CN105825067B - 直线加速器的虚源模型的优化方法 - Google Patents

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Abstract

一种直线加速器的虚源模型的优化方法，包括：在蒙特卡罗的虚源模型中输入直线加速器的配置参数；获得直线加速器在配置参数下的剂量分布数据，配置参数中包括第一开野规格；对剂量分布数据进行抽样并作为初级光子源的光子通量空间分布；调节配置参数中的第一开野规格为小于其的第二开野规格后，通过水箱测量直线加速器在配置参数下的剂量分布数据；调节配置参数中的第一开野规格为小于其的第二开野规格后，虚源模型根据配置参数模拟计算得到剂量分布数据；对虚源模型的部分参数进行调节直到模拟计算得到的剂量分布数据与水箱测量的剂量分布数据的误差在预定范围内。

Description

直线加速器的虚源模型的优化方法
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种直线加速器的虚源模型的优化方法。
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直线加速器。
由于生产工艺、工作环境等原因，例如，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多种方法，其中一种方法是采用虚源模型方法，采用多个虚源模拟真实源，但是由于虚源的分布与实际源的分布并不相同，采用虚源模型方法与实际源有较大的差异。
现有技术在采用虚源模型的方法时，分别考虑粒子注量和能量在空间的分布，通过修正粒子密度在径向上的分布以及能量在径向上的软化效应来实现，把粒子的注量和能量分开修正的过程引入了太多的调试(commissioning)参数，因此现有技术的方法过于复杂同时也不精确。
发明内容
本发明实施例解决的问题是提供一种简化的且精度更高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直线加速器的虚源模型的优化方法，包括：
在蒙特卡罗的虚源模型中输入直线加速器的配置参数；
获得所述直线加速器在所述配置参数下的剂量分布数据，所述配置参数中包括第一开野规格；
对所述剂量分布数据进行抽样并作为初级光子源的光子通量空间分布；
调节所述配置参数中的所述第一开野规格为小于其的第二开野规格后，通过水箱测量所述直线加速器在所述配置参数下的剂量分布数据；
调节所述配置参数中的所述第一开野规格为小于其的第二开野规格后，所述虚源模型根据所述配置参数模拟计算得到剂量分布数据；以及
对所述虚源模型的部分参数进行调节直到模拟计算得到的剂量分布数据与所述水箱测量的剂量分布数据的误差在预定范围内。
优选地，还包括：在获得所述直线加速器在包括第一开野规格的所述配置参数下的剂量分布数据后对所述剂量分布数据进行特征函数拟合或离散化处理的步骤。
具体地，在蒙特卡罗的虚源模型中输入直线加速器的配置参数的步骤中，所述配置参数包括初始光子源与等中心平面的距离、初始光子源、散射光子源、电子源的相对位置信息、所述初始光子源、散射光子源、电子源的能谱信息、限束器与各个源的距离和/或开野的形状大小。
具体地，在获得直线加速器在包括第一开野规格的所述配置参数下的剂量分布数据的步骤中，通过二维电离室矩阵探测器或者非晶硅平板探测器测量所述直线加速器在空气中的剂量分布数据。
具体地，在获得直线加速器在包括第一开野规格的所述配置参数下的剂量分布数据的步骤中，通过全蒙特卡罗模拟方法模拟计算得到所述直线加速器在空气中的剂量分布数据。
具体地，在获得直线加速器在包括第一开野规格的所述配置参数下的剂量分布数据的步骤中，所述第一开野规格为所述直线加速器的最大开野规格。
具体地，在获得直线加速器在包括第一开野规格的所述配置参数下的剂量分布数据的步骤中，所述剂量分布数据为在剂量测量平面上剂量在径向上的平均数据。
