CN100998497A - 确定电子束剂量分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定电子束剂量分布的方法，包含以下步骤：a)采用计算机断层扫描测量得出被照射物体的电子密度矩阵；b)测量记录照射电子束的初始侧向参数、电子束能谱和源皮距；c)将照射电子束离散为电子微束矩阵，并利用混合笔束模型计算得出每个微束在被照射物体中的三维剂量分布；e)将每一个电子微束的剂量矩阵相加，获得电子束在被照射介质中的三维剂量分布矩阵。依照本发明测量电子束在人体或类人体介质中的三维剂量分布，需要测量数据少、计算速度快、计算精度高。

Description

确定电子束剂量分布的方法

技术领域

本发明涉及一种确定电子束剂量分布的方法，具体的说是用于在电子束外照射放射治疗中，准确的确定电子束在被照射介质中三维剂量分布的方法。

背景技术

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的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。这可以由计算机断层扫描(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作病人的治疗计划。

在放射治疗的临床应用上，确定放射剂量是一个基本的问题。为了避免正常组织的伤害，在电子束照射时，要选择适形照射，就是根据肿瘤在电子束入射方向的形状来决定照射区域，因此形成的射野是非规则射野。在照射区域确定后，需要将其离散化为一系列微电子束，并形成电子束的强度矩阵。在中间部分，微电子束的强度较强；在边缘部分，微电子束的强度较弱，根据实际情况确定。在被照射区域之外，微电子束的强度为0。

电子束的参数包括电子束的能谱、电子束的初始侧向参数和照射的SSD(源皮距)。电子束的能谱和电子束的初始侧向参数由测量得到。照射的SSD根据照射时的实际情况确定。

目前使用的确定电子束剂量的算法，包括Monte Carlo方法和解析算法。前者包括MMC(Macro Monte Carlo)方法和VMC(Voxel Monte Carlo)方法等。为了获得要求的计算精度，这两种算法需要大量的计算时间，这限制了它们在临床上的应用。而解析算法是在Fermi-Eyges多次散射理论的基础上发展起来的，比如笔束模型PBRA(Electron pencil-beam redefinition algorithm)，但该方法在使用中，需要很多测量数据。

使用混合笔束模型在计算电子束在规则照射条件下、在均匀、非均匀介质中的剂量分布取得良好的精度和计算效率。本发明方法使用混合笔束模型计算电子束在人体或类人体介质中的三维剂量分布，具有需要测量数据少、计算速度快、计算精度高的特点。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够精确确定电子束在人体或类人体介质中三维剂量分布，所需测量数据少、计算精度高，工作效率高的确定电子束剂量分布的方法。

本发明的技术方案是：

一种确定电子束剂量分布的方法，其特征在于包含以下步骤：

a)采用计算机断层扫描(CT)测量，得出被照射物体的电子密度矩阵；

b)测量记录照射电子束的初始侧向参数、电子束能谱和源皮距；

c)将照射电子束离散为电子微束矩阵，并利用混合笔束模型计算得出每个微束在被照射物体中的三维剂量分布；

e)将每一个电子微束的剂量矩阵相加，获得电子束在被照射介质中的三维剂量分布矩阵。

本发明的有益效果是：使用混合笔束模型计算电子束在人体或类人体介质中的三维剂量分布，需要测量数据少、计算速度快、计算精度高。

附图说明

图1是本发明具体实施例的试验一的效果图。

图2是本发明具体实施例的试验一的照射试验布置图。

图3是本发明具体实施例的试验二的效果图。

图4是本发明具体实施例的试验二的照射试验布置图。

图5是本发明工作方式的具体流程图。

图6是采用本发明方法的电子束精确放射治疗系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图5所示，本发明的确定电子束剂量分布的方法，依照以下步骤：

a)采用计算机断层扫描(CT)测量，得出被照射物体的电子密度矩阵；

b)测量记录照射电子束的初始侧向参数、电子束能谱和源皮距；

c)将照射电子束离散为电子微束矩阵，并利用混合笔束模型计算得出每个微束在被照射物体中的三维剂量分布；

e)将每一个电子微束的剂量矩阵相加，获得电子束在被照射介质中的三维剂量分布矩阵。

其中，电子束的参数包括电子束的能谱、电子束的初始侧向参数和照射的SSD(源皮距)。电子束的能谱和电子束的初始侧向参数由测量得到，照射的SSD根据照射时的实际情况确定。

