CN101071172A - 一种测量医用加速器光子束能谱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量医用加速器光子束能谱的方法，步骤如下：a.测量医用加速器准直系统出口处光子束在三维水箱中的剂量分布，取得数据；b.应用Monte Carlo方法计算不同能量的若干组单能光子束在水中的剂量分布数据；c.建立单能光子束在水中剂量分布、光子束能谱和测量的剂量数据之间的线性方程组；d.通过测量光子束在水模中剂量数据，应用可取得结果的光子束能谱加权算法，求解线性方程组可获得光子束的能谱；本发明优点是：只需测量光子束在水箱中的剂量分布，再用本发明的软件便可到得光子束能谱数据，使用快捷简便；各放疗单位都有放疗水箱，本发明可使医院免购测量光子能谱设备，降低测量成本；不用光子能谱仪简化了放疗流程，提高了治疗效率。

Description

一种测量医用加速器光子束能谱的方法

技术领域

本发明涉及放射治疗中医用加速器的光子束能谱的测定方法，这些能谱数据的测定是光子束精确放射治疗技术的基础。

背景技术

放射治疗是医治癌症的主要手段之一，为进一步提高放射治疗的治愈率，发展以精确控制射线束剂量为特征的新一代放射治疗技术是关键。普通放射治疗直接以矩形野光子束在水模中测量的剂量数据为基础，作简单的人体密度修正即估算出光子束在人体中的剂量，并不需要光子能谱数据，但是这种方法对适形和调强放射治疗这样的精确放射治疗技术来说会产生较大误差，是不可接受的。为了实现将光子束的高剂量准确投放在靶区(肿瘤)，必须测定在加速器准直系统出口处(加速器头)的光子束能谱。这是因为对于标称能量为E兆伏的光子束来说，实际上它是由一定能量的电子打在加速器头内的钨板上产生的韧致辐射光子组成的，而韧致辐射光子的能谱很宽，从低能到高能都有，韧致辐射光子的平均能量大约为E/3(MeV)，而标称能量对应的光子能量为E(MeV)，在这种情况下，光子在人体中的剂量分布与标称能量为E(MeV)单能光子有本质的区别，如果不知道加速器光子束能谱(能量组成)，就不能精确确定光子在人体中的剂量，所以测定加速器头的光子束能谱是实现光子束精确放射治疗的一个必要条件。传统上可以利用一组核子仪器(如多道光子能谱仪)测量光子束能谱，但是这样的测量系统相当复杂，价格也很昂贵，测量系统对医用加速器治疗病人的现场布局有很大的影响，而且测量工作费时又干扰临床治病，费时费力，是医院方面深感不便的事。所以，如何用简便方法确定光子束的能谱成为实现光子束精确放射治疗技术的一个关键因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量简便、成本低的测量医用加速器光子束能谱的方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案。其步骤如下：

a、测量医用加速器准直系统出口处光子束在三维水箱中的剂量分布数据；

b、应用Monte Carlo方法，计算不同能量的若干组单能光子束在水中的剂量分布数据；

c、建立单能光子束在水中剂量分布数据、光子束能谱和测量的剂量数据之间的线性方程组；

d、通过测量光子束在水模中剂量数据，求解线性方程组，获得光子束的能谱；

e、将获得的光子束能谱数据输入到放射治疗计划系统。

本发明提出了解决测量加速器光子束能谱问题的一个有效技术方法。即应用一台三维水箱测量光子束在三维水箱中的剂量分布，然后从这些剂量分布数据便可取得光子束能谱数据，测量快捷、简便。三维水箱是现代放射治疗医疗单位的必备设备之一。因此，利用本发明的结果，医院方面即可免除购买专门测量光子能谱的设备，使测量成本降低。同时，由于去掉了应用光子能谱仪测量光子束能谱的医疗环节，从而简化了光子束放射治疗的流程。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为由美国医学物理学家学会(American Association ofPhysiciats in Medicine，AAPM)55#报告提供的10cm×10cm射野的18MV光子在水模中的中心轴上的百分深度剂量分布的标准测量曲线；