具体地，通过水箱测量所述直线加速器在包括第二开野规格的所述配置参数下的剂量分布数据的步骤中，所述剂量分布数据包括不同深度处的百分离轴剂量率和/或百分深度剂量。
具体地，对所述虚源模型的部分参数进行调节的步骤中，所述部分参数包括能谱、均整器与源的距离、限束器与源的距离和/或能谱随空间的软化参数。
具体地，所述特征函数拟合中，拟合函数为至少一个高斯函数和/或至少一个均匀分布函数。
通过测量剂量分布数据并对初级光子源的通量空间分布抽样，同时包含了能量和注量随空间分布的效应，不需要再单独考虑注量分布，简化了调试(commissioning)过程。
视为能注量分布的剂量分布数据可以通过矩形电离室、平板探测器或胶片等在空气中直接测量，也可以通过其他模拟方法模拟计算得到，该过程简单可行。
本发明既适用于具有均整器的加速器也适用于不具有均整器的加速器的虚源优化。
附图说明
图1是根据本发明的一种实施方式的直线加速器的虚源模型的示意图；
图2是根据本发明的一种实施方式的直线加速器的虚源模型的优化方法的流程图；
图3a是根据图2的优化方法测量得到的在不具有均整器的模式下的剂量分布曲线以及特征函数拟合曲线；
图3b是根据图2的优化方法测量得到的在具有均整器的模式下的剂量分布曲线以及特征函数拟合曲线；
图3c是根据图2的优化方法得到的在具有均整器的模式下的剂量分布曲线离散化的示意图；
图4a是根据图3a抽样得到的初级光子源的光子通量空间分布；
图4b是根据图3b抽样得到的初级光子源的光子通量空间分布；
图5a是在不具有均整器的模式下由水箱测量得到的剂量分布曲线与由虚源模型模拟计算得到的剂量分布曲线的对比；以及
图5b是在具有均整器的模式下由水箱测量得到的剂量分布曲线与由虚源模型模拟计算得到的剂量分布曲线的对比。
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优化存在多种方法，其中一种方法是采用虚源模型方法，采用多个虚拟源模拟真实源，但是由于虚源的分布与实际源的分布并不相同，采用虚源模型方法与实际源有较大的差异。本发明属于虚源模型方法。
在虚源模型中，把对剂量有贡献的粒子分为三种不同来源：初始光子源、散射光子源和电子源。如图1所示，初始光子源位于加速器中电子入射的靶点处，用来表示由电子束打靶后经轫致辐射所产生的光子，这是光子源的主要组成部分；散射光子源放置于均整器处，是光子源的次要组成部分；电子源位于准直器处，其主要来自靶的漏射以及准直器和均整器的散射，又称为电子污染，其只占很少的成分(大约千分之几)。虚源模型的优化主要通过匹配水箱数据来检验，确定的参数作为蒙特卡罗方法的剂量计算的输入。
本发明的虚源模型优化方法，如图2所示，包括如下步骤：
S102：在蒙特卡罗的虚源模型中输入直线加速器的配置参数；
S104：获得所述直线加速器在所述配置参数下的剂量分布数据，所述配置参数中包括第一开野规格；
S106：对所述剂量分布数据进行特征函数拟合或离散化处理；
S108：对所述剂量分布数据进行抽样并作为初级光子源的光子通量空间分布；
S110：调节所述配置参数中的所述第一开野规格为小于其的第二开野规格后，通过水箱测量所述直线加速器在所述配置参数下的剂量分布数据；
S112：调节所述配置参数中的所述第一开野规格为小于其的第二开野规格后，所述虚源模型根据所述配置参数模拟得到剂量分布数据；
S114：对所述虚源模型的部分参数进行调节直到模拟计算得到的剂量分布数据与所述水箱测量的剂量分布数据的误差在预定范围内。
具体地，在S102：蒙特卡罗的虚源模型中输入直线加速器的配置参数的步骤中，该直线加速器的配置参数包括但不限于：初始光子源与等中心平面的距离、初始光子源、散射光子源、电子源的相对位置信息、各个源的能谱信息、均整器与各个源的距离(如果具有均整器的话)、限束器与各个源的距离、附件与各个源的距离、开野的形状大小等，其中，所述附件例如包括楔形板、挡块等。其中，前述初始光子源与等中心平面的距离一般均被固定地设置为100cm。本领域普通技术人员可以理解，被输入的直线加速器的配置参数可以仅为前面列举的参数中的一个或多个，也可以更多。
