一种用于放射治疗机的多叶准直器以及放射治疗机

摘要

公开了一种多叶准直器及放射治疗机，在一实施例中，多叶准直器的叶片末端的端面不是完整的平面或曲面，而是分布有多个凸起和凹陷，在相对叶片闭合时，两个叶片末端的凸起和凹陷正好相互嵌合，从而能完全避免末端漏射线、末端碰撞和剂量渐变区的问题。

说明书

技术领域

本发明属于放射治疗设备领域，具体涉及一种具有末端端面设计的多叶准直器叶片和利用该叶片组成的多叶准直器、以及具有相应准直器的放射治疗机。

背景技术

多叶准直器(Multileaf Collimator，MLC)是当代放射治疗机的一种重要部件。它安装于放射治疗机的机头的正下方，用于限制射线束照射范围，形成适合各种靶区形状的不规则射野，实现适形放疗；如果在照射过程中，调整多叶准直器叶片的位置，就可以调整照射范围的射线强度分布，实现调强放疗。相对传统放疗，适形放疗和调强放疗可以更好地实现放射治疗的目的，也就是在保护周围正常组织的前提下尽可能的杀死肿瘤。

叶片是组成一个多叶准直器的基本单元，它由重金属材料(如钨合金)制成，呈长条状。其长度由需形成的最大射野决定；其宽度为数毫米至数厘米，宽度越窄，形成的射野越适合靶区形状；厚度至少是所用金属材料的5个半价层，使叶片遮挡区射线衰减至5％以内。每个叶片由一个独立的电机驱动，多个叶片相邻紧密排列，构成叶片组。

针对多叶准直器及多叶准直器叶片的改进设计，研究者从不同角度给过多种不同方案，有些方案已在制造和使用中得到应用。一种是对叶片的排布方式进行设计,从传统的单层到双层甚至三层排布。另一种改进设计是对叶片在等中心平面投影的宽度和端面形状进行优化，改变原有的等宽叶片和平直端面，通过最优化方法得到最佳的叶片宽度和端面形状。

叶片末端在垂直于等中心平面且与叶片运动方向平行的截面形状在设计中有两个问题需要着重考虑，当一对叶片处于打开状态时，末端处于射线从被叶片挡住区域到开放照射区域的过渡区，末端设计对过渡区域的剂量也就是半影有影响，宜采用聚焦设计，使半影尽可能小，且随叶片位置不同的变化最小。当叶片端面的截面形状是平直线段时，为达到聚焦效果，叶片必须沿射线源为中心的圆弧形轨迹运动；如果叶片沿射线束中心轴垂直方向的直线轨迹运动，那么叶片达到指定位置后，需自转一个小角度，以使平直端面与射线的扩散度相切。

末端设计面临的另一个问题是相对叶片闭合时总是有一条缝，缝太小容易碰撞，太大则漏射线太多而在照射中造成副作用，总是存在碰撞和漏射线的问题。例如，Varian公司叶片缝隙在等中心平面的最小投影宽度为0.05cm，Elekta公司叶片缝隙在等中心平面的最小投影宽度为0.5cm。对于非聚焦端面，相对叶片在闭合时，叶片末端下方还存在较宽的剂量渐变区。叶片缝隙造成的漏射线和叶片末端下方的剂量渐变区不仅使正常组织受到不必要的照射，也给加速器建模和剂量计算增加了难度，增大了剂量计算误差。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提出通过改变多叶准直器叶片的末端设计来改进多叶准直器。具体地，针对现有准直器的相对叶片实际上不能完全闭合、中间存在缝隙的问题，本发明提出通过对多叶准直器叶片末端进行设计使得相对的叶片能相互嵌合来提升多叶准直器的工作性能。

根据一示例性实施例，提供了一种用于放射治疗机的多叶准直器，其包括相对设置的多组叶片对，每组叶片对包括可进行相对运动的第一叶片和第二叶片，其中，在与放射治疗机的等中心平面垂直且与叶片运动方向平行的第一平面内，所述第一叶片和第二叶片能够运动调整到闭合位置，并且所述第一叶片和第二叶片的端面在所述闭合位置处相互嵌合。

在一种实施方式中，所述叶片端面配置为由多个凹陷和多个凸起构成的折线轮廓。

在一种实施方式中，所述叶片端面多个凹陷和多个凸起交错分布。

在一种实施方式中，所述叶片端面多个凸起的轮廓线组成为弧形段。

在一种实施方式中，所述叶片端面多个凹陷和多个凸起在垂直于所述等中心平面和叶片运动方向的第二平面内的投影沿着射线源与准直器中心连线方向呈纵向交错排布。

在一种实施方式中，所述多个凹陷和多个凸起在垂直于等中心平面和叶片运动方向的第二平面内的投影呈网格交错排布。

在一种实施方式中，所述第一叶片和第二叶片的末端在射线源与准直器中心的连线方向具有第一厚度，所述末端以外的叶片主体部分具有第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度。

