数据等。
软件要配合荧光探测器光学探头进行实时分析,对软件处理运行速度要求比较高,因此系统整体采用高性能编程语言C++进行开发,其中界面部分用Qt5实现,图像处理部分采用OpenCV计算机视觉库实现,其主要的流程如图1所示。
软件从本地获取图片生成预览图,可输入数值通过相应按钮实现对图像进行缩放、平移、旋转或复原操作。
软件的质量验证部分包括三个模块: 横向剖面射野模块、射程验证模块、束斑分析模块。其中横向剖面射野模块用于横向射野验证,其可以显示横竖轴、左右对角线(其中左对角线为左上角和右下角的连线,右对角线为右上角和左下角的连线)及其各自20%、50%和80%基准剂量的对应位置、左右半影区域、均整区;同时计算显示出左右半影值、均整度、对称性、中心偏移量(CAX)、射野大小(FIELDSIZE)等参数;射程验证模块可获取双峰的中心和距离等参数;束斑分析模块通过图像识别技术获得图像中的束斑位置,通过对实测束斑位置和预期束斑坐标进行匹配计算,获得束斑的位置误差。
辅助功能包括可勾选显示感兴趣曲线,查看其各项参数;可勾选不同均整度计算协议;可修改距离修正参数和缩进参数调整均整区大小;可拖动滑动条,获取感兴趣的区域,可选择采点曲线并计算其的距离;可切换剂量模式和百分比模式等。
软件界面如图2所示。
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在被动式束流配送系统下,碳离子束辐照形成均匀射野。每个治疗头的最大标称辐射场的射野均整度和对称性必须每周测量一次。值得注意的是,均整度的定义在多个国际组织中存在差异,计算方法不同导致指标数值差异明显。本文推荐遵循IAEA TRS-398号报告及国家标准GB15213-2016中的定义,使用百分剂量比值来表示射野均整度[7]。本软件默认采用IAEA TRS-398协议,其实测均整度和对称性与验收测试确定的机器配置参数库中的标准值相比,误差应控制在±2% ;绝对数值范围应在104%至108%之间。
由CMOS相机获得的碳离子束辐照图像,噪声的存在会使得图像不能准确反映射野的均匀性。为了降低噪声对分析结果的影响,本文采用灰度平均的算法作为感兴趣位置的灰度值。对于横轴、纵轴、左右对角线轴,均从轴上的感兴趣点向两侧垂直于该轴线的方向延伸指定宽度,获取整个延伸宽度内像素灰度值,再取其均值。通过灰度剂量校正系数修正为标称剂量,从而获取感兴趣的横向剂量分布曲线。
对于射野横向剂量分布曲线,以曲线中心为基准剂量(100%),半影区即指80%与20%基准剂量对应的横坐标之间的宽度,中心左侧半影区记为左半影-(PEN.LEFT),中心右侧半影区记为右半影+(PEN.RIGHT)。均整区即左右50%基准剂量处对应的位置各自向中心缩进指定半影区宽度(一般采用1倍半影宽度或者2倍半影宽度,本文采用2倍半影宽度)后对应的区域。为了适应不同的使用习惯,均整度的计算采用了三种计算算法(见表1)。
表 1 本文中所用的均整度技术协议及公式汇总表
对称性的计算以曲线中心为基准,向左右取等长范围(范围的长度为左右均整区宽度中较小值N)。具体计算中,以曲线中心为对称轴在左右范围内对称取值并计算对称两点中的较大值和较小值的比值,最终得到N/2大小的数据组;该数组中最大值即为横向曲线的对称性。中心偏移量(CAX)代表均整区中心偏移量,可以通过右均整区宽度减去左均整区宽度得到。射野大小(FIELDSIZE)为左右50%基准剂量对应位置之间的宽度。
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双楔板可将离子束纵向上的深度剂量分布转换成横向剖面上的剂量分布。双楔板有两种情况,分别为对楔板和背楔板。在获取原始图像数据后,射程验证模块可获取双峰间的距离,依照距离射程转换关系获取表征粒子束射程的参数(见表2),公式中Dis参数表示双峰间距。
表 2 双峰能量模型及计算公式表
序号 模型名称 计算公式 1 对楔形 11.301+0.448 26×Dis 2 背楔形 158.278 3−0.450 77×Dis -
笔形束扫描配送目标剂量的能力与扫描定位、束斑大小和剂量(流强)控制能力直接相关[11]。粒子治疗设备必须在治疗头配置束流监测系统,在笔形束扫描治疗头时,其可作为笔形束剖面及位置监测系统使用,在辐照过程中持续测量笔形束的剂量剖面规格及笔形束位置分布,计算并验证束斑规格及位置的稳定性。在目前的临床实践中,验证笔形束配送系统稳定性的策略有两种。一种方法直接评估某个辐照模式下单个束斑的大小和位置;另一种方法通过测量扫描射野剂量分布的均匀性和剂量半影综合评估扫描点预期扫描及剂量叠加分布的符合性。
本文采用图像分割的方法直接测量束斑大小与位置的方法。因为束斑图像中的目标和背景差异较明显,我们先采用中值滤波过滤掉噪点,然后采用大津法进行二值化分割出束斑和背景[12]。在束斑轮廓识别中,为筛除干扰数据获取正确的束斑轮廓,算法中认为轮廓面积大于5个像素点,且轮廓外接矩形的长宽比和宽长比不超过5的为束斑轮廓。我们将单个束斑轮廓内的全部像素值采用二维高斯拟合(公式如下)[13],求解出束斑中心的位置