为了避免正常组织的伤害，在电子束照射时，要选择适形照射，就是根据肿瘤在电子束入射方向的形状来决定照射区域，因此形成的射野是非规则射野。在照射区域确定后，需要将其离散化为一系列微电子束，并形成电子束的强度矩阵。

混合笔束模型的具体运算过程如下：

能量为E的单能微电子束(截面大小为2a×2b)垂直入射在介质表面。以电子束入射方向为z轴正方向，以入射点为坐标原点。该微电子束在介质中产生的三维剂量分布为：

$D_p(x,y,z,E)=\frac{D_{\mathrm{bm}}(z,E)}{4}*[\mathrm{erf}\left(\frac{a+x}{\sqrt{A_2(z,E)}}\right)+\mathrm{erf}\left(\frac{a-x}{\sqrt{A_2(z,E)}}\right)]*$

$[\mathrm{erf}\left(\frac{b+y}{\sqrt{A_2(z,E)}}\right)+\mathrm{erf}\left(\frac{b-y}{\sqrt{A_2(z,E)}}\right)]$

D_p(x，y，z，E)表示能量为E的单能微电子束，在空间点(x，y，z)处沉积的能量(吸收剂量)。D_bm(z，E)表示能量为E的无限宽束电子，在深度z处的沉积的能量，由双群模型计算得到。a和b是电子束的束宽度的一半。A₂(z，E)表示能量为E的微电子束，在深度z处的侧向分布参数。

$A_2(z,E)={\∫}_0^{z}T\left(E_t\right){(z-t)}^2\mathrm{dt}$

T(E_t)＝2σ_tr(E_t)

σ_tr(E_t)是能量为E_t的电子的输运截面。E_t是当入射电子的能量为E时，电子在深度t处的平均能量。

在上面的公式中，涉及到对误差函数erf(x)的计算。由于在计算三维剂量分布时，误差函数的计算将重复很多次，并且误差函数的精确计算是比较浪费时间的。在本发明中，计算了变量值为1到2之间的10,000个取样点上的误差函数值。在使用中，直接使用查表的方法获得误差函数值，从而提高了计算效率。

在电子束经过加速器头后，有一部分电子的运动方向和能量将发生改变。这种改变最终反映到电子在介质中的空间剂量分布。为了考虑这一因素，混合笔束模型修正了对电子的侧向分布参数的计算。修正后的侧向分布参数为：

A₂(z)=A₂ ⁰+A₂ ²(z)

A₂(z)是电子笔束在深度z处的修正后的侧向分布参数。A₂ ⁰是电子笔束的初始剂量剖面参数，根据测量的电子束在介质表面的平坦度曲线计算得到。A₂ ²(z)是混合笔束模型中的笔束电子在深度z处的侧向分布参数。

考虑到介质表面的弯曲性，每一个微电子束的入射点距离源的距离都是不一样的。因此，在电子束被离散化后，每个微电子束的剂量分布需要修正，以考虑介质表面弯曲的影响，其修正因子为：

SSD²/(SSD+d)²

在考虑了电子束能谱、介质表面弯曲和电子束的强度矩阵(非规则射野)后，电子束在被照射介质中的三维剂量分布可以表示为：

$D(x,y,z)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}w\left(E_k\right)\frac{\mathrm{SS}{D}^2}{{(\mathrm{SSD}+d_{\mathrm{ij}})}^2}{a}_{\mathrm{ij}}{D}_p(x,y,z,i,j,k)$

上式中，D(x，y，z)表示在点(x，y，z)的剂量。i和j是离散化后的微电子束在x和y方向的编号。k表示入射电子束能谱节点的编号。w(k)是电子束能谱中能量为E_k的能量的权重。d_ij是编号为ij的微电子束的表面修正距离。α_ij是编号为ij的微电子束的强度。D_p(x，y，z，i，j，k)是编号为ij的微电子束的能谱中能量为E_k的电子在介质中的点(x，y，z)产生的剂量。

依照本发明方法测量电子束剂量分布，其中所所使用的设备及相互关系描述如下：

计算机断层扫描(CT)：获得病人或被照射物体的解剖结构信息；

电子束治疗TPS系统：接受CT机来的病人或被照射物体信息。在医生的操作下对病人的体表、肿瘤、危及器官进行三维重建；在物理师的操作下，对照射计划进行确定，给出照射计划的剂量分布和DVH评估数据；

模拟机：根据照射计划进行模拟照射；

加速器治疗机：由操作人员根据照射计划对病人实施照射。

各设备的连接关系如图6所示。其中，混合笔束模型计算得出每个微束在被照射物体中的三维剂量分布，以及将每一个电子微束的剂量矩阵相加，获得电子束在被照射介质中的三维剂量分布矩阵的步骤，在电子束治疗TPS系统完成。