图3是本发明用Monte Carlo法计算6MeV单能光子束在水中剂量分布的数据；

图4是本发明得到的18MV医用加速器的能谱。

具体实施方式

一种测量医用加速器光子束能谱的方法，包括有下述步骤(见图1、图2、图3、图4所示)：

第一步，测量医用加速器准直系统出口处光子束在三维水箱中的剂量分布数据；具体做法是：

①调整医用加速器头内的挡块(jaw)，形成所要测量的一定大小的射野光子束；这是因为不同射野的光子束，其能谱有所不同。

②将此一定大小射野的光子束照射三维水箱，通过在水箱中的剂量计，测量上述光子束在水箱中的剂量分布；将射野中心轴不同的深度标记为z₁，z₂，……z_n，用剂量计测量得到的射野中心轴不同深度处的光子束剂量标记为d(z₁)，d(z₂)，……d(z_n)，简写成：d₁，d₂，……d_n，或者将其写成向量形式

；

第二步，用Monte Carlo方法，计算不同能量的若干组单能光子束在水箱中的剂量分布数据；具体做法是：

①设光子束标称能量为E(MV)，将E分成n等份，取每份的平均能量代表该份的光子能量，得到E/2n，3E/2n，…..(2n-1)E/2n，将其简写成：E₁，E₂，……E_n，共计n种能量；

②用Monte Carlo方法，计算能量为E_i[即(2i-1)E/2n]的单位注量单能宽束光子在水箱中测量点处的剂量D(z₁，E_i)，D(z₂，E_i)，…….D(z_n，E_i)；

③计算全部n种能量的单能光子在水箱中n个测量点的剂量，得到下面的剂量矩阵D：

$D(z,E)=\left(\begin{array}{cccc}D(z_1,E_1)& D(z_1,E_2)& ...& D(z_1,E_n)\\ D(z_2,E_1)& D(z_2,E_2)& \·\·\·& D(z_2,E_n)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ D(z_n,E_1)& D(z_n,E_2)& \·\·\·& D(z_n,E_n)\end{array}\right)---\left(1\right)$

由于加速器光子的能量是从0到E的一个连续谱，当将光子束能区分为n个间隔时，如果间隔数n很大，则每个间隔内光子能量就近似相等，可以用平均能量E_i代表该间隔的光子能量，而每一个能区的光子总数就可以代表这个能区的光子的能谱，将其记为Ψ(E_i)，或简写成Ψ_i，全部n个能区的光子能谱为Ψ₁，Ψ₂，……Ψ_n，或者写成向量形式

；

第三步，建立单能光子束在水中剂量分布数据、光子束能谱和测量的剂量数据之间的线性方程组；由于每一个测量深度z_i处的光子剂量，都是由n种单能光子产生剂量的总合，所以得到下面形式的线性方程组：

$\left(\begin{array}{cccc}D(z_1,E_1)& D(z_1,E_2)& \·\·\·& D(z_1,E_n)\\ D(z_2,E_1)& D(z_2,E_2)& \·\·\·& D(z_2,E_n)\\ .& & & \\ .& & & \\ .& & & \\ D(z_n,E_1)& D(z_n,E_2)& \·\·\·& D(z_n,E_n)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Ψ}\left(E_1\right)\\ \mathrm{\Ψ}\left(E_2\right)\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\Ψ}\left(E_n\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}d\left(z_1\right)\\ d\left(z_2\right)\\ .\\ .\\ .\\ d\left(z_n\right)\end{array}\right)---\left(2\right)$

形式上可以写为：

$D\stackrel{\→}{\mathrm{\Ψ}}=\stackrel{\→}{d}---\left(3\right)$

第四步，通过剂量计测量光子束在水模中的剂量数据，求解线性方程组，获得光子束的能谱；我们没有用普通的逆矩阵法来直接取得光子能谱 $\stackrel{\→}{\mathrm{\Ψ}}=D^{-1}\stackrel{\→}{d},$ 因为D是一个病态矩阵，用逆矩阵方法会得到不正确结果，有可能取得高频振荡的非物理结果。在本发明中我们提出一种新方法可取得正确可用的结果。其步骤如下：

①用近似方程(4)代替方程(3)

$F\stackrel{\→}{\mathrm{\Ψ}}=(D+\mathrm{\αI})\stackrel{\→}{\mathrm{\Ψ}}=\stackrel{\→}{d}---\left(4\right)$

