一種測量醫用加速器光子束能譜的方法

2023-07-03 08:59:01 2

專利名稱：一種測量醫用加速器光子束能譜的方法
技術領域：
本發明涉及放射治療中醫用加速器的光子束能譜的測定方法，這些能譜數據的測定是光子束精確放射治療技術的基礎。
背景技術：
放射治療是醫治癌症的主要手段之一，為進一步提高放射治療的治癒率，發展以精確控制射線束劑量為特徵的新一代放射治療技術是關鍵。普通放射治療直接以矩形野光子束在水模中測量的劑量數據為基礎，作簡單的人體密度修正即估算出光子束在人體中的劑量，並不需要光子能譜數據，但是這種方法對適形和調強放射治療這樣的精確放射治療技術來說會產生較大誤差，是不可接受的。為了實現將光子束的高劑量準確投放在靶區(腫瘤)，必須測定在加速器準直系統出口處(加速器頭)的光子束能譜。這是因為對於標稱能量為E兆伏的光子束來說，實際上它是由一定能量的電子打在加速器頭內的鎢板上產生的韌致輻射光子組成的，而韌致輻射光子的能譜很寬，從低能到高能都有，韌致輻射光子的平均能量大約為E/3(MeV)，而標稱能量對應的光子能量為E(MeV)，在這種情況下，光子在人體中的劑量分布與標稱能量為E(MeV)單能光子有本質的區別，如果不知道加速器光子束能譜(能量組成)，就不能精確確定光子在人體中的劑量，所以測定加速器頭的光子束能譜是實現光子束精確放射治療的一個必要條件。傳統上可以利用一組核子儀器(如多道光子能譜儀)測量光子束能譜，但是這樣的測量系統相當複雜，價格也很昂貴，測量系統對醫用加速器治療病人的現場布局有很大的影響，而且測量工作費時又幹擾臨床治病，費時費力，是醫院方面深感不便的事。所以，如何用簡便方法確定光子束的能譜成為實現光子束精確放射治療技術的一個關鍵因素。

發明內容
本發明的目的是提供一種測量簡便、成本低的測量醫用加速器光子束能譜的方法。
為了達到上述目的，本發明採用如下的技術方案。其步驟如下a、測量醫用加速器準直系統出口處光子束在三維水箱中的劑量分布數據；b、應用Monte Carlo方法，計算不同能量的若干組單能光子束在水中的劑量分布數據；c、建立單能光子束在水中劑量分布數據、光子束能譜和測量的劑量數據之間的線性方程組；d、通過測量光子束在水模中劑量數據，求解線性方程組，獲得光子束的能譜；e、將獲得的光子束能譜數據輸入到放射治療計劃系統。
本發明提出了解決測量加速器光子束能譜問題的一個有效技術方法。即應用一臺三維水箱測量光子束在三維水箱中的劑量分布，然後從這些劑量分布數據便可取得光子束能譜數據，測量快捷、簡便。三維水箱是現代放射治療醫療單位的必備設備之一。因此，利用本發明的結果，醫院方面即可免除購買專門測量光子能譜的設備，使測量成本降低。同時，由於去掉了應用光子能譜儀測量光子束能譜的醫療環節，從而簡化了光子束放射治療的流程。


圖1為本發明方法的流程圖；圖2為由美國醫學物理學家學會(American Association ofPhysiciats in Medicine，AAPM)55#報告提供的10cm×10cm射野的18MV光子在水模中的中心軸上的百分深度劑量分布的標準測量曲線；圖3是本發明用Monte Carlo法計算6MeV單能光子束在水中劑量分布的數據；圖4是本發明得到的18MV醫用加速器的能譜。
具體實施例方式
一種測量醫用加速器光子束能譜的方法，包括有下述步驟(見圖1、圖2、圖3、圖4所示)第一步，測量醫用加速器準直系統出口處光子束在三維水箱中的劑量分布數據；具體做法是①調整醫用加速器頭內的擋塊(jaw)，形成所要測量的一定大小的射野光子束；這是因為不同射野的光子束，其能譜有所不同。