在S104：获得直线加速器在所述配置参数下的剂量分布数据的步骤中，可以通过二维电离室矩阵探测器或者非晶硅平板探测器或者胶片测量直线加速器的剂量分布。在此，剂量分布用来表示能注量分布。在一种实施例中，剂量分布可以通过二维电离室矩阵探测器获得，其中，该二维电离室矩阵探测器由二维矩阵平板、数据处理及转换器以及计算机数据分析系统组成。详细地，该二维矩阵平板的有效测量面积例如可以为27cm×27cm，其由729个灵敏体积为0.125cm3的柱型电离室组成。测量时，将直线加速器的机架角度配置在0度，开野配置成在等中心平面上为40cm×40cm的方形野，将二维电离室矩阵探测器距离治疗头内的靶配置成100cm，即，将二维电离室矩阵探测器布置在等中心平面上，并且将二维电离室矩阵探测器的中心置于直线加速器的光野的正中心。根据上述配置方式可以在空气中测量得到在剂量测量平面上剂量在径向上的平均数据。以上的配置方式对于具有均整器的FF(Flattening Filter)模式以及省略掉均整器的FFF(Flattening Filter Free)模式均是适用的。
可以理解，水箱也是可以测量得到剂量分布的，在此，可以利用标准规格的水箱，较优地，采用大规格的水箱。测量时，将直线加速器的机架角度配置在0度，开野配置成最大开野规格，例如，在等中心平面上为40cm×40cm的方形野，把水箱的表层距离直线加速器的靶点的垂直距离配置成100cm，并且将水箱的纵向中心轴线与治疗头的照射射束的纵向轴线重合。通过以上的配置方式，测量得到在最大剂量深度处面剂量分布，其中，对于典型值6MV的直线加速器，最大剂量深度距离水箱的表层约1.6cm。当本步骤采用水箱时，可以同时获得当开野在等中心平面上为10cm×10cm的方形野时的不同深度处的百分离轴剂量率(OAR，Percentage Off-Axis Dose Ratio)和百分深度剂量(PDD，Percentage DepthDose)，以便于后面的调试(commission)。
可以理解，也可以利用全蒙特卡罗模拟方法(Full Monte Carlo Simulation)模拟计算得到直线加速器在空气中在具体配置参数下的剂量分布，这对于本领域的普通技术人员是熟知的，在此不再赘述。
在S106：对所述剂量分布数据进行特征函数拟合或离散化处理的步骤中，其目的在于可以根据处理后的数据得到任意范围内剂量分布并且能够消除统计涨落。对于中心对称且规则的剂量分布，可以对径向分布进行拟合，拟合函数可以为至少一个高斯函数、或者至少一个均匀分布函数、或者至少一个高斯函数和至少一个均匀分布函数的组合(如相加或相减)等。对于剂量分布不规则的情况，尤其对于无法进行特征函数拟合的不均匀剂量分布中，可以在二维平面内把剂量分布离散化，按照离散化后的网格权重来抽样。
示例性地，如图3(a)所示，在一种省略均整器的实施例(FFF模式)中，对测量得到的剂量分布数据(即，曲线L1)拟合为双高斯函数(即，曲线L1-1、L1-2)的组合，其中，横坐标表示通过剂量测量中心的径向位置，纵坐标表示任意归一化的剂量分布值；如图3(b)所示，在另一种具有均整器实施例(FF模式)中，对测量得到的剂量分布数据(即，曲线L2)拟合为均匀分布函数(即，曲线L2-1)和高斯分布函数(即，曲线L2-2)的组合；如图3(c)所示，在再一种实施例中，对于不能拟合为至少一个高斯函数和/或至少一个均匀分布函数的剂量分布数据，可以进行离散化处理。