这里I是单位矩阵，I_i ，j＝δ_i，j，δ_i，j是Kronecker符号，α是一个正数可调节参数，当α很小时，方程(4)就趋近方程(3)，由于αI增加了矩阵中对角元的值，因而将显著改善方程(3)的病态性，使其得到的能谱

是合理的；

②先选取任意一个很大的正数作为初始α₀(α的迭代初值)，由于F的病态性已得到克服，因此在能谱满足 $\left|\right|D\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Psi;}}-\stackrel{\&RightArrow;}{d}\left|\right|<\mathrm{\&delta;}$ 精度条件下，可以重新用逆矩阵法求得 ${\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Psi;}}}_0={(D+{\mathrm{\&alpha;}}_{0}I)}^{-1}\stackrel{\&RightArrow;}{d};$

③计算误差 ${\mathrm{\&Delta;}}_0=\left|\right|D{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Psi;}}}_0-\stackrel{\&RightArrow;}{d}\left|\right|$

如果Δ₀＞δ，则选择一个更小的α₁。重复上述计算过程，直到第m次，使得选择的α_m所取得 ${\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Psi;}}}_m={(D+{\mathrm{\&alpha;}}_{m}I)}^{-1}\stackrel{\&RightArrow;}{d},$ 能使 ${\mathrm{\&Delta;}}_m=\left|\right|D{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Psi;}}}_m-\stackrel{\&RightArrow;}{d}\left|\right|<\mathrm{\&delta;}$ 第一次成立，则迭代过程完成，如此这就取得了一个可用的光子能谱

④将光子能谱

储存于数据库储

⑤要计算光子束剂量时，可以调用这些光子能谱数据

对病人实施照射前，医生将这些光子束能谱数据输入到放射治疗计划系统。而放射治疗计划系统应用这些数据，就能够提供光子束在病人体内精确的剂量分布信息。

为了更进一步清楚说明本发明方法，下面通过具体实施例来说明：如图1、图2、图3、图4所示，该实施例为在应用上述本发明方法的基础上得到18MV光子束的能谱，其方法如下：实施过程如图1，

1)选择一台标称能量为18MV的医用加速器，按照本发明方法中的步骤a所述的方法进行。

2)利用三维水箱测量了光子束在水箱中的剂量数据(见图2)。按照本发明方法中的步骤a所述的方法进行。

3)利用Monte Carlo法计算0.5MeV到20MeV单能光子束在水中的剂量分布数据(见图3)。按照本发明方法中的步骤b所述的方法进行。

4)建立单能光子束剂量分布、光子束能谱和测量的剂量数据之间关系的线性方程组；按照本发明方法中的步骤c所述的方法进行。

5)求解线性方程组，获得光子束的能谱。(见图4)。按照本发明方法中的步骤d所述的方法进行。

6)将获得的光子束能谱数据输入到放射治疗计划系统。对病人实施照射时，放射治疗计划系统应用这些数据，提供光子束在病人体内精确的剂量分布信息。

Claims (1)

1、一种测量医用加速器光子束能谱的方法，具有下述步骤：

第一步，测量医用加速器准直系统出口处光子束在三维水箱中的剂量分布数据；具体做法是：

①调整医用加速器头内的挡块，形成所要测量的一定大小的射野光子束；

②将一定大小射野的光子束照射三维水箱，通过在水箱中的剂量计，测量上述光子束在水箱中的剂量分布；将射野中心轴不同的深度标记为z₁，z₂，……z_n，用剂量计测量得到的射野中心轴不同深度处的光子束剂量标记为d(z₁)，d(z₂)，……d(z_n)，简写成：d₁，d₂，……d_n，或者将其写成向量形式

第二步，用Monte Carlo方法，计算不同能量的若干组单能光子束在水箱中的剂量分布数据；具体做法是：

①设光子束标称能量为E(MV)，将E分成n等份，取每份的平均能量代表该份的光子能量，得到E/2n，3E/2n，…..(2n-1)E/2n，将其简写成：E₁，E₂，……E_n，共计n种能量；

②用Monte Carlo方法，计算单位注量能量为E_i＝(2i-1)E/2n的单能宽束光子在水箱中测量点处的剂量D(z₁，E_i)，D(z₂，E_i)，…….D(z_n，E_i)；