②將此一定大小射野的光子束照射三維水箱，通過在水箱中的劑量計，測量上述光子束在水箱中的劑量分布；將射野中心軸不同的深度標記為z1，z2，……zn，用劑量計測量得到的射野中心軸不同深度處的光子束劑量標記為d(z1)，d(z2)，……d(zn)，簡寫成d1，d2，……dn，或者將其寫成向量形式 ；第二步，用Monte Carlo方法，計算不同能量的若干組單能光子束在水箱中的劑量分布數據；具體做法是①設光子束標稱能量為E(MV)，將E分成n等份，取每份的平均能量代表該份的光子能量，得到E/2n，3E/2n，…..(2n-1)E/2n，將其簡寫成E1，E2，……En，共計n種能量；②用Monte Carlo方法，計算能量為Ei[即(2i-1)E/2n]的單位注量單能寬束光子在水箱中測量點處的劑量D(z1，Ei)，D(z2，Ei)，…….D(zn，Ei)；③計算全部n種能量的單能光子在水箱中n個測量點的劑量，得到下面的劑量矩陣DD(z,E)=D(z1,E1)D(z1,E2)...D(z1,En)D(z2,E1)D(z2,E2)D(z2,En)............D(zn,E1)D(zn,E2)D(zn,En)---(1)]]>由於加速器光子的能量是從0到E的一個連續譜，當將光子束能區分為n個間隔時，如果間隔數n很大，則每個間隔內光子能量就近似相等，可以用平均能量Ei代表該間隔的光子能量，而每一個能區的光子總數就可以代表這個能區的光子的能譜，將其記為Ψ(Ei)，或簡寫成Ψi，全部n個能區的光子能譜為Ψ1，Ψ2，……Ψn，或者寫成向量形式 ；第三步，建立單能光子束在水中劑量分布數據、光子束能譜和測量的劑量數據之間的線性方程組；由於每一個測量深度zi處的光子劑量，都是由n種單能光子產生劑量的總合，所以得到下面形式的線性方程組D(z1,E1)D(z1,E2)D(z1,En)D(z2,E1)D(z2,E2)D(z2,En)...D(zn,E1)D(zn,E2)D(zn,En)(E1)(E2)...(En)=d(z1)d(z2)...d(zn)---(2)]]>形式上可以寫為D=d---(3)]]>第四步，通過劑量計測量光子束在水模中的劑量數據，求解線性方程組，獲得光子束的能譜；我們沒有用普通的逆矩陣法來直接取得光子能譜=D-1d,]]>因為D是一個病態矩陣，用逆矩陣方法會得到不正確結果，有可能取得高頻振蕩的非物理結果。在本發明中我們提出一種新方法可取得正確可用的結果。其步驟如下①用近似方程(4)代替方程(3)
F=(D+I)=d---(4)]]>這裡I是單位矩陣，Ii ，j＝δi，j，δi，j是Kronecker符號，α是一個正數可調節參數，當α很小時，方程(4)就趨近方程(3)，由於αI增加了矩陣中對角元的值，因而將顯著改善方程(3)的病態性，使其得到的能譜 是合理的；②先選取任意一個很大的正數作為初始α0(α的迭代初值)，由於F的病態性已得到克服，因此在能譜滿足||D-d||]]>精度條件下，可以重新用逆矩陣法求得0=(D+0I)-1d;]]>③計算誤差0=||D0-d||]]>如果Δ0＞δ，則選擇一個更小的α1。重複上述計算過程，直到第m次，使得選擇的αm所取得m=(D+mI)-1d,]]>能使m=||Dm-d||]]>第一次成立，則迭代過程完成，如此這就取得了一個可用的光子能譜 ④將光子能譜 儲存於資料庫儲⑤要計算光子束劑量時，可以調用這些光子能譜數據對病人實施照射前，醫生將這些光子束能譜數據輸入到放射治療計劃系統。而放射治療計劃系統應用這些數據，就能夠提供光子束在病人體內精確的劑量分布信息。
