CN105468883B - 电子直线加速器的源模型建立方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种电子直线加速器的源模型建立方法及装置，所述方法包括：将预存的相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息进行比较；当二者存在差异时，调整所述相空间文件中的粒子信息对应的参数，重新计算三维剂量，直至所述相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息的误差处于预设的误差范围内。采用所述方法及装置，可以提供一种高精度的源模型的建立方法。

Description

电子直线加速器的源模型建立方法及装置

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种电子直线加速器的源模型建立方法及装置。

背景技术

医用直线加速器是生物医学上的一种用来对肿瘤进行放射治疗的粒子加速器装置。目前国际上，在放射治疗中使用最多的是电子直线加速器。

由于生产工艺、工作环境等原因，例如，电子直线加速器各部件的安装位置、所处环境的温度、湿度，以及仪器磨损等，每台电子直线加速器的输出参数，例如能谱、束斑大小、散射粒子的比例等并不会完全相同，这就需要对每一台电子直线加速器进行建模，通过不断修改模型中的参数，达到计算得出的三维剂量分布与实际测量得到的三维剂量分布在误差允许的范围之内。

蒙特卡罗方法是一种随机抽样方法，通过建立一个与求解有关的概率模型或随机现象来求得所要解决的问题的解。蒙特卡罗方法精度高，受限少，是公认的最为精确的模拟方法，广泛应用于数理计算、工程技术、医药卫生等领域。在实际应用中，通常采用蒙特卡罗模拟方法对电子直线加速器进行建模。

现有的医用电子直线加速器的蒙特卡罗源模型的建立存在两种方法，第一种方法是采用虚拟源模型方法，采用多个虚拟源模拟真实源，但是由于虚拟源的分布与实际源的分布并不相同，采用虚拟源模型方法与实际源有较大的差异。另一种方法是采用测量数据反推能谱与通量，以此来模拟真实源，但是由于反推计算的解的非精确性，重建的能谱和通量与实际情况可能并不相同，并且能谱和通量并不能完全反映真实源的全部信息，因此也同样存在较大误差。

发明内容

本发明实施例解决的问题是提供一种高精度的源模型的建立方法。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种电子直线加速器的源模型建立方法，包括：

将预存的相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息进行比较；

当二者存在差异时，调整所述相空间文件中的粒子信息对应的参数，重新计算三维剂量，直至所述相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息的误差处于预设的误差范围内；

所述预存的相空间文件为记录粒子信息的文件，采用预先选取的电子直线加速器的治疗头的结构部件和束流的物理参数建立蒙特卡罗源模型，采用所述蒙特卡罗源模型模拟所述预先选取的电子直线加速器的粒子行为，得到记录所述粒子信息的文件。

可选的，所述粒子信息包括：粒子的能量、速度、位置、权重、类型、电荷以及粒子的来源。

可选的，所述粒子的来源包括：散射粒子和非散射粒子，所述散射粒子包括与预设的标记部件发生碰撞的粒子。

可选的，所述预设的标记部件包括以下至少一种：初级准直器、均整器、次级散射箔、次级准直器、多叶准直器以及限光筒。

可选的，所述预存的相空间文件包括：记录不同部件之间粒子信息的相空间文件，以及记录同一部件不同位置的粒子信息的相空间文件。

可选的，所述直线加速器的治疗头和束流的物理参数包括：束流大小、空间位置、入射方向、电子能谱，以及所述治疗头结构部件的几何形状和材料成分。

可选的，所述电子直线加速器的治疗头的结构部件包括：移动靶、初级准直器、电离室、散射箔、次级准直器、多叶准直器以及限光筒。

可选的，所述移动靶包括以下至少一种：适于产生电子源的空靶或散射箔，适于产生用于治疗的光子的高原子序数靶，以及适于产生用于成像的光子的低原子序数靶。

可选的，所述预存的相空间文件采用对称压缩方式存储。

为解决上述问题，本发明实施例还提供了一种电子直线加速器的源模型建立装置，包括：

比较单元，用于将预存的相空间文件所对应的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息进行比较；

调整单元，用于当二者存在差异时，调整所述相空间文件中的粒子信息对应的参数，重新计算三维剂量，直至所述相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息的误差处于预设的误差范围之内；

其中，所述预存的相空间文件为记录粒子信息的文件，采用预先选取的电子直线加速器的治疗头的结构部件与束流的物理参数建立蒙特卡罗源模型，采用所述蒙特卡罗源模型模拟所述预先选取的电子直线加速器的粒子行为，得到记录所述粒子信息的文件。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：