$\left({x}_{\mathrm{o}}{,\; y}_{\mathrm{o}}\right) 。$ $$ f(x,y)=A \;\; {\rm{exp}} \left[-\left(\frac{{(x-{x}_{\text{o}})}^{2}}{2{\sigma }_{x}^{2}}+\frac{{(y-{y}_{\text{o}})}^{2}}{2{\sigma }_{y}^{2}}\right)\right] \text{,} $$ 其中:A是高斯分布的幅值;
$ {\sigma }_{x} $ 和$ {\sigma }_{y} $ 为x和y方向上的标准差;f (x, y)为灰度值,x和y代表束斑像素坐标值;我们利用OpenCV提供的cv::solve函数来求解。并将这些位置信息与存放在系统路径下的预期位置信息根据距离最近原则自动匹配,计算出位置偏差并显示。 -
本次计算使用的图像数据来源于荧光探测设备,并且图像没有经过处理。参考IAEA TRS-398协议,分别在横轴、纵轴以及两条对角线方向上选取一定的分析范围,按照协议的算法在各个方向上分析均整度、对称性等参数。图像中各像素点的灰度值代表束流在该位置出沉积的剂量。首先,在各个方向上选取曲线中心作为基准,然后按照标准划分出左、右半影区和均整区,在均整区按照协议给定的算法进行计算。
计算时选取距离修正参数为50、半影缩进参数为2做相关分析,计算结果保留小数点后3位,如表3所列。得到的数据曲线未经过处理,可以真实反映实际的剂量分布情况,具体分析结果如下。
表 3 横向射野范例分析数据汇总表
参数 左半影/cm 右半影/cm 均整区/cm 均整度/% 对称性/% CAX/cm FieldSize/cm 横轴 0.940 1.128 5.183 104.907 100.404 −0.639 9.264 竖轴 1.000 0.986 6.163 106.584 104.320 −0.007 10.120 右对角线 1.151 0.949 8.138 107.276 105.405 0.214 12.374 左对角线 1.097 0.970 8.312 105.284 102.631 −3.920 12.437 -
射程验证分为对楔板和背楔板两种方式。分析验证的图像来源于荧光探测设备配合对楔板和背楔板获取的图像,同样用图像上各像素点的灰度值表征物理吸收剂量。首先,在图像上选取分析范围,得到横向剂量分布曲线。然后在曲线中心左右两侧寻找最大值作为峰值,根据两个峰对应的位置和高度计算离子束射程。
图3是用对楔板获取的图像进行射程验证分析的举例,左上角为原始图像,横轴坐标单位为cm,从剂量分布曲线上可以得出,双峰间的距离为6.65 cm,双峰中心位置在0.06 cm,根据对楔板的计算公式可以得出离子束射程是14.28 cm。
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图4为主动式点扫描系统在辐射场中预计辐照的25个束斑图,图中的数字代表束斑编号。表4列出了在辐射场中预计辐照的25个束斑中心的预期坐标、经过二维高斯拟合得到的束斑中心坐标以及其在xy方向的误差,表中各束斑的编号与图4中各束斑的编号数字一一对应。从表4的数据分析得到,束斑x方向的平均尺寸是24.99 mm,绝对误差在0.18 mm以内,y方向的平均尺寸是23.03 mm,绝对误差在0.20 mm以内。远离竖轴的束斑所需偏转电流越大,因此离射野图像中心竖轴越远的束斑其位置误差越大,符合数据获取时的实际情况。
表 4 图4中各点的参数值及误差分析
单位:mm 序号 实际x
坐标实际y
坐标理论x
坐标理论y
坐标x方向
绝对误差y方向
绝对误差1 8.15 8.20 8.00 8.00 0.15 0.20 2 8.16 4.08 8.00 4.00 0.16 0.08 3 8.16 0.02 8.00 0.00 0.16 0.02 4 8.17 −4.05 8.00 −4.00 0.17 0.05 5 8.18 −8.16 8.00 −8.00 0.18 0.16 6 4.05 8.20 4.00 8.00 0.05 0.20 7 4.05 8.20 4.00 8.00 0.05 0.20 8 4.07 0.03 4.00 0.00 0.07 0.03 9 4.08 −4.03 4.00 −4.00 0.08 0.03 10 4.08 −8.14 4.00 −8.00 0.08 0.14 11 −0.01 8.20 0.00 8.00 0.01 0.20 12 0.00 4.08 0.00 4.00 0.00 0.08 13 0.00 0.02 0.00 0.00 0.00 0.02 14 0.00 −4.05 0.00 −4.00 