CN115910418A - 一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，包括如下步骤：S1、将一束电子束打到钨靶上，产生轫致辐射；S2、轫致辐射的射线在空气中传播，经过限束和滤波后，在体模内散射；S3、散射射线在体模及体模侧面不同距离处的沉积能量；S4、根据剂量热点以及剂量与体模之间的距离的分布情况，模拟动物照射时散射剂量与靶区剂量的比值，进而计算出所需要的屏蔽层厚度。通过蒙特卡罗的计算方法，真实的模拟粒子的输运情形，无须经过真实设备样品的试错阶段，就可以优化箱体屏蔽层的厚度，测试验证屏蔽设计是否满足要求，从而给屏蔽设计提供定量的剂量参考。
Description
技术领域
本专利申请涉及辐射防护技术领域，特别是涉及一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法。
背景技术
生物辐照技术在临床医学、科学研究和国民经济中有着广泛应用。比如放射生物学研究中对细胞和荷瘤小鼠的照射，临床输血前对血液样品的照射等等。生物辐照设备可以放置于经过专门的辐射屏蔽的房间中，操作人员在屏蔽房间外操作。更好的情况是将辐照设备放置于单独的辐射屏蔽箱体内部，这样整个设备占地小，而且便于更换摆放位置。但是，如何设计屏蔽箱体，尤其是如何决定屏蔽层的厚度，是生物辐照中辐射防护环节最关键的问题。如果箱体厚度不够，则会产生过量的辐射，危害操作人员身体健康；如果箱体厚度过大，则会导致设备笨重，不仅对地面承重的要求提高，而且不便于设备转运。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利申请的目的在于提供一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，解决上述现有技术的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，包括如下步骤：
S1、将一束电子束打到钨靶上，产生轫致辐射；
S2、轫致辐射的射线在空气中传播，经过限束和滤波后，在体模内散射；
S3、散射射线在体模及体模侧面不同距离处的沉积能量；
S4、根据剂量热点以及剂量与体模之间的距离的分布情况，模拟动物照射时散射剂量与靶区剂量的比值，进而计算出所需要的屏蔽层厚度。
进一步的，所述步骤S1中的电子束打到钨靶上是在真空腔内完成，所述钨靶与水平面成20°倾角布设，钨靶的厚度为1mm。
进一步的，所述电子束的电子能量为225keV或160keV。
进一步的，所述步骤S2中的限束和滤波所用设备为射束硬化准直装置。
进一步的，所述射束硬化准直装置从电子束射入侧到射出侧包括依次连接的铍窗、铜准直器、钨准直器和铝滤波片。
进一步的，所述步骤S3中在体模的一侧放置多个电子水体模，用于显示散射射线产生的放射剂量。
进一步的，所述电子水体模的数量为三个，且三个电子水体模与体模的距离分别为5cm、10cm和20cm。
进一步的，所述电子水体模的规格为10cm*10cm*0.1cm。
进一步的，所述步骤S4中通过剂量分布热点上的剂量除以体模中心的剂量，模拟得到照射时散射剂量与靶区剂量的比值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，通过蒙特卡罗的计算方法，真实的模拟粒子的输运情形，无须经过真实设备样品的试错阶段，就可以优化箱体屏蔽层的厚度，测试验证屏蔽设计是否满足要求，从而给屏蔽设计提供定量的剂量参考。
附图说明
图1为本发明模拟结构示意图。
附图标号说明：钨靶1、射束硬化准直装置2、铍窗21、铜准直器22、钨准直器23、铝滤波片24、体模3。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本专利申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利申请的其他优点与功效。本专利申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供如下技术方案：
实施例1
一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，包括如下步骤：
S1、将一束电子束打到钨靶1上，产生轫致辐射；
S2、轫致辐射的射线在空气中传播，经过限束和滤波后，在体模内散射；
S3、散射射线在体模3及体模3侧面不同距离处的沉积能量；
