CN100432700C - 医用电子加速器能谱测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用电子加速器能谱测量方法，主要包括：调整测量设备；确定三维水箱的扫描参数；开启加速器和三维水箱控制器，通过剂量仪自动测量电子束在三维水箱中每一个测量点的剂量分布数据；将测量的剂量数据输入计算机能谱分析系统中，通过能谱分析程序分析得到电子束的能谱。能谱分析程序主要包括：能谱关系的确立、能谱的计算和误差分析。本发明的优点是：使用的数据是加速器日常维护中需要测量的数据，因此测量成本很低；不需要使用能谱测量仪直接测量能谱，避免医院购入新的设备，降低设备投资；系统操作简单，除必不可少的操作如数据输入、结果保存等外，系统自动处理分析过程不必人工干预。

Description

医用电子加速器能谱测量方法

技术领域

本发明涉及放射治疗中医用电子加速器的电子束能谱的确定方法。

背景技术

化学、免疫、抗生素疗法这三大防治手段，在基本控制了以往主要威胁人类健康的传染病之后，诸如肿瘤、心脑血管等非传染性疾病逐渐成为人类健康的主要敌人，其中尤以肿瘤的危害为甚。世界卫生组织的报告表明：二十世纪后期近三十年以来癌症发病率一直呈上升趋势。我国相关的统计表明：近年来，肿瘤已经成为死亡的主要原因。因此，开展对肿瘤治疗手段的研究已成为一个迫切的课题。目前比较成熟的肿瘤治疗手段包括手术治疗、放射治疗和化疗，其中放射治疗占了相当大的比例。

放射治疗特别适用于局部具有一定外形的肿瘤。实施放射治疗的先决条件是确定肿瘤的位置和判断肿瘤的生长范围。这可以通过计算机断层扫描(CT)、核磁共振(NMR)或正电子发射断层扫描(PET)等技术手段来提供病人的三维解剖信息。在此基础上，医生确定出患者的肿瘤区(CTV)和敏感组织(OARs)，再和医学物理学家一起定义照射靶区(PTV)，然后利用放射治疗计划系统为患者制定治疗计划。

在电子束放射治疗的临床应用上，计算照射在患者病区中的辐射剂量是一个基本的问题。为了精确地计算电子束的三维剂量分布，则需要知道入射电子束的能谱。此前，入射电子束的能谱采用直接测量的方法。采用直接测量方法测量电子束能谱成本很高，需要专用的设备和具有专业知识的操作人员，并且在临床应用时需要动用很大的人力和物力，很不方便。

发明内容

本发明的目的是：提供一种具有快速、准确、低成本特点，仅通过测量医用电子加速器在水模中的剂量数据，即可确定入射电子束能谱的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种医用电子加速器能谱测量方法，包括如下步骤：

第一步，调整测量设备，即将加速器的机头角和机架角设置为0°，床角设置为90°，将三维水箱置于加速器的机头下方，并使得三维水箱内的水的表面几何中心位于加速器的等中心处；将三维水箱的接口与剂量仪连接，并将加速器的射野大小设置为需要测量的射野；

第二步，确定三维水箱的扫描参数，深度方向的扫描参数从0.5cm到15cm，扫描间隔为0.25cm；三维水箱内测量电离室移动的支架方向的扫描参数从-12.5cm到12.5cm，扫描间隔为0.25cm；

第三步，开启加速器和三维水箱控制器，通过剂量仪自动测量电子束在三维水箱中每一个测量点的剂量分布数据；

第四步，将测量的剂量数据输入计算机能谱分析系统中，通过能谱分析程序分析得到电子束的能谱。

能谱分析程序主要包括：

(1)测量数据的输入和存储：测量数据包括加速器的能量、测量的剂量数据、测量时的源皮距SSD和测量的射野的大小；

(2)在数据库存储的：通过电子输运双群模型计算得到0.2MeV、0.5MeV、1-30MeV且其间隔为1MeV的共32个能量的无限宽单能电子束的深度剂量数据，作为能谱测量分析程序的能量-剂量响应矩阵；

(3)分析电子束的能谱：

①能谱关系的确立：由于测量的剂量数据是具有能谱的电子束的综合效果，因此在能量-剂量响应矩阵、测量的剂量数据和能谱之间存在着如下的关系：

D(E，z)×W(E)＝M(Z)

其中：

$M\left(z\right)=\left[\begin{array}{c}{m}_1\\ m_2\\ m_3\\ .\\ .\\ .\\ m_M\end{array}\right]$ $W\left(E\right)=\left[\begin{array}{c}{w}_1\\ w_2\\ .\\ .\\ .\\ w_N\end{array}\right]$

