CN101477202B - 一种能量沉积核的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐射能量沉积核的获取方法，可获得针对具体放射源的具体工况及老化程度下的个性化的放射源不同能量沉积核。通过反演获得放射源能谱后，建立计算模型，进行蒙卡计算。基于空间对称性和放射源参数，提取针对该放射源的相对能量沉积核。测量开野数据，与蒙特卡罗模拟结果对比，获得归一化因子。相对能量沉积核乘以归一化因子，得到绝对能量沉积核。本发明的优点是：使用数据是放射源日常维护的测量数据，无须添加额外设备和测量工作量，成本低；可经常性的根据放射源状况进行沉积核数据更新，提高剂量计算精度；可求取绝对能量沉积核，直接用于剂量计算的叠加，并在归一化因子的计算中较精确的考虑了介质情况。

Description

一种能量沉积核的获取方法

技术领域

本发明涉及辐射剂量测量和计算中的能量沉积核获取技术。

背景技术

辐射剂量测量和计算广泛应用于辐射化工、食品加工、航空航天等领域。其中，获取放射源对受辐照介质的能量沉积核是辐射剂量计算中的关键问题。快速、精确地计算辐射过程中射线在介质中的剂量，需要有准确反映放射源和介质特性的能量沉积核。

目前广泛采用直接测量的方法获取单元小射束的能量沉积核，无法从根本上克服测量过程中放射源设备附件及受辐照介质的散射线引入的误差，导致能量沉积核的精度不高。而此前应用的传统的蒙特卡罗模拟提取沉积核的方法，需要记录三维空间中各点的蒙特卡罗模拟结果，形成的沉积核数据文件庞大，且很难针对具体放射源建立沉积核，也无法反映放射源长期使用过程中沉积核的变化。上述方法都需要专用设备和具有专业知识的操作人员，费时较长，人力物力消耗大，很不方便。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种辐射剂量的能量沉积核的获取方法。可获得针对具体放射源的具体工况及老化程度下的个性化能量沉积核。应用于辐射相关领域的辐射剂量测量和计算。

本发明技术方案如下：

一种能量沉积核的获取方法，其特征在于采用以下步骤实现：

(1)、输入数据的获取

测量放射源的百分深度剂量曲线、通过反演获取放射源能谱；

(2)、数据库的建立

模型的建立

建立三种蒙特卡罗模拟模型：

射束垂直入射到介质表面中心轴上，介质材料和尺寸可变；

射束斜入射到介质表面，介质材料和尺寸可变；

射束垂直入射到凹形介质表面中心轴上，从射束入射的模体表面、沿着射线中心轴挖有孔，介质材料和尺寸可变，孔大小、深度可变。通过对这些模型的蒙特卡罗模拟，可以得到入射到介质表面的反向散射的粒子引起的剂量分布；

射束依次采用不同能量的序列单能粒子源，也可直接采用放射源的能谱；用蒙特卡罗方法对上述模型进行精细模拟，保存其输出的全空间文件。

基于空间对称性的数据提取加工

运行蒙特卡罗软件数据提取程序，从蒙特卡罗软件模拟的结果中提取平行于射线方向、过射线中心轴的不同平面上的剂量分布；包括中心轴百分深度剂量PDD和若干深度的离轴剂量分布OAR；

依次提取不同能量的序列单能粒子的数据；每个能量的粒子数据存储到各自的数据文件。也可直接在蒙特卡罗模拟中输入该放射源的复合能谱，提取蒙特卡罗模拟结果。

(3)、建立个性化的能量沉积核

建立相对能量沉积核数据库

由步骤(1)得到现在使用的放射源的具体工况及现在老化程度下的能谱；对步骤(2)中得到的一系列单能射线粒子的空间剂量分布按当前放射源的能谱进行叠加，最终得到该放射源能谱下的相对能量沉积核数据库，如果蒙特卡罗输入的是放射源的复合能谱，则叠加工作可以省略；根据放射源实测数据对该数据库做修正，更换合适的能量选择点，处理蒙特卡罗模拟中统计误差大的数值，修正的数据文件供下一步使用。

绝对能量沉积核的建立

上述步骤得到的是相对能量沉积核。数据库给出的数值是蒙卡模拟指定粒子输运、获得的当前放射源能谱下的“单个”粒子的能量沉积核，不具有实际的物理单位；再乘以数据库归一因子，才能得出有实际物理单位的能量沉积核；数据库归一因子的具体获取方法，举实例说明如下：