S4、根据剂量热点以及剂量与体模3之间的距离的分布情况，模拟动物照射时散射剂量与靶区剂量的比值，进而计算出所需要的屏蔽层厚度。
作为优选的，步骤S1中的电子束打到钨靶1上是在真空腔内完成，钨靶1与水平面成20°倾角布设，钨靶1的厚度为1mm，钨靶的倾角和厚度参数根据所用到的x射线管的实际构造设置，电子束的电子能量为225keV或160keV，还可以根据应用场景和X射线设备变更来调整电子束的电子能量。
作为优选的，步骤S2中的限束和滤波所用设备为射束硬化准直装置2，射束硬化准直装置2从电子束射入侧到射出侧包括依次连接的铍窗21、铜准直器22、钨准直器23和铝滤波片24。
作为优选的，步骤S3中在体模3的一侧放置三个电子水体模，且三个电子水体模与体模的距离分别为5cm、10cm和20cm，用于显示散射射线产生的放射剂量，每个电子水体模的规格均为10cm*10cm*0.1cm。
作为优选的，步骤S4中通过剂量分布热点上的剂量除以体模中心的剂量，模拟得到放射治疗时散射剂量与靶区剂量的比值，进而计算出所需要的屏蔽层厚度。
实施例2
一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，采用Geant4工具包，通过模拟计算射线照射靶区后所产生的散射射束剂量和靶区剂量的比值，进而计算出所需要的屏蔽层厚度。
防护箱体系统的模拟被分为三个阶段：(一)电子束打到钨靶1上，产生轫致辐射；(二)射线在空气中传播，经过限束和滤波，最终在体模3内散射；(三)散射射线在体模3侧面不同距离处沉积能量。
在蒙特卡罗模型里，第一阶段在真空腔内，一束225keV或160keV的电子束打到与水平面成20°倾角设置且厚度为1mm的钨靶上，产生的轫致辐射光子被记录在离焦点3cm处的相空间文件PS1里；第二阶段用PS1作为粒子源，X射线光子经过铍窗21、铜准直器22、钨准直器23、铝滤波片24，并在空气中传播，照射到体模3上。在体模3侧面4cm处的相空间文件PS2里，记录下足够多的散射粒子，同时，记录体模3中心位置的剂量，用来对应动物实验中对照射靶区的剂量；使用PS2作为粒子源，分别在离体模3 5cm、10cm和20cm处放置了一块10cm×10cm×0.1cm的电子水体模，记录下体模3内的放射剂量。适当调整电子束射出的粒子数目，将模拟结果的不确定度控制在0.3％以内。
通过分析三个电子水体模平面上剂量的分布情况，找到散射的剂量热点，以及剂量跟距离的关系。将分布热点上的剂量除以体模中心的剂量，得到照射时散射剂量与靶区剂量的比值，从而给屏蔽层厚度设计提供定量的剂量参考。
实施例3
为了进一步体现本发明的效果，做出如下模型验证试验：
对于25mm准直器孔径，在距离体模330cm处的情况，使用电离室探测器对体模3侧面空气中的散射剂量进行了测量。体模3内的绝对剂量使用胶片测量。然后计算出散射剂量跟体模3中心剂量的比值，并与比值模拟值比较，验证模拟的准确性。
绝对剂量测量使用放射剂量测量专用胶片在体模3中测量。体模3尺寸为63mm×63mm×63mm。将四张胶片分别放置于6.18mm，10.50mm，14.82mm和19.14mm深度。管电流控制在13.3mA，在160kVp电压下分别照射1min/3min。胶片放置24小时后，用胶片扫描仪扫描并在扫描好的图片上计算绝对剂量。通过对不同深度的测量数据进行指数拟合，得到剂量深度曲线。同时，将圆柱形电离室放置于体模3侧面30cm处，测量散射剂量，得到蒙特卡罗模拟的结果如表1所示。
表1散射剂量分布表
表1为模拟结果剂量热点处的剂量值。从表中可以看出，散射光子的剂量基本按照平方反比规律下降。
对25mm孔径下的模拟数据做最小二乘拟合平方反比函数，得到的拟合曲线：
x为与体模3的距离，以厘米为单位。其中，R160为拟合的纵坐标，表示表1中的散射剂量占比，横坐标为x，表示不同的距离，拟合的线性相关系数R2为0.9998(通过excel拟合直接得到的系数值，表示的是这些点与拟合的函数的相关性，越接近1表示这些点与拟合的函数更匹配)。在x＝30cm处，模拟结果得到的散射和靶区剂量的比值为2.86×10-4。
对胶片测量得到的剂量和深度关系进行最小二乘拟合指数曲线函数，得到如下公式：
D160＝2.163×e-0.0213×d(对应160kVp能量)；
其中D为1min内产生的剂量，单位Gy，d为深度，单位毫米。拟合的线性相关系数R2为0.9961。取15mm处的值作为体模3中心的绝对剂量，为1.571Gy。