式中，N＝32是能量数目，

M是测量的深度点的数目，

矩阵D(E，z)是能量-剂量响应矩阵：该矩阵中的每一列，代表某一无限宽单能电子束在M个深度点的剂量分布，

M(z)是M个测量点上的测量值，

W(z)是能谱值；

本发明电子束的能谱由下式确定：

W(E)＝|B+αI|^-1×F

式中：B＝D^T(E，z)D(E，z)，

D^T(E，z)是D(E，z)的转置矩阵，

α是控制参数，

I是单位矩阵，

F＝D^T(E，z)M(z)，

|B+αI|^-1是B+αI的逆矩阵；

②能谱的计算：将控制参数α，从一个任意给定的正数值，逐步减小到一个比较小的正数值，对W(E)＝|B+αI|^-1×F，通过迭代过程就可以得到一系列的能谱；

③误差分析：对于每一个控制参数α所对应的能谱，进行误差分析：

即用能量-剂量响应矩阵乘以得到的能谱，得到由该能谱确定的电子束的深度剂量分布，再将该深度剂量分布与测量的剂量分布进行比较，计算两者之间的误差，如果误差满足要求，就终止迭代过程，并记录能谱数据。

经过实验表明，将参数设置为α＝1时，可以快速得到方程解。

图1是本发明能谱分析程序工作原理的流程图。为了能够自动取得最优解，在每次迭代之后，将能谱中的次要成分过滤，然后重新进行计算。一般经过几次迭代后，就可以得到能谱分布。

(4)保存电子束能谱数据：将得到的能谱数据保存在数据库中，以便于在电子束放射治疗时用于计算所需要的电子束剂量分布。

使用本发明来测量医用电子加速器的能谱，具有以下优点：

(1)使用的数据是加速器日常维护中需要测量的数据，因此测量成本很低；

(2)不需要使用能谱测量仪直接测量能谱，避免医院购入新的设备，降低设备投资；

(3)本发明的系统操作简单，除必不可少的操作(如数据输入、结果保存等)外，系统自动处理分析过程，不必人工干预。

附图说明

图1是本发明能谱分析程序工作原理的流程图；

图2医用加速器电子束能谱测量的设备连接图；

图3是本发明的工作原理方框图；

图4是测量得到的6MeV电子束的剂量分布；

图5是利用本发明得到的6MeV电子束的能谱；

图6是利用本发明得到的9MeV电子束的能谱；

图7是测量得到的9MeV电子束的剂量分布。

具体实施方式

加速器和治疗床是电子束肿瘤治疗的治疗设备，在测量加速器输出的电子束的能谱时，旋转治疗床，将三维水箱放置于加速器机头正下方。三维水箱在计算机的控制下，自动测量加速器输出的电子束在水箱中产生的剂量数据。剂量仪测量三维水箱中每一个测量点的剂量数据。计算机控制三维水箱中测量电离室的运动，获取剂量仪测量得到的单能电子剂量分布数据，并通过对测量数据的处理获得加速器产生的电子束的能谱。这里扫描参数是指每隔一段距离就测量一次。

实施例1(如图3所示)

一种医用电子加速器能谱测量方法，主要有如下步骤：

第一步，调整测量设备，即将加速器的机头角和机架角设置为0°，床角设置为90°，将三维水箱置于加速器的机头下方，并使得三维水箱内的水的表面几何中心位于加速器的等中心处；将三维水箱的接口与剂量仪连接，并将加速器的射野设置为20cm×20cm；

第二步，确定三维水箱的扫描参数，深度方向的扫描参数从0.5cm到15cm，扫描间隔为0.25cm；三维水箱内测量电离室移动的支架方向的扫描参数从-12.5cm到12.5cm，扫描间隔为0.25cm；

第三步，开启加速器和三维水箱控制器，通过剂量仪测量三维水箱中测量点的单能电子剂量分布数据；

第四步，将测量的剂量数据通过数据线输入计算机中，通过前述能谱分析程序分析得到电子束的能谱。具体操作如下：

4.1将第三步测量得到的加速器的剂量数据，通过传输介质(如U盘、网络等)输入计算机能谱分析系统；

4.2启动能谱分析功能；

4.3用鼠标按下“新建参数”功能，调入测量的剂量数据。在成功调入测量数据后，系统会显示和测量相关的参数。此时可以判断测量参数是否和测量的设置一致。如果无问题，可以进入步骤4.4。如果有问题，则从第一步开始重新测量。