0.00 0.05 15 0.02 −8.15 0.00 −8.00 0.02 0.15 16 −4.04 8.20 −4.00 8.00 0.04 0.20 17 −4.04 4.10 −4.00 4.00 0.04 0.10 18 −4.03 0.03 −4.00 0.00 0.03 0.03 19 −4.03 −4.03 −4.00 −4.00 0.03 0.03 20 −4.02 −8.14 −4.00 −8.00 0.02 0.14 21 −8.10 8.20 −8.00 8.00 0.10 0.20 22 −8.09 4.08 −8.00 4.00 0.09 0.08 23 −8.09 0.02 −8.00 0.00 0.09 0.02 24 −8.08 −4.05 −8.00 −4.00 0.08 0.05 25 −8.07 −8.15 −8.00 −8.00 0.07 0.15
A Software System for Versatile Rapid Verification of Beam Performance in Particle Therapy
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摘要: 粒子治疗是先进的放射治疗手段,而放射治疗质量保证(Quality Assurance, QA)则是保障粒子治疗安全和效率的重要技术环节。粒子放疗束流性能QA横向剖面上主要关注点在于辐照场均匀性、束斑位置、束斑大小等参数,纵向上主要关注能量射程关系和剂量分布等参数。目前常用的测量方法只能适用单个项目测量或只能离线测量分析,在效率和实时性上都存在局限性。针对粒子放射治疗中束流性能验证技术,面向平面荧光探测方法,基于C++编程语言,采用Qt5界面开发框架和计算机视觉库OpenCV开发了一套兼顾横向束流参数和纵向射程(能量)验证的粒子束多功能质量验证分析软件系统,并利用武威重离子医院碳离子治疗系统束流性能原始数据完成了软件算法测试和功能验证。本系统用于集成化的荧光探测系统,可实现束流性能的模块化分析,拓展了平面荧光测量技术的使用范畴,有助于提高粒子放射治疗中束流性能的验证效率。Abstract: Particle therapy is an advanced radiotherapy modality and quality assurance(QA) is an important technical stage linked to the safety and efficacy of particle therapy. For the QA of beam performance in particle therapy, irradiation field uniformity, size and position of the beam spot, and so on are concerned in the lateral direction while the relation between energy and range, dose distribution, and so on in the longitudinal direction. At present, the methods usually used in QA measurements for particle therapy are applied in a manner of single item or off-line analysis, thereby leading to low efficiency and poor real-time performance. To aid the technique of beam performance verification in particle therapy, a software system dedicated to the method of planar fluorecence detection was developed, where C++ programming language, the interface development framework Qt5 and the computer vision library OpenCV were adopted. Lateral particle beam parameter and longitudinal range (energy) verification could be conducted with the software system, and the raw data of carbon-ion beam performance obtained in the Heavy Ion Medical Machine(HIMM) in