调用相对能量沉积核，计算10cm×10cm开野或他形状和大小开野下介质中的剂量分布，模体下某测量点的剂量值C(相对)；再实际测量该测量点的剂量值C(绝对)。以上，可根据放射源和测量仪器及具体需求调整射野大小、形状，以及测量点。其他放射源也遵循该步骤。

取归一化因子为：K＝C(绝对)/C(相对)

调整射野大小和形状，重复上述步骤，可得到不同射野下的归一化因子。

将相对能量沉积核数据文件中的剂量值乘以归一化因子K，所得能量沉积核即1MU下、指定位置处的绝对能量沉积核。

(4)、能量沉积核的使用

步骤(3)所得的绝对能量沉积核，可以直接用于绝对剂量计算；且在不同射野方向得到的结果可在cGy/MU的意义下，乘以各自对应的MU数，并直接叠加。

3、根据权利要求1所述的能量沉积核的获取方法，其特征在于：

所述的模型依次是指：所述的规则模体为30cm×30cm×30cm的介质模体，所述的凹形模体是36.5cm×36.5cm×36.5cm立方体、从射束入射的模体表面、沿着射线中心轴挖0.1cm×0.1cm的孔，深度为6.5cm；所述的射束依次采用0.25，0.5，0.75......30MeV能量点的单能粒子源，或直接采用复合能谱，所述的步骤(3)中模体内某测量点是指模体表面下10厘米或其他深度处以上，用户可根据自己的测量条件对模体尺寸、孔的尺寸、源的能量范围、单能能量点、测量点位置选取做适当调整。用反演方法获得放射源能谱，通过设计的数学模型，评估其误差并选取最优结果。通过空间对称性提取含有粒子反向散射信息的、可表征剂量分布的能量沉积核。直接采用放射源能谱的沉积核，或用单能粒子的沉积核按能谱叠加得放射源能谱的沉积核。对不同材料建立各自的能量沉积核。

本发明的优点是：使用数据是放射源日常维护的测量数据，无须添加额外设备和测量工作量，成本低；可经常性的根据放射源的状况进行沉积核数据更新，提高剂量计算精度；可求取绝对能量沉积核，直接用于剂量计算的叠加，并在归一化因子的计算中较精确的考虑了受辐照介质的模体散射。获得针对具体放射源的具体工况及老化程度下的个性化能量沉积核。

附图说明

图1是本发明所用蒙卡模拟模型示意图，针对一个具体实例。

图2是本发明的整体结构，针对一个具体实例。

图3是能量沉积核模型示意图，针对一个具体实例。

具体实施方式

一种能量沉积核的获取方法，包括以下步骤：

1、输入数据的获取方法

1.1测量放射源的百分深度剂量曲线

选定放射源，例如：加速器为Varian加速器，选择档位为Varian Clinac 1800，源到介质的距离为100cm，模体表面射野为10cm×10cm，测量用介质模体为三维水箱，测量间距0.2cm——以上情况，放射源工作状态、源皮距、射野、模体几何和材料、测量间距，可根据具体设备和测量仪器适当调整。

步骤一：准备加速器，选定档位；将水箱、剂量仪及相应数据采集系统连接好。

步骤二：将加速器机头角设置为0°；机架角设置为0°；床角设置为90°；把三维水箱安装到加速器机头下方，使水箱表面的几何中心调整到加速器等中心处；将三维水箱和剂量仪连接，将加速器射野设置为10cm×10cm，也可根据需要调整射野大小——以上情况，更换放射源和模体时，可根据具体设备状况调整上述设置。

步骤三：设置测量参数，深度方向按每0.2cm一个步长，也可以适当增大或缩小步长。对从0.5cm到30cm的深度范围设置测量点，可根据具体设备和测量仪器调整测量的步长和宽度范围。离开射线中心轴方向，按0.2cm一个步长，对-15cm到15cm的宽度范围设置测量点，可根据具体设备和测量仪器调整测量的步长和宽度范围。

步骤四：启动加速器和水箱控制器，通过剂量仪器测量三维水箱中的百分深度剂量分布。

上述源、射野和测量，可根据放射源、模体及测量仪器条件做适当调整。以上各步骤也适用于其他放射源。

1.2获取放射源能谱

对1.1测量所用的放射源对模体的照射过程，用蒙特卡罗粒子输运方法进行模拟，例如，可用国际上公开使用的开源蒙特卡罗软件EGS进行模拟，模拟放射源依次替换成能量范围从0.25至30MeV的单能光子，也可为其他射线粒子，每隔0.25MeV步长取一次模拟源，步长也可变，提取各单能入射粒子源的百分深度剂量曲线；也可直接用放射源的能谱——以上情况，可根据具体设备状况调整能量范围及步长。