4.4用鼠标按下“计算参数”按钮，进行能谱分析。使用“保存”按钮，保存该次测量的能谱。

实施例2

以6MeV电子束为例：

在本实例中，选择的电子束加速器为Elekta，电子束的能量为6MeV，源皮距SSD为100cm，射野为10cm×10cm(在水箱表面)，测量的水模为MP3水箱系统，测量间距为0.25cm。每一个测量点的值都经过3次测量，然后取平均值。测量剂量都归一化到最大剂量值。图4是测量得到的6MeV电子束的剂量分布。

图5是利用本发明得到的Elekta 6MeV医用电子加速器产生的电子束的能谱，图中横坐标代表能量，纵坐标是能量分量的相对权重。权重值已经进行了重新归一化，使得所有的权重之和为1，该图所示能谱数据为三维放射治疗计划系统中计算电子束的剂量分布的关键数据。

实施例3以9MeV电子束为例：

在本实例中，选择的电子束加速器为Varian Clinac 1800，电子束的能量为9MeV，源皮距SSD为100cm，射野为15cm×15cm(在水箱表面)，测量水模为RFA-3水箱系统，测量间距为0.25cm。每一个测量点的值都经过3次测量，然后取平均值。测量剂量都归一化到最大剂量值。图7是测量得到的9MeV电子束的剂量分布。图6是利用本专利方法得到的Varian Clinac 1800的9MeV医用电子加速器产生的电子束的能谱，图中横坐标代表能量，纵坐标是能量分量的相对权重。权重值已经进行了重新归一化，使得所有的权重之和为1。该图所示能谱数据为三维放射治疗计划系统中计算电子束的剂量分布的关键数据。

Claims (1)

1、一种医用电子加速器能谱测量方法，包括有如下步骤：

第一步，调整测量设备，即将加速器的机头角和机架角设置为0°，床角设置为90°，将三维水箱置于加速器的机头下方，并使得三维水箱内的水表面的几何中心位于加速器的等中心处；将三维水箱的接口与剂量仪连接，并将加速器的射野设置为需要测量的射野；

第二步，确定三维水箱的扫描参数，深度方向从0.5cm到15cm，扫描间隔为0.25cm；三维水箱内测量电离室移动的支架方向从-12.5cm到12.5cm，扫描间隔为0.25cm；

第三步，开启加速器和三维水箱控制器，通过剂量仪测量加速器电子束在三维水箱中测量点的剂量分布数据；

第四步，测量的剂量数据通过数据线输入计算机能谱分析系统中，通过能谱分析程序分析得到电子束的能谱；能谱分析程序主要包括：

(1)测量数据的输入和存储：测量数据包括加速器的能量、测量的剂量数据、测量时的源皮距SSD和测量的射野的大小；

(2)在数据库存储的：通过电子输运双群模型计算得到0.2MeV、0.5MeV、1-30MeV且其间隔为1MeV的共32个能量的无限宽单能电子束的深度剂量数据，作为能谱测量分析程序的能量-剂量响应矩阵；

(3)分析电子束的能谱，包括：

①能谱关系的确立：在能量-剂量响应矩阵、测量的剂量数据和能谱之间存在着如下的关系：

D(E，z)×W(E)＝M(Z)

其中：

$M\left(z\right)=\left[\begin{array}{c}{m}_1\\ m_2\\ m_3\\ \·\\ \·\\ \·\\ m_M\end{array}\right]$ $W\left(E\right)=\left[\begin{array}{c}{w}_1\\ w_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ w_N\end{array}\right]$

式中，N＝32是能量数目，

M是测量的深度点的数目，

矩阵D(E，z)是能量-剂量响应矩阵：该矩阵中的每一列，代表某一无限宽单能电子束在M个深度点的剂量分布，

M(z)是M个测量点上的测量值，

W(z)是能谱值；

电子束的能谱由下式确定：

W(E)＝|B+αI|^-1×F

式中：B＝D^T(E，z)D(E，z)，

D^T(E，z)是D(E，z)的转置矩阵，

α是控制参数，

I是单位矩阵，

F＝D^T(E，z)M(z)，

|B+αI|^-1是B+αI的逆矩阵；

②能谱的计算：将控制参数α，从一个任意给定的正数值，逐步减小到一个比较小的正数值，对W(E)＝|B+αI|^-1×F，通过迭代过程就可以得到一系列的能谱；

③误差分析：对于每一个控制参数α所对应的能谱，进行误差分析：即用能量-剂量响应矩阵乘以得到的能谱，得到由该能谱确定的电子束的深度剂量分布，再将该深度剂量分布与测量的剂量分布进行比较，计算两者之间的误差，如果误差满足要求，就终止迭代过程，并记录能谱数据。

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