采用预先选取的电子直线加速器的治疗头的结构部件和束流的物理参数建立蒙特卡罗模型，模拟电子直线加速器的粒子行为，生成对应的相空间文件。通过调整相空间文件中粒子信息的参数，当相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与电子直线加速器测得的三维剂量信息的误差处于预设的误差范围内时，完成对电子直线加速器建立源模型。由于是采用真实的电子直线加速器的治疗头结构部件和束流的物理参数，相比于现有技术，建立的加速器源模型的精度更高，更贴近实际的加速器源。

进一步，通过记录不同部件之间粒子信息，以及记录同一部件不同位置的粒子信息，将散射粒子进行分类，分别对不同的散射粒子进行优化，可以有效地减少由于散射效应所产生的精度差的问题。

此外，采用电子直线加速器结构对称的特点，将预存的相空间文件采用对称压缩方式进行存储，可以有效地减少相空间文件存储所占用的空间，提高存储空间的利用率。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种电子直线加速器的源模型建立方法的流程图；

图2是本发明实施例中的一种相空间文件生成方法的流程图；

图3是本发明实施例中的一种电子直线加速器的源模型建立装置的结构示意图。

具体实施方式

现有的医用电子直线加速器的蒙特卡罗源模型的建立存在两种方法，第一种方法是采用虚拟源模型方法，采用多个虚拟源模拟真实源，但是由于虚拟源的分布与实际源的分布并不相同，采用虚拟源模型方法与实际源有较大的差异。另一种方法是采用测量数据反推能谱与通量，以此来模拟真实源，但是由于反推计算的解的非精确性，重建的能谱和通量与实际情况可能并不相同，并且能谱和通量并不能完全反映真实源的全部信息，因此也同样存在较大误差。

本发明实施例中，根据预先选取的电子直线加速器的治疗头的结构部件和束流的物理参数建立蒙特卡罗模型，模拟电子直线加速器的粒子行为，生成对应的相空间文件。通过调整相空间文件中粒子信息的参数，当相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与电子直线加速器测得的三维剂量信息的误差处于预设的误差范围内时，完成对电子直线加速器建立源模型。由于是采用真实的电子直线加速器的治疗头结构部件和束流的物理参数，相比于现有技术，建立的加速器源模型的精度更高，更贴近实际的加速器源。

为使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供了一种电子直线加速器的源模型建立方法，参照图1，以下通过具体步骤进行详细说明。

步骤S101，将预存的相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息进行比较。

在具体实施中，相空间文件可以是预先生成的，保存在电子直线加速器系统中。

在本发明实施例中，相空间文件可以是记录粒子信息的文件。例如，相空间文件中记录的是治疗头与模体之间的所有粒子的信息。粒子的信息可以包括：粒子的能量、粒子的速度、粒子的位置、粒子的权重、粒子的类型、粒子的电荷以及粒子的来源等，粒子的信息还可以包括粒子的方向或粒子的其他信息，此处不做一一赘述。

在本发明实施例中，粒子的来源可以包括散射粒子和非散射粒子两种。其中，散射粒子可以是与部件发生碰撞之后方向改变的粒子。在本发明一实施例中，散射粒子是指与预设的标记部件发生碰撞的粒子。在本发明另一实施例中，散射粒子是指与标记部件发生碰撞的粒子以及与其他部件发生碰撞的粒子。非散射粒子是指未与标记部件发生碰撞的粒子。

预设的标记部件可以包括初级准直器、均整器、次级准直器、多叶准直器、限光筒中的一种或多种，例如，在本发明一实施例中，预设的标记部件包括初级准直器、均整器和次级准直器，则与初级准直器或次级准直器发生碰撞的粒子均为散射粒子。又如，在本发明另一实施例中，预设的标记部件包括初级准直器、次级准直器、多叶准直器以及限光筒。在本发明实施例中，用户也可以根据实际需要，自行设定标记部件。

在本发明一实施例中，参照图2，可以通过下列步骤生成相空间文件。

步骤S201，获取预先选取的电子直线加速器的治疗头结构部件和束流的物理参数。

在本发明一实施例中，在生成相空间文件之前，需要获取实际应用的电子直线加速器的治疗头结构部件和束流的物理参数。

其中，电子直线加速器的治疗头结构部件包括：移动靶、电离室、散射箔、移动盘、初级准直器、次级准直器、多叶准直器以及限光筒等。真实的束流物理参数包括：粒子的束流大小、空间位置、入射方向、电子能谱，以及电子直线加速器各结构部件的几何形状和材料成分等。