Wuwei were employed to conduct the testing of software algorithms and functions. The successful testing demonstrated that the software system could be used in integrated fluorecence detection systems and was able to realize modular analyses of particle beam performance. Thus, the versatile software system developed in this work expands the use scope of the planar fluorecence detection technique and improves the verification efficiency of beam therapeutic performance in particle therapy significantly.
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Key words:
- particle radiation therapy /
- beam performance /
- irradiation field /
- range /
- beam spot /
- quality assurance
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表 1 本文中所用的均整度技术协议及公式汇总表
表 2 双峰能量模型及计算公式表
序号 模型名称 计算公式 1 对楔形 11.301+0.448 26×Dis 2 背楔形 158.278 3−0.450 77×Dis 表 3 横向射野范例分析数据汇总表
参数 左半影/cm 右半影/cm 均整区/cm 均整度/% 对称性/% CAX/cm FieldSize/cm 横轴 0.940 1.128 5.183 104.907 100.404 −0.639 9.264 竖轴 1.000 0.986 6.163 106.584 104.320 −0.007 10.120 右对角线 1.151 0.949 8.138 107.276 105.405 0.214 12.374 左对角线 1.097 0.970 8.312 105.284 102.631 −3.920 12.437 表 4 图4中各点的参数值及误差分析
单位:mm 序号 实际x
坐标实际y
坐标理论x
坐标理论y
坐标x方向
绝对误差y方向
绝对误差1 8.15 8.20 8.00 8.00 0.15 0.20 2 8.16 4.08 8.00 4.00 0.16 0.08 3 8.16 0.02 8.00 0.00 0.16 0.02 4 8.17 −4.05 8.00 −4.00 0.17 0.05 5 8.18 −8.16 8.00 −8.00 0.18 0.16 6 4.05 8.20 4.00 8.00 0.05 0.20 7 4.05 8.20 4.00 8.00 0.05 0.20 8 4.07 0.03 4.00 0.00 0.07 0.03 9 4.08 −4.03 4.00 −4.00 0.08 0.03 10 4.08 −8.14 4.00 −8.00 0.08 0.14 11 −0.01 8.20 0.00 8.00 0.01 0.20 12 0.00 4.08 0.00 4.00 0.00 0.08 13 0.00 0.02 0.00 0.00 0.00 0.02 14 0.00 −4.05 0.00 −4.00 0.00 0.05 15 0.02 −8.15 0.00 −8.00 0.02 0.15 16 −4.04 8.20 −4.00 8.00 0.04 0.20 17 −4.04 4.10 −4.00 4.00 0.04 0.10 18 −4.03 0.03 −4.00 0.00 0.03 0.03 19 −4.03 −4.03 −4.00 −4.00 0.03 0.03 20 −4.02 −8.14 −4.00 −8.00 0.02 0.14 21 −8.10 8.20 −8.00 8.00 0.10 0.20 22 −8.09 4.08 −8.00 4.00 0.09 0.08 23 −8.09 0.02 −8.00 0.00 0.09 0.02 24 −8.08 −4.05 −8.00 −4.00 0.08 0.05 25 −8.07 −8.15 −8.00 −8.00 0.07 0.15 -
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