$\mathrm{Min\σ}=\sqrt{\frac{1}{m-(N+4)}\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[D^{\′}\left(z_j\right)-D\left(z_j\right)]}^2}---\left(1\right)$

其中，

D′(z_j)为根据反演出来的能谱重建出来的PDD曲线；

$D\left(z\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|a_i\right|D(E_i,z)+\left|D_c\right|(e^{-\left|{\mathrm{\μ}}_p\right|z}-|v\left|e^{-\left|{\mathrm{\μ}}_e\right|z}\right);$

σ为均方根误差(Root Mean Squared Error)；

m为用于拟合时的测量PDD数据个数；

N+4为需要拟合的系数个数；N为能群的个数；

D(E_i，z)为能量为E_i的深度剂量曲线；

能谱为Ф(E)＝|a_i|；其中a_i可以是常系数也可以是带有待定系数的经验公式；

D_c为归一化系数；

μ_p为伴随射线入射的高能散射粒子平均衰减系数；

μ_e为在轫致辐射光子和次级粒子衰减系数；

v为与入射表面剂量有关的系数。

令0.25MeV的权重为α(0.25)，0.5MeV的权重为α(0.5)......30MeV的权重为α(30)—以上能量点的选取可根据具体设备作调整，用能谱反演的方法获得放射源出射线的能谱。能谱反演通过利用传统成熟的非线性反演算法，包括：C1：Levenberg-Marquardt；C2：Quasi-Newton；C3：Gradient；C4：Conjugate-Gradient；C5：Newton；C6：Principal-Axis；C7：NMinimize算法，根据已知的测量PDD曲线D(z)和单能PDD曲线D(E，z)，进行数据拟合求得能谱Φ(E)＝|ai|。以上各参数针对具体实例时，可作适当调整。

对多算法结果比较：根据以上提到的反演算法的计算结果，能谱以及对应的均方根误差，综合评价最优的计算结果；综合评价方法如下：

将测量的PDD与根据反演所得能谱计算的PDD对比；计算D(z)与测量PDD在“建成”区附近的均方根误差，选取采用公式(1)计算的、误差比较小、并且总的均方根误差比较小的计算结果。

最优结果输出与显示：将以上比较的最优结果同时以图像以及数据形式输出。

2.数据库的建立方法

2.1模型的建立

建立合适的蒙特卡罗模拟模型，提供如下三类模型：

射束垂直入射到30cm×30cm×30cm模体表面中心轴上(具体尺寸可变)，此处模体为标准水箱，也可以是其他介质材料，尺寸可根据设备和测量仪器作适当调整。

射束斜入射到30cm×30cm×30cm立方体介质表面，此处介质为标准水箱，也可以是其他介质材料制作的模体。尺寸可根据设备和测量仪器作适当调整。

射束垂直入射到凹形介质表面中心轴上，介质几何模型为：在36.5cm×36.5cm×36.5cm立方体上，从射束入射的介质表面、沿着射线中心轴挖0.1cm×0.1cm的孔，深度为6.5cm。此处介质为标准水箱，也可以是其他介质材料制作的模体。模体及孔的具体尺寸可根据设备及测量仪器做适当调整。

在对这些模型的蒙特卡罗模拟中，可以得到入射到介质表面的反向散射的粒子引起的剂量分布。

图1给出了其中的一个模型实例，红色方框表示射野开口；射束依次用0.25，0.5，0.75......30MeV的单能粒子源，选择的能量点可变，也可直接采用放射源的能谱。

上述三种模型，具体几何尺寸和能量范围、粒子能量点分布可根据具体设备做调整。

用蒙特卡罗软件对上述模型进行精细模拟，保存其输出的空间剂量分布的文件。例如，用开源蒙特卡罗模拟软件EGS，保存其输出的*.3ddose文件。

2.2.基于空间对称性的数据提取加工

运行数据提取程序，从蒙卡模拟的结果中提取平行于射线方向、过射线中心轴的某平面上的剂量分布。包括中心轴百分深度剂量PDD和若干深度的离轴剂量分布OAR。例如，在步骤2所举的实例中，具体为：沿射线中心轴上0.1cm，离轴方向0.1cm取一个记录点。实例不同，上述介质及尺寸可变，记录点选取可变。

依次提取0.25，0.5，0.75......30MeV的单能粒子的数据，如果蒙特卡罗模拟输入的是放射源能谱，则提取放射源能谱下的粒子数据——上述粒子类型、选取的能量点及范围，可根据具体实例及需求适当调整。每个能量的粒子数据存储到各自的数据文件。根据实测数据和剂量学基本原理，对上述数据进行校验和修正。