在本发明一实施例中，初级准直器上安装有均整器、电子散射箔、空孔以及十字叉丝等，初级准直器在移动过程中，可以切换移动靶处于不同的工作模式。移动靶具有多个档位，包括空靶或散射箔、高原子序数靶、低原子序数靶中的一种或多种。当移动靶处于空靶或散射箔档位时，电子束以垂直于散射箔的平面入射，产生电子源。当移动靶处于高原子序数靶档位时，电子束以垂直于高原子序数靶的平面入射，产生治疗用的光子。当移动靶处于低原子序数靶档位时，电子束以垂直于低原子序数靶的平面入射，产生成像用的光子。

步骤S202，建立蒙特卡罗源模型。

将步骤S201中获取的电子直线加速器的治疗头结构部件和束流的物理参数，建立到蒙特卡罗模型中。

步骤S203，模拟电子直线加速器的粒子行为，生成相空间文件。

在本发明一实施例中，当蒙特卡罗模型建立完成之后，可以通过建立的蒙特卡罗模型模拟预先选取的电子加速器的粒子行为，将标记部件置于最大开野位置，设置相空间平面，记录经过相空间平面的所有粒子的信息，生成相空间文件。

相空间文件的数目可以为一个，也可以为多个。相空间文件可以是记录不同部件之间粒子信息的相空间文件，也可以是记录同一部件不同位置的粒子的信息。

例如，在治疗头射线出口与模体之间设置相空间平面，则生成的相空间文件中可以记录经过该相空间平面的所有粒子信息。又如，在次级准直器和多叶准直器之间设置相空间平面，则相空间文件可以记录经过次级准直器向多叶准直器发射的所有粒子信息。

在本发明实施例中，由于电子直线加速器的物理结构是对称的，可以将模拟产生的相空间源按照对称的方式分成N个完全相等的区域，在相空间文件中只存储一个区域的粒子的信息，即：将生成的相空间文件采用对称压缩的方式进行存储。在计算三维剂量时将存储的粒子的信息对称展开，在各对称区域均使用该粒子的信息进行三维剂量计算。由于总共分成N个完全相等的区域，因此每个粒子需要计算N次，即可实现三维剂量计算。

在本发明一实施例中，将模拟产生的相空间源按照对称的方式分成4个完全相等的区域，在相空间文件中只存储其中一个区域的粒子的信息。在计算三维剂量时，将存储的粒子的信息展开，在其他3个对称区域均使用该粒子的信息进行三维剂量计算，因此对每个粒子计算4次即可实现三维剂量的计算。

在本发明一实施例中，当电子直线加速器为旋转对称结构时，将到对称轴距离相等的粒子存储为以旋转轴为原点的极坐标形式。

在本发明实施例中，将预存的相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息，与电子直线加速器测量得到的三维剂量信息进行比较。当二者的差异较大，不能满足用户的需求时，执行步骤S102。

步骤S102，当二者存在差异时，调整所述相空间文件中的粒子信息对应的参数，重新计算三维剂量，直至所述相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息的误差处于预设的误差范围内。

在具体实施中，由于生产工艺等因素的影响，对应于同一型号的电子直线加速器，其参数也可能存在差异，因此需要分别对同一型号的所有电子直线加速器进行建模。在本发明实施例中，可以先在同一型号的多台电子直线加速器中选取一台电子直线加速器，建立蒙特卡罗模型，再根据建立的蒙特卡罗模型，对同一型号的其他电子直线加速器进行建模。

在发明实施例中，相空间文件中的粒子信息对应的参数可以包括：粒子的能量、粒子的速度、粒子的位置、粒子的权重、粒子的类型、粒子的电荷以及粒子的来源，还可以包括粒子的方向以及粒子的其他信息。调整相空间文件中的粒子信息对应的参数，可以是调整粒子的能量、速度、位置、权重、类型、电荷以及来源的其中一种或多种。可以根据实际的情况，选择所要调整的参数进行调整。

将调整之后的相空间文件中的粒子信息计算产生的三维剂量，与实际测量得到的三维剂量进行比较。若二者之间的误差仍未处于预设的误差范围内，则重新进行调整，重新计算调整之后的三维剂量，直至计算产生的三维剂量与测量得到的三维剂量的误差处于预设的误差范围内。当计算产生的三维剂量与测量得到的三维剂量的误差处于预设的误差范围内时，即可判定对当前的电子直线加速器建模完成。