更具体地，参见图3(a)进行理解，拟合函数为f(x)＝a×(k×G(δ1，x)+(1-k)×G(δ2，x))，其中，k和(1-k)分别为第一个高斯函数L1-1和第二个高斯函数L1-2的占比，δ1和δ2是第一个高斯函数和第二个高斯函数的特征值，x为通过剂量测量中心的径向位置坐标，a为归一化因子。参见图3(b)进行理解，拟合函数为f(x)＝a×(k×(1/(Δx))+(1-k)×G(δ，x))，其中，k和(1-k)分别为均匀分布函数L2-1和高斯函数L2-2的占比，δ是高斯函数的特征值，x为通过剂量测量中心的径向位置坐标，a为归一化因子。参见图3c进行理解，对任意剂量分布(包括中心对称或是非中心对称情况)在(x，y)平面内将剂量分布离散化，第i个格子对应的剂量为f_i(x,y),总剂量为∑_f_i(x，y),则剂量概率密度分布为f_i(x,y)/∑_f_i(x，y)，根据此概率密度分布抽样即可，此方法为现有技术方法，在此不再赘述。
本领域普通技术人员应当可以理解，上述的特征函数拟合的步骤是为了便于后续能够获得任意范围的剂量分布并且消除了统计涨落的影响，但如果后续的开野不可能比在前面述及的获得剂量分布的步骤中所用的开野更大并且统计涨落可以忽略，那么，省略步骤S106也是可行的，此时上述离散化处理的方法对具有或者省略均整器的两种实施例均是适用的。
在S108：对所述剂量分布数据进行抽样以获得初级光子源的光子通量空间分布的步骤中，本发明中将步骤S104测量得到的剂量分布数据近似作为初级光子源的通量空间分布，故初级光子源的通量空间分布可以在获得剂量分布的步骤之后对剂量分布数据进行抽样而得到。具体地，如图4(a)和图4(b)所示，其中，图4(a)为根据图3(a)的剂量分布数据L1获得的初级光子源的通量空间分布，图4(b)为根据图3(b)的剂量分布数据L2获得的初级光子源的通量空间分布，图中，横坐标表示通过剂量测量中心的径向位置，纵坐标表示任意归一化的光子通量空间分布值。这里，本领域的普通技术人员可以理解如何对剂量分布数据进行抽样，在此不再赘述。
如果在获得剂量分布的步骤S104中并未采用水箱测量的方式而是采用诸如二维电离室矩阵探测器或非晶硅平板探测器测量得到的或者采用其他模拟方法得到的，那么在接下来属于调试(commissioning)的一部分的S110步骤中需要测量直线加速器的剂量分布数据。其中，剂量分布数据包括但不限于PDD和不同深度的OAR数据。在该步骤中，可以把直线加速器的机架角度配置在0度，开野配置成在等中心平面上为10cm×10cm的方形野，把水箱的表层离治疗头的靶的纵向距离配置成100cm，即，将水箱的表层布置在等中心平面上，且将水箱的纵向轴线与治疗头的射束的纵向轴线对准，这样，水箱的中心置于直线加速器的光野的正中心，配置完毕后测量剂量的径向平均。
然后，在步骤S112中，在所述虚源模型配置大小为2mm×2mm×2mm数量为201×201×200(分别是横向X、横向Y和纵向Z的个数)个的单位体素的CT数据，据此得到虚源模型，根据与步骤S110相同的配置参数模拟计算得到的剂量分布数据。该剂量分布数据包括PDD数据和不同深度的OAR数据。
本领域普通技术人员可以理解，步骤S112可以与步骤S110并行进行或者在步骤S110之前进行，这都是可行的。
在步骤S114中，将由水箱测量得到的剂量分布数据与虚源模型模拟计算得到的剂量分布数据进行对比。如图5a和图5b所示，其中，图5a示出了在不具有均整器的模式下由水箱测量得到的剂量分布数据与虚源模型模拟计算得到的剂量分布数据的对比；图5b示出了在具有均整器的模式下由水箱测量得到的剂量分布数据与虚源模型模拟计算得到的剂量分布数据的对比。更具体地，在图5a和图5b的每个图中，左图为上述虚源模型蒙特卡罗模拟计算数据与水箱测量数据的PDD对比图，其中，实线为水箱测量数据，虚线为模拟计算数据；右图为相应的OAR的对比数据，四个不同深度分别为1.5cm，5cm，10cm和20cm，同样地，实线为水箱测量数据，虚线为模拟计算数据。