3.建立个性化的能量沉积核

3.1建立相对能量沉积核

由步骤1，得到放射源的具体工况及老化程度下的能谱。对步骤2中得到的一系列单能粒子空间剂量分布按能谱进行叠加，如果蒙特卡罗输入的是放射源的复合能谱，则叠加工作可以省略。最终得到该放射源能谱下的能量沉积核。该能量沉积核可以用一个数据文件表征。

在步骤2所得的实例中，典型的数据文件实例如下(“//”后是对数据的注释)：

 0.75   0.5   0.5   //粒子能量分布，MeV；模体表面开口大小，cm

30  30  30  0.1  0.1  0.1  //模体长宽高，cm；各方向栅元格尺寸，cm

# 0.05 150 0.05 0.05 //深度为0.05cm处，离轴统计点为150个，步长0.05，

起始点0.05

..............................//以下依次给出各离轴处的剂量分布，五个数一行

..............................//

#end

# 0.05 150 0.05 0.05 //深度为0.15cm处，离轴统计点为150个，步长0.05，

起始点0.05

.............................//以下依次给出各离轴处的剂量分布，五个数一行

.............................//

#end

##FILE END

可根据放射源实测数据对该数据库做修正，更换合适的能量选择点，处理蒙特卡罗模拟中统计误差大的数值，修正的数据文件供下一步使用。数据库具体格式可调整，保存的基本信息不变。此库给出的是相对剂量分布。

3.2.绝对能量沉积核的建立

上述3.1数据库给出的数值是蒙卡模拟指定粒子输运，获得的是针对当前放射源的“单个”粒子的能量沉积核，具备了针对该放射源的特性。但还不具有实际应用意义的物理单位。需要乘以数据库归一因子，才能得出有实际使用的物理单位的能量沉积核。本专利中，数据库归一因子的具体获取方法，用3.1中所用的加速器放射源为例说明如下：

调用3.1中的相对能量沉积核，计算加速器10cm×10cm开野下均匀水模中的剂量分布，水下某测量点(一般取水下10厘米处)的剂量值C(相对)-注意实例不同时，可对放射源、射野、模体材料和几何，以及测量点作适当调整；

实际测量该点的剂量值C(绝对)；取归一化因子为K＝C(绝对)/C(相对)调整射野大小和形状，重复上述步骤，可得到不同射野下的归一化因子。

将3.1的数据文件中的剂量值乘以归一化因子，所得能量沉积核即1MU下、指定位置处的绝对能量沉积核。与以模体表面等效水深度下某点的剂量值作绝对剂量标定点的方法相比，这种标定方法是针对具体放射源具体工作状态的，且精确考虑了模体散射线的剂量贡献。

4.能量沉积核的使用

3.2中所得的绝对能量沉积核，可以直接用于绝对剂量计算。且在不同射野方向得到的结果可在cGy/MU的意义下，乘以各自对应的MU数，并直接叠加。

制作原理：

辐射剂量的确定，核心问题可以归结为一个积分方程，这个方程描述了在给定的照射野下的剂量分布。对给定的射线类型m(如光子、中子、电子等，如果在光子辐照情况下，m仅仅取光子)，射线能量为E～E+dE，入射射线方向在Ω～Ω+dΩ，从介质模体表面ρ～ρ+d²ρ面积上入射的单位注量射线，用

表示该单位注量射线对介质模体内

点能量沉积，则介质模体内任意点

的剂量由下式给出：

$D\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\underset{S}{\∫}\∫\∫\∫\∫\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{p}^m(E,\mathrm{\Ω},\stackrel{\→}{r},\mathrm{\ρ}){\mathrm{\Ψ}}_{E,\mathrm{\Ω}}^m\left(\mathrm{\ρ}\right)\mathrm{dEd\Ω}{d}^2\mathrm{\ρ}---\left(1\right)$

这里，面积分的积分域S表示射线入射到模体表面的面积，实际对应加速器开野情况下的区域。离散化的过程，就是把开野区域划分为一个个单元射束，通常是规则矩形野，如大小为5mm×5mm，1cm×1cm。剂量验算时，各单元束对应的强度根据实际MLC动作情况计算，不开口的区域认为是零。