在本发明实施例中，可以根据计算产生的三维剂量与测量得到的三维剂量之间的差异，判断导致差异出现的原因，对应调整相空间文件中的粒子信息中的参数。

可见，根据预先选取的电子直线加速器的治疗头的结构部件和束流的物理参数建立蒙特卡罗模型，模拟电子直线加速器的粒子行为，生成对应的相空间文件。通过调整相空间文件中粒子信息的参数，当相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与电子直线加速器测得的三维剂量信息的误差处于预设的误差范围内时，完成对电子直线加速器建立源模型。由于是采用真实的电子直线加速器的治疗头结构部件和束流的物理参数，相比于现有技术，建立的加速器源模型的精度更高，更贴近实际的加速器源。

通过记录不同部件之间粒子的信息，以及记录同一部件不同位置的粒子的信息，将散射粒子进行分类，分别对不同的散射粒子进行优化，可以有效地减少由于散射效应所产生的精度差的问题。

通过采用电子直线加速器结构对称的特点，将预存的相空间文件采用对称压缩方式进行存储，可以有效地减少相空间文件存储所占用的空间，提高存储空间的利用率。

本发明实施例还提供了一种电子直线加速器的源模型建立装置30，参照图3，包括：比较单元301和调整单元302，其中：

比较单元301，用于将预存的相空间文件所对应的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息进行比较；

调整单元302，用于当二者存在差异时，调整所述相空间文件中的粒子信息对应的参数，重新计算三维剂量，直至所述相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息的误差处于预设的误差范围之内；

其中，所述预存的相空间文件为记录粒子信息的文件，采用预先选取的电子直线加速器的治疗头的结构部件与束流的物理参数建立蒙特卡罗源模型，采用所述蒙特卡罗源模型模拟所述预先选取的电子直线加速器的粒子行为，得到记录所述粒子信息的相空间文件。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种电子直线加速器的源模型建立方法，其特征在于，包括：

将预存的相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息进行比较；

当二者存在差异时，调整所述相空间文件中的粒子信息对应的参数，重新计算三维剂量，直至所述相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息的误差处于预设的误差范围内；

所述预存的相空间文件为记录粒子信息的文件，采用预先选取的电子直线加速器的治疗头的结构部件和束流的物理参数建立蒙特卡罗源模型，采用所述蒙特卡罗源模型模拟所述预先选取的电子直线加速器的粒子行为，得到记录所述粒子信息的文件。

2.如权利要求1所述的电子直线加速器的源模型建立方法，其特征在于，所述粒子信息包括：粒子的能量、速度、位置、权重、类型、电荷以及粒子的来源。

3.如权利要求2所述的电子直线加速器的源模型建立方法，其特征在于，所述粒子的来源包括：散射粒子和非散射粒子，所述散射粒子包括与预设的标记部件发生碰撞的粒子。

4.如权利要求3所述的电子直线加速器的源模型建立方法，其特征在于，所述预设的标记部件包括以下至少一种：初级准直器、均整器、次级散射箔、次级准直器、多叶准直器以及限光筒。

5.如权利要求4所述的电子直线加速器的源模型建立方法，其特征在于，所述预存的相空间文件包括：记录不同部件之间粒子信息的相空间文件，以及记录同一部件不同位置的粒子信息的相空间文件。

6.如权利要求1所述的电子直线加速器的源模型建立方法，其特征在于，所述直线加速器的治疗头和束流的物理参数包括：束流大小、空间位置、入射方向、电子能谱，以及所述治疗头结构部件的几何形状和材料成分。

7.如权利要求1所述的电子直线加速器的源模型建立方法，其特征在于，所述电子直线加速器的治疗头的结构部件包括：移动靶、初级准直器、电离室、散射箔、次级准直器、多叶准直器以及限光筒。

8.如权利要求7所述的电子直线加速器的源模型建立方法，其特征在于，所述移动靶包括以下至少一种：适于产生电子源的空靶或散射箔，适于产生用于治疗的光子的高原子序数靶，以及适于产生用于成像的光子的低原子序数靶。

9.如权利要求1所述的电子直线加速器的源模型建立方法，其特征在于，所述预存的相空间文件采用对称压缩方式存储。

10.一种电子直线加速器的源模型建立装置，其特征在于，包括：

比较单元，用于将预存的相空间文件所对应的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息进行比较；

调整单元，用于当二者存在差异时，调整所述相空间文件中的粒子信息对应的参数，重新计算三维剂量，直至所述相空间文件中的粒子信息计算得到的三维剂量信息与所述电子直线加速器测得的三维剂量信息的误差处于预设的误差范围之内；

其中，所述预存的相空间文件为记录粒子信息的文件，采用预先选取的电子直线加速器的治疗头的结构部件与束流的物理参数建立蒙特卡罗源模型，采用所述蒙特卡罗源模型模拟所述预先选取的电子直线加速器的粒子行为，得到记录所述粒子信息的文件。