如果虚源模型模拟计算得到的剂量分布数据与水箱测量得到的剂量分布数据的误差在预定范围之内，则满足一致性要求，该模型优化完毕。例如，在一种实施例中，该预定误差范围被设为小于等于2％，当误差为1.6％，就满足一致性要求。如果虚源模型模拟计算得到的剂量分布数据与由水箱测量得到的剂量分布数据的误差超过预定范围，则不满足一致性要求，则需要调节部分配置参数。例如，在一种实施例中，该预定范围被设为小于等于2％，当误差为2.5％，就不满足一致性要求。待调节的部分配置参数包括但不限于能谱、均整器与源的距离、限束器与源的距离、能谱随空间的软化等参数。调节直到一致性符合要求即优化虚源模型完毕。其中，能谱的调节通常指的是对初始光子源、散射光子源和电子源占比以及各自的能量分布的调节。
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)

1.一种直线加速器的虚源模型的优化方法，包括：
在蒙特卡罗的虚源模型中输入直线加速器的配置参数；
获得所述直线加速器在所述配置参数下的剂量分布数据，所述配置参数中包括第一开野规格；
对所述剂量分布数据进行抽样并作为初级光子源的光子通量空间分布，其中所述剂量分布数据视为能注量分布，同时包含了能量和注量随空间分布的效应；
调节所述配置参数中的所述第一开野规格为小于其的第二开野规格后，通过水箱测量所述直线加速器在所述配置参数下的剂量分布数据；
调节所述配置参数中的所述第一开野规格为小于其的第二开野规格后，所述虚源模型根据所述配置参数模拟计算得到剂量分布数据；以及
对所述虚源模型的部分参数进行调节直到模拟计算得到的剂量分布数据与所述水箱测量的剂量分布数据的误差在预定范围内。
2.根据权利要求1所述的虚源模型的优化方法，还包括：
在获得所述直线加速器在包括第一开野规格的所述配置参数下的剂量分布数据后对所述剂量分布数据进行特征函数拟合或离散化处理的步骤。
3.根据权利要求1所述的虚源模型的优化方法，其中，在蒙特卡罗的虚源模型中输入直线加速器的配置参数的步骤中，所述配置参数包括初始光子源与等中心平面的距离、初始光子源、散射光子源、电子源的相对位置信息、所述初始光子源、散射光子源、电子源的能谱信息、限束器与各个源的距离和/或开野的形状大小。
4.根据权利要求1所述的虚源模型的优化方法，其中，在获得直线加速器在包括第一开野规格的所述配置参数下的剂量分布数据的步骤中，通过二维电离室矩阵探测器或者非晶硅平板探测器或胶片在空气中测量所述直线加速器的剂量分布数据。
5.根据权利要求1所述的虚源模型的优化方法，其中，在获得直线加速器在包括第一开野规格的所述配置参数下的剂量分布数据的步骤中，通过全蒙特卡罗模拟方法模拟计算得到所述直线加速器在空气中的剂量分布数据。
6.根据权利要求1所述的虚源模型的优化方法，其中，在获得直线加速器在包括第一开野规格的所述配置参数下的剂量分布数据的步骤中，所述第一开野规格为所述直线加速器的最大开野规格。
7.根据权利要求1所述的虚源模型的优化方法，其中，在获得直线加速器在包括第一开野规格的所述配置参数下的剂量分布数据的步骤中，所述剂量分布数据为在剂量测量平面上剂量在径向上的平均数据。
8.根据权利要求1所述的虚源模型的优化方法，其中，通过水箱测量所述直线加速器在包括第二开野规格的所述配置参数下的剂量分布数据的步骤中，所述剂量分布数据包括不同深度处的百分离轴剂量率(OAR)和/或百分深度剂量(PDD)。
9.根据权利要求1所述的虚源模型的优化方法，其中，对所述虚源模型的部分参数进行调节的步骤中，所述部分参数包括能谱、均整器与源的距离、限束器与源的距离和/或能谱随空间的软化参数。
10.根据权利要求2所述的虚源模型的优化方法，其中，所述特征函数拟合中，拟合函数为至少一个高斯函数和/或至少一个均匀分布函数。
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