角度的离散化是在把开野区域划分为一个个小单元射束的同时，分别预先计算出各不同位置的射束对模体内各点的能量沉积情况，即分别计算各个子射束的能量沉积情况，入射粒子束随角度的分布用各微小单元射束分布表示出来。每个单元射束对应唯一的入射角度。当单元射束尺寸很小时，如1mm×1mm，可认为其具有相同的能量沉积核。当如图3所示。

Claims (2)

1.一种能量沉积核的获取方法，其特征在于采用以下步骤实现：

(1)、输入数据的获取

测量放射源的百分深度剂量曲线、通过反演获取放射源能谱；

(2)、数据库的建立

模型的建立：

建立三种蒙特卡罗模拟模型：

射束垂直入射到介质表面中心轴上，介质材料和尺寸可变；

射束斜入射到介质表面，介质材料和尺寸可变；

射束垂直入射到凹形介质表面中心轴上，从射束入射的介质表面、沿着射线中心轴挖有孔，介质材料和尺寸可变，孔大小、深度可变；通过对这些模型的蒙特卡罗模拟，可以得到入射到介质表面的反向散射的粒子引起的剂量分布；

射束依次采用不同能量的序列单能粒子源，或者直接采用放射源的能谱；用蒙特卡罗方法对上述模型进行精细模拟，保存其输出的全空间文件；

基于空间对称性的数据提取加工：

运行蒙特卡罗软件数据提取程序，从蒙特卡罗软件模拟的结果中提取平行于射线方向、过射线中心轴的不同平面上的剂量分布；包括中心轴百分深度剂量PDD和若干深度的离轴剂量分布OAR；

依次提取不同能量的序列单能粒子的数据；每个能量的粒子数据存储到各自的数据文件；或者直接在蒙特卡罗模拟中输入该放射源的能谱，提取蒙特卡罗模拟结果；

(3)、建立个性化的能量沉积核

建立相对能量沉积核数据库：

由步骤(1)得到现在使用的放射源的具体工况及现在老化程度下的能谱；对步骤(2)中得到的一系列单能粒子的空间剂量分布按当前放射源的能谱进行叠加，最终得到该放射源能谱下的相对能量沉积核数据库，如果蒙特卡罗输入的是放射源的能谱，则叠加工作可以省略；根据放射源实测数据对该数据库做修正，更换合适的能量选择点，处理蒙特卡罗模拟中统计误差大的数值，修正的数据文件供下一步使用；

绝对能量沉积核的建立：

上述步骤得(3)到的是相对能量沉积核，数据库给出的数值是蒙特卡罗模拟指定粒子输运、获得的当前放射源能谱下的“单个”粒子的能量沉积核，不具有实际的物理单位；再乘以数据库归一因子，才能得出有实际物理单位的能量沉积核；

所述的数据库归一因子的具体获取方法如下：

调用相对能量沉积核，计算10cm×10cm射野或他形状和大小射野下介质中的剂量分布，介质下某测量点的相对剂量值C；再实际测量该测量点的绝对剂量值C；以上，根据放射源和测量仪器及具体需求调整射野大小、形状，以及测量点；其他放射源也遵循该步骤；

取归一化因子为：K＝C(绝对)/C(相对)

调整射野大小和形状，重复上述步骤，得到不同射野下的归一化因子；

将相对能量沉积核数据文件中的剂量值乘以归一化因子K，所得能量沉积核即1MU下、指定位置处的绝对能量沉积核；

(4)、能量沉积核的使用

步骤(3)所得的绝对能量沉积核，直接用于绝对剂量计算；且在不同射野方向得到的结果在cGy/MU的意义下，乘以各自对应的MU数，并直接叠加。

2.根据权利要求1所述的能量沉积核的获取方法，其特征在于：

所述的模型依次是指：介质为30cm×30cm×30cm的介质模体，所述的凹形介质是36.5cm×36.5cm×36.5cm立方体、从射束入射的介质表面、沿着射线中心轴挖0.1cm×0.1cm的孔，深度为6.5cm；所述的射束依次采用0.25，0.5，0.75……30MeV能量点的单能粒子源，或直接采用所述的能谱，所述的步骤(3)中介质内某测量点是指介质表面下10厘米及其他深度处以上，用户根据自己的测量条件对介质尺寸、孔的尺寸、源的能量范围、单能能量点、测量点位置选取做适当调整；用反演方法获得放射源能谱，通过设计的数学模型，评估其误差并选取最优结果；通过空间对称性提取含有粒子反向散射信息的、可表征剂量分布的能量沉积核；直接采用放射源能谱的能量沉积核，或用单能粒子的沉积核按能谱叠加得放射源能谱的沉积核；对不同材料建立各自的能量沉积核。

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