电离室在160kVp下，测得散射光子的剂量率为0.5215mGy/min。将电离室数据与靶区剂量相比，得到的散射与靶区剂量比在160kVp能量下为3.32×10-4，与模拟结果的差别在一个数量级之内。进一步用热释光剂量探测器(TLD)在160kVp下测得散射光子的剂量率为0.358mGy/min。将电离室数据与靶区剂量相比，得到的散射与靶区剂量比在160kVp能量下为2.28×10-4，与模拟结果的差别仍然在一个数量级之内。因此，模拟的结果在一个数量级之内是可靠的。
辐射屏蔽厚度计算
假设实验室每天照射3个小时(光束照射时间)，每周照射5天，则一年至多有800h的照射时间。根据国家标准GB18871-2002，从事放疗相关行业的从业人员，每年遭受的最大剂量为20mSv。按照模拟结果计算，在160kVp/50mm的情形下，30cm处散射与靶区剂量比为0.088％。另外，球管厂商提供的数据显示，球管的泄漏剂量控制在5mSv/h(距离焦点1m处)，将这部分贡献也换算到体模3侧面的点上，根据剂量衰减关系，具体公式为：
I＝I0e-μx；
其中I表示衰减剂量，I0表示初始剂量，x表示距离，u表示衰减系数。
计算得出需要4.0个TVL的屏蔽，即要将初始剂量降低为原来的万分之一，考虑到模拟和实验的误差，保守起见，再额外加上一个TVL。因此，散射面需要5.0个TVL，即要将初始剂量降低为原来的十万分之一。
本基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，通过蒙特卡罗的计算方法，真实的模拟粒子的输运情形，无须经过真实设备样品的试错阶段，就可以优化箱体屏蔽层的厚度，测试验证屏蔽设计是否满足要求，从而给屏蔽设计提供定量的剂量参考。
上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利申请的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将一束电子束打到钨靶上，产生轫致辐射；
S2、轫致辐射的射线在空气中传播，经过限束和滤波后，在体模内散射；
S3、散射射线在体模及体模侧面不同距离处的沉积能量；
S4、根据剂量热点以及剂量与体模之间的距离的分布情况，模拟动物照射时散射剂量与靶区剂量的比值，进而计算出所需要的屏蔽层厚度。
2.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的电子束打到钨靶上是在真空腔内完成，所述钨靶与水平面成20°倾角布设，钨靶的厚度为1mm。
3.根据权利要求2所述的一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，其特征在于：所述电子束的电子能量为225keV或160keV。
4.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中的限束和滤波所用设备为射束硬化准直装置。
5.根据权利要求4所述的一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，其特征在于：所述射束硬化准直装置从电子束射入侧到射出侧包括依次连接的铍窗、铜准直器、钨准直器和铝滤波片。
6.根据权利要求5所述的一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中在体模的一侧放置多个电子水体模，用于显示散射射线产生的放射剂量。
7.根据权利要求6所述的一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，其特征在于：所述电子水体模的数量为三个，且三个电子水体模与体模的距离分别为5cm、10cm和20cm。
8.根据权利要求6或7所述的一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，其特征在于：所述电子水体模的规格为10cm*10cm*0.1cm。
9.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡罗模拟的辐射防护箱体的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中通过剂量分布热点上的剂量除以体模中心的剂量，模拟得到照射时散射剂量与靶区剂量的比值。
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