在一种实施方式中，所述第一厚度从所述端面到叶片主体部分的方向递减至所述第二厚度。

在一种实施方式中，所述第一叶片和第二叶片的端面在所述闭合位置处的嵌合深度可根据所述叶片末端形状和嵌合位置距叶片中心线的距离而计算。优选地，在第一叶片和第二叶片的端面为弧形时，所述嵌合位置位于叶片中心线处的嵌合深度大于叶片端面弧线段轮廓高度的两倍；该嵌合深度向叶片上下两侧边缘递减，边缘处的嵌合深度大于零。

根据一示例性实施例，提供了一种放射治疗机，包括：多叶准直器，包括相对设置的多组叶片对，每组叶片对包括可进行相对运动的第一叶片和第二叶片，其中，在与放射治疗机的等中心平面垂直且与叶片运动方向平行的第一平面内，所述第一叶片和第二叶片能够运动调整到闭合位置，并且所述第一叶片和第二叶片的端面在所述闭合位置处相互嵌合；以及控制器，其控制所述第一叶片和第二叶片的端面在闭合位置处的嵌合程度，使得所述第一叶片和第二叶片在所述闭合位置处不发生碰撞。

本发明的有益效果是：在闭合位置处，相对的第一叶片和第二叶片在叶片的运动方向相互嵌合而不再具有传统准直器的叶片闭合时末端之间的缝，因此能增强对于射线的屏蔽性，减少了漏射线和剂量渐变区。同时，可调整叶片之间的嵌合程度以使得叶片闭合时不会发生碰撞，与传统准直器相比增大了叶片调整的范围，更易操作。本发明解决了多叶准直器使用中的相对叶片的碰撞、漏射线和剂量渐变区问题，因此可以改善准直器的适形调强效果，减小准直器建模和计划优化的难度。

附图说明

通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同的部件。应该理解，图中显示的部件的尺寸和大小并不必然按比例绘制，它们可与这里显示的用于实施的实施例中的不同。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适组合。

图1示出了一个多叶准直器的结构和功能示意图；

图2示出了一对传统设计的相对叶片的工作状态示意图，其具体示出了在打开(a)和闭合(b)时的轴侧视图，和打开(c)和闭合(d)时的侧视图，以及两个叶片端面的正视图(e)；

图3示出了根据本申请一实施例的一对采用嵌合式末端设计的叶片的工作状态示意图，其具体示出了在打开时(a)和闭合时(b)的轴侧视图，叶片在打开(c)和闭合(d)时的侧视图，以及两个叶片端面的正视图(e)，叶片末端凸起和凹陷采用横向排布方式；

图4示出了根据本申请一实施例的相对叶片闭合时的嵌合深度(a)以及叶片末端弧形端面的尺寸(b)和(c)；

图5例示了根据本申请另一实施例的一对采用嵌合式末端设计的叶片的工作状态示意图，其具体示出了在打开时(a)和闭合时(b)的轴侧视图，叶片在打开(c)和闭合(d)时的侧视图，以及两个叶片端面的正视图(e)，叶片末端凸起和凹陷采用网格状排布方式。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。

图1是本发明多叶准直器的结构和功能示意图，其安装于放射治疗机的治疗机头内。如图1所示，多叶准直器设置在放射源的下方，该准直器包括A侧和B侧两个叶片组，其对称排布在治疗机的等中心平面上方。在放射源的照射下，射线束穿过叶片组之间的空隙，到达需要照射的肿瘤靶区处，准直器的叶片可通过电机等驱动机构分别驱动每个叶片单独运动，从而在等中心平面形成不同的射野。射野的轮廓确定了辐射的区域，如果辐射的区域与期望照射的范围不一致，会使靶区有的部分被漏掉射线，或者射线可能照射到附近的正常组织。

图2例示了传统准直器的相对叶片的工作状态示意图。其中，(a)和(c)示出了相对叶片处于打开状态的相对位置，(b)和(d)示出了相对叶片处于闭合状态的相对位置。对于图示的示例，叶片端面在与等中心平面垂直且与叶片运动方向平行的平面内的投影形状是弧线段。如前所述，传统的准直器的相对叶片在闭合时总是有一条缝，如果缝太小则容易碰撞，而如果缝太大则可能发生漏射线，很难同时克服碰撞和漏射线的问题。