本发明方法的实施过程如下：

1.病人进行CT扫描，得到病人的CT数据；

2.病人的CT数据输入到TPS系统中；

3.医生勾画轮廓、肿瘤以及危及器官；

4.物理师利用本发明内容得到电子束在病人的剂量分布，得到能够实施的治疗计划；

5.该计划的剂量分布和DVH(剂量-体积直方图)等数据，经过医生评估并批准，病人在模拟机上被模拟定位，然后由工作人员在加速器上对病人实施照射。

本发明的具体实施例如下：

实例一：非规则表面

本实例的测量数据引用ECWG(高能电子束治疗计划联合工作组：

Collaborative Working Group contract on high energy electron beantreatment planning)的实验。在该实验中，使用阶梯状的固体水模拟人体外表面在照射野内出现一个陡峭的阶梯形变化(如下颚)。本实例计算了在100cmSSD、15cm×15cm射野的照射条件下，20MeV电子束照射在阶梯状固体水中的剂量分布，如图2所示。图1给出了在离中心平面1cm的平面上的等剂量曲线的比较，圆点是ECWG的测量数据，实线是本发明方法的测量数据。

实例二：非规则射野

本实例的测量数据引用ECWG的实验。在该实验中，设计了一个“房形”非规则射野，如图4所示。在该射野中，在中心轴附近有一个狭长附加物(烟囱状)和一个三角形附加物(屋顶状)，见图5。本实例计算了在100cmSSD、15cm×15cm射野的照射条件下，20MeV电子束在该射野照射条件下在水箱表面下6.1cm深度的BEV平面上的等剂量线的比较。圆点是ECWG的测量数据，实线是本发明方法的材料数据，见图3。

上述实施例说明依照本发明测量的电子束分布结果与ECWG的测量结果，即电子束剂量的实际分布结果误差较小，在允许使用范围内，并且测量所需要的时间和实际测量的参数，均比传统的确定电子束剂量的算法要少。

Claims (1)

1.一种确定电子束剂量分布的方法，包含以下步骤：

第一步，采用计算机断层扫描测量得出被照射物体的电子密度矩阵；

第二步，测量记录照射电子束的初始侧向参数、电子束能谱和源皮距；

第三步，将照射电子束离散为电子微束矩阵，并利用混合笔束模型计算得出每个微束在被照射物体中的三维剂量分布：

$D_p(x,y,z,E)=\frac{D_{\mathrm{bm}}(z,E)}{4}*[\mathrm{erf}\left(\frac{a+x}{\sqrt{A_2(z,E)}}\right)+\mathrm{erf}\left(\frac{a-x}{\sqrt{A_2(z,E)}}\right)]*$

$[\mathrm{erf}\left(\frac{b+y}{\sqrt{A_2(z,E)}}\right)+\mathrm{erf}\left(\frac{b-y}{\sqrt{A_2(z,E)}}\right)]$

其中：D_bm(z，E)表示能量为E的无限宽束电子在深度z处的沉积的能量，由双群模型计算得到，

a和b是电子束的束宽度的一半，

A₂(z，E)表示能量为E的微电子束在深度z处的侧向分布参数，

$A_2(z,E)={\∫}_0^{E}T\left(E_t\right){(z-t)}^2\mathrm{dt}$

T(E_t)＝2σ_tr(E_t)

σ_tr(E_t)是能量为E_t的电子的输运截面，

E_t是当入射电子的能量为E时，电子在深度t处的平均能量；

第四步，将每一个电子微束的剂量矩阵相加，获得电子束在被照射介质中的三维剂量分布矩阵：

$D(x,y,z)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}w\left(E_k\right)\frac{\mathrm{SS}{D}^2}{(\mathrm{SSD}+d_{\mathrm{ij}}{)}^2}{a}_{\mathrm{ij}}{D}_P(x,y,z,i,j,k)$

式中：D(x，y，z)表示在点(x，y，z)的剂量，

i和j是离散化后的微电子束在x和y方向的编号，

k表示入射电子束能谱节点的编号，

w(k)是电子束能谱中能量为E_k的能量的权重，

d_ij是编号为ij的微电子束的表面修正距离，

a_ij是编号为ij的微电子束的强度，

D_p(x，y，z，i，j，k)是编号为ij的微电子束能谱中能量为E_k的电子在介质中的点(x，y，z)产生的剂量。

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