③计算全部n种能量的单能光子在水箱中n个测量点的剂量，得到下面的剂量矩阵D：

$D(Z,E)=\left(\begin{array}{cccc}D(z_1,E_1)& D(z_1,E_2)& ...& D(z_1,E_n)\\ D(z_2,E_1)& D(z_2,E_2)& ...& D(z_2,E_n)\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ D(z_n,E_1)& D(z_n,E_2)& ...& D(z_n,E_n)\end{array}\right)---\left(1\right)$

由于加速器光子的能量是从0到E的一个连续谱，当将光子束能区分为n个间隔时，如果间隔数n很大，则每个间隔内光子能量就近似相等，可以用平均能量E_i代表该间隔的光子能量，而每一个能区的光子总数就可以代表这个能区的光子的能谱，将其记为Ψ(E_i)，或简写成Ψ_i，全部n个能区的光子能谱为Ψ₁，Ψ₂，……Ψ_n，或者写成向量形式

第三步，建立单能光子束在水中剂量分布数据、光子束能谱和测量的剂量数据之间的线性方程组；由于每一个测量深度z_i处的光子剂量，都是由n种单能光子产生剂量的总合，所以得到下面形式的线性方程组：

$\left(\begin{array}{cccc}D(z_1,E_1)& D(z_1,E_2)& ...& D(z_1,E_n)\\ D(z_2,E_1)& D(z_2,E_2)& ...& D(z_2,E_n)\\ .& & & \\ .& & & \\ .& & & \\ D(z_n,E_1)& D(z_n,E_2)& ...& D(z_n,E_n)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{\&Psi;}\left(E_1\right)\\ \mathrm{\&Psi;}\left(E_2\right)\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\&Psi;}\left(E_n\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}d\left(z_1\right)\\ d\left(z_2\right)\\ .\\ .\\ .\\ d\left(z_n\right)\end{array}\right)---\left(2\right)$

形式上可以写为：

$D\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Psi;}}=\stackrel{\&RightArrow;}{d}---\left(3\right)$

第四步，通过剂量计测量光子束在水模中的剂量数据，求解线性方程组，获得光子束的能谱；由于D可能是病态矩阵，用本发明中我们提出一种新方法取得有用结果，其步骤如下：

①用近似方程(4)代替方程(3)

$F\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Psi;}}=(D+\mathrm{\&alpha;I})\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Psi;}}=\stackrel{\&RightArrow;}{d}---\left(4\right)$

这里I是单位矩阵，I_i，j ＝δ_i，j，δ_i，j是Kronecker符号，α是一个正数可调节参数，当α很小时，方程(4)就趋近方程(3)，由于αI增加了矩阵中对角元的值，因而将显著改善方程(3)的病态性，使其得到的能谱

是合理的；

②先选取任意一个很大的正数作为初始α₀(α的迭代初值)，由于F的病态性已得到克服，因此在能谱满足 $\left|\right|D\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Psi;}}-\stackrel{\&RightArrow;}{d}\left|\right|<\mathrm{\&delta;}$ 精度条件下，可以重新用逆矩阵法求得

${\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Psi;}}}_0={(D+{\mathrm{\&alpha;}}_{0}I)}^{-1}\stackrel{\&RightArrow;}{d};$

③计算误差 ${\mathrm{\&Delta;}}_0=\left|\right|D\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Psi;}}-\stackrel{\&RightArrow;}{d}\left|\right|.$ 如果Δ₀＞δ，则选择一个更小的口α₁重复上述计算过程，直到第m次，使得选择的α_m所取得 ${\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Psi;}}}_m={(D+{\mathrm{\&alpha;}}_{m}I)}^{-1}\stackrel{\&RightArrow;}{d},$ 能使 ${\mathrm{\&Delta;}}_m=\left|\right|D{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Psi;}}}_m-\stackrel{\&RightArrow;}{d}\left|\right|<\mathrm{\&delta;}$ 第一次成立，则迭代过程完成，如此这就取得了一个可用的光子能谱

④将光子能谱 储存于数据库储

⑤临床上要计算光子束剂量时，可以调用这些光子能谱数据至放射治疗计划系统。

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