图3示出了根据本申请一实施例的采用嵌合式末端设计的准直器。结合图1和图3，本申请的多叶准直器包括相对设置的多组叶片对(图3中只示出了其中一对叶片对)，每组叶片对包括第一叶片1和第二叶片2，其可进行相对运动以闭合或打开从而吸收阻挡或透过放射线。如图3(a)、(c)所示，第一叶片1、第二叶片2的形状呈现点对称的结构配置，如图3(b)、(d)所示，在与放射治疗机的等中心平面垂直且与叶片运动方向(图中即为叶片长轴方向)平行的平面内(以下简称为“第一平面”)，第一叶片1和第二叶片2能够运动调整到闭合位置，并且第一叶片1的端面11和第二叶片2的端面21在该闭合位置处相互嵌合。通过这种嵌合设计，使得在闭合状态下相对叶片能在较宽的调整范围内实现有效地屏蔽射线，提高了放射治疗系统的安全性和可操作性。

在一实施方式中，如图3所示，叶片可由叶片主体12和末端13所组成，叶片末端13的端面具有由多个凹陷和多个凸起构成的折线轮廓。根据本实施方式的准直器，在垂直于等中心平面且与叶片运动方向平行的截面上，叶片末端13的端面轮廓不同于现有叶片的直线段或弧线段，而是一条由凹陷和凸起构成的折线段，凹陷和凸起交错分布。当相对叶片闭合时，两个叶片的凹陷和凸起相互嵌合，例如叶片1的凸起嵌合于叶片2的对应凹陷中，同时叶片2的凸起嵌合于叶片1的对应凹陷中。这样的设计使两个相对叶片之间的缝隙分成了若干小段，并且缝隙沿着射线方向(即叶片短轴方向)分布在不同位置，因此不再有直接穿过缝隙的漏射线，能更好的解决相对叶片闭合时的漏射线和剂量渐变区的问题。

在图3所示的示例中，如图3(e)所示，叶片末端的多个凹陷和多个凸起在垂直于等中心平面和叶片运动方向的平面内(以下称为“第二平面”)的投影沿着射线源与准直器中心连线方向(例如，叶片短轴方向)呈纵向交错排布，图中空白区表示凸起，阴影区表示凹陷，凸起和凹陷采用了纵向排布方式。凸起、凹陷在纵向投影的长度可以设计为相同，也可以不同，对此本申请并不做具体限定。优选地，如图3(e)所示，各凸起、凹陷在纵向投影的长度是相同的，如此可提高叶片的加工性。

每个叶片末端的凸起、凹陷的个数可为2个以上，例如为4个以上，优选地，每个叶片末端的凸起的数量与凹陷的数量相同。图3所示的末端设计中，每个叶片末端有6个凸起和6个凹陷，在实际制造中可根据加工能力增加凸起和凹陷的数量，这样可以更好地保留叶片的聚焦能力。

从图3中可以看到叶片1和叶片2的末端采用了凹陷和凸起交错分布的设计，同时一侧叶片的多个凸起的轮廓线也可组成为特定形状，例如为直线段或弧形段。优选地，如图3所示，多个凸起的轮廓线共同组成一弧形段，或者说，凸起处的端面轮廓是从图2所示出的叶片端面轮廓上通过非连续截取而形成一段间隔弧线，这可以提高叶片的聚焦性能。相应地，另一侧叶片的多个凹陷的轮廓线也组成为具有相同轮廓的弧形段，以使得两个叶片在闭合位置处能相互嵌合而不会发生碰撞。弧形段的曲率半径可根据叶片的尺寸而决定，例如可为8-30cm。在凸起具有弧形的轮廓线时，叶片末端的各凸起的延伸长度也不相同，例如如图3所示，凸起的长度从叶片末端的顶端沿着射线方向依次递增并且位于中央部位的凸起具有最大的长度。

在相对叶片闭合时，叶片1和叶片2的凸起和凹陷可以分别相互嵌合。但当叶片打开时，叶片末端的凹陷位置使衰减射线的叶片厚度变薄，射线穿透量增加。为此，在一实施例中，可将叶片末端13在射线源与准直器中心的连线方向(即叶片短轴方向)的厚度h1设置为大于末端以外的叶片主体部分12具有的厚度h2，例如，h1可大约为h2的2倍，以在末端13和主体部分12采用相同材料制备时(例如钨合金)，能保证叶片末端衰减射线的厚度与叶片主体部分的厚度(例如6-10cm左右)基本相同。同时，如图3所示，叶片末端部分13的厚度并不是恒定值，其从叶片端面13到叶片主体部分12的方向递减至厚度h2，或者说，其沿着叶片运动方向从h2递增至末端凸起处的h1，这样设计的准直器叶片从侧面看类似于人张开手指的手臂形状。

图3中叶片末端凹陷的深度可根据末端的尺寸及相对叶片闭合时的嵌合深度来确定。图4示出了根据本申请一实施例的相对叶片闭合时的嵌合深度的示意图。如图4(a)所示，两个相对叶片闭合时相互嵌合的深度可定义为两个叶片弧形端面的顶点之间的距离，其可根据叶片末端形状和嵌合位置距叶片中心线的距离而计算，例如对于图4(a)所示的弧形端面，嵌合深度在叶片的横向中心线处具有最大值d，并向两侧边缘递减。可以理解的是，对于其它的叶片末端形状，嵌合深度可能具有其它值或分布。图4(b)示出了根据本申请一实施例的叶片末端设计以及相应端面的圆弧形投影的尺寸，假设圆弧的半径为R，圆弧对应的弦长l，圆弧的轮廓高度为h。设凹陷的位置距叶片顶面和底面的距离中较小的一个为x，那么凹陷的深度y可表示为

当根据上式求得的y小于0时，表示相对叶片嵌合深度较小，圆弧端面有一部分在叶片闭合时也没有接触，因而无需设置凹陷。当相对叶片的两个圆弧端面刚好完全嵌合时，嵌合深度d应等于2h，此时，可计算得到叶片中心处的凹陷深度(即为叶片中心处的凸起的延伸长度)为2h，叶片边缘的凹陷深度为0。考虑到使叶片闭合时对射线的衰减尽量保持均匀，叶片的圆弧端面应完全嵌合，这样嵌合深度应为2h或略大于2h。在一实施例中，上述嵌合深度2h可为1.5cm至4cm，以保证相对叶片在闭合时对射线的屏蔽性。

图4(c)示出了根据本申请另一实施例的叶片末端设计以及相应端面的圆弧形投影的尺寸，其对应于图3中所示的叶片末端设计。与图4(b)相同，设凹陷的位置距叶片顶面和底面的距离中较小的一个为x，那么凹陷的深度y同样可表示为

当相对叶片的两个圆弧端面刚好完全嵌合时，嵌合深度d应等于2h+c，其中c为端面顶部平直段的长度，该平直段与弧形段相接，此时，可计算得到叶片中心处的凹陷深度(即为叶片中心处的凸起的延伸长度)为2h+c，叶片边缘的凹陷深度为c。即嵌合位置位于叶片中心线处的嵌合深度大于叶片端面弧线段轮廓高度的两倍，并向叶片的两侧边缘递减至c。在一实施例中，上述平直段的长度c可为0.5-1.5cm，嵌合深度2h+c可为1.5cm至4cm，以保证相对叶片在闭合时在较大调整范围内保持对放射线的屏蔽性。

图5示出了根据本申请另一实施例的叶片末端的设计，如图5(a)-5(d)所示，该实施例的叶片与图3所示的叶片类似，均包括叶片主体和与主体连接的末端部分，末端的整体外形轮廓也相似，不同之处在于叶片末端的凸起和凹陷的配置结构。如图5(e)所示，叶片末端的多个凹陷和多个凸起在垂直于等中心平面和叶片运动方向的第二平面内的投影配置呈网格交错排布，图中空白区表示凸起，阴影区表示凹陷，凸起和凹陷采用了横向、纵向交错分布的网格状排布方式。如图5(a)、(e)所示，每个叶片末端有24个凸起和24个凹陷，其在横向、纵向上均交错分布，如此可进一步提高准直器叶片在闭合时对于射线的屏蔽性能。

本发明的另一实施例提供了一种放射治疗机，包括上述类型的多叶准直器，以及控制器，其可控制相对的第一叶片和第二叶片的端面在闭合位置处的嵌合程度，使得第一叶片和第二叶片在闭合位置处不发生碰撞。例如，可以通过调节凹陷和凸起的尺寸，以及叶片的运动范围来控制例如相对叶片的嵌合深度以确保叶片闭合时不会碰撞。通过配置前面描述的叶片末端设计，没有必要使得相对的第一叶片和第二叶片的末端直接接触而可以实现在较大的公差范围内对叶片的运动进行控制而保证不会发生射线的漏射线和剂量渐变区的问题。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本文中，诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

以上仅为本发明的较佳排布方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。