為了更進一步清楚說明本發明方法，下面通過具體實施例來說明如圖1、圖2、圖3、圖4所示，該實施例為在應用上述本發明方法的基礎上得到18MV光子束的能譜，其方法如下實施過程如圖1，1)選擇一臺標稱能量為18MV的醫用加速器，按照本發明方法中的步驟a所述的方法進行。
2)利用三維水箱測量了光子束在水箱中的劑量數據(見圖2)。按照本發明方法中的步驟a所述的方法進行。
3)利用Monte Carlo法計算0.5MeV到20MeV單能光子束在水中的劑量分布數據(見圖3)。按照本發明方法中的步驟b所述的方法進行。
4)建立單能光子束劑量分布、光子束能譜和測量的劑量數據之間關係的線性方程組；按照本發明方法中的步驟c所述的方法進行。
5)求解線性方程組，獲得光子束的能譜。(見圖4)。按照本發明方法中的步驟d所述的方法進行。
6)將獲得的光子束能譜數據輸入到放射治療計劃系統。對病人實施照射時，放射治療計劃系統應用這些數據，提供光子束在病人體內精確的劑量分布信息。
權利要求
1.一種測量醫用加速器光子束能譜的方法，具有下述步驟第一步，測量醫用加速器準直系統出口處光子束在三維水箱中的劑量分布數據；具體做法是①調整醫用加速器頭內的擋塊，形成所要測量的一定大小的射野光子束；②將一定大小射野的光子束照射三維水箱，通過在水箱中的劑量計，測量上述光子束在水箱中的劑量分布；將射野中心軸不同的深度標記為z1，z2，……zn，用劑量計測量得到的射野中心軸不同深度處的光子束劑量標記為d(z1)，d(z2)，……d(zn)，簡寫成d1，d2，……dn，或者將其寫成向量形式 第二步，用Monte Carlo方法，計算不同能量的若干組單能光子束在水箱中的劑量分布數據；具體做法是①設光子束標稱能量為E(MV)，將E分成n等份，取每份的平均能量代表該份的光子能量，得到E/2n，3E/2n，…..(2n-1)E/2n，將其簡寫成E1，E2，……En，共計n種能量；②用Monte Carlo方法，計算單位注量能量為Ei＝(2i-1)E/2n的單能寬束光子在水箱中測量點處的劑量D(z1，Ei)，D(z2，Ei)，…….D(zn，Ei)；③計算全部n種能量的單能光子在水箱中n個測量點的劑量，得到下面的劑量矩陣DD(Z,E)=D(z1,E1)D(z1,E2)...D(z1,En)D(z2,E1)D(z2,E2)...D(z2,En).........D(zn,E1)D(zn,E2)...D(zn,En)---(1)]]>由於加速器光子的能量是從0到E的一個連續譜，當將光子束能區分為n個間隔時，如果間隔數n很大，則每個間隔內光子能量就近似相等，可以用平均能量Ei代表該間隔的光子能量，而每一個能區的光子總數就可以代表這個能區的光子的能譜，將其記為Ψ(Ei)，或簡寫成Ψi，全部n個能區的光子能譜為Ψ1，Ψ2，……Ψn，或者寫成向量形式 第三步，建立單能光子束在水中劑量分布數據、光子束能譜和測量的劑量數據之間的線性方程組；由於每一個測量深度zi處的光子劑量，都是由n種單能光子產生劑量的總合，所以得到下面形式的線性方程組D(z1,E1)D(z1,E2)...D(z1,En)D(z2,E1)D(z2,E2)...D(z2,En)...D(zn,E1)D(zn,E2)...D(zn,En)(E1)(E2)...(En)=d(z1)d(z2)...d(zn)---(2)]]>形式上可以寫為D=d---(3)]]>第四步，通過劑量計測量光子束在水模中的劑量數據，求解線性方程組，獲得光子束的能譜；由於D可能是病態矩陣，用本發明中我們提出一種新方法取得有用結果，其步驟如下①用近似方程(4)代替方程(3)F=(D+I)=d---(4)]]>這裡I是單位矩陣，Ii，j＝δi，j，δi，j是Kronecker符號，α是一個正數可調節參數，當α很小時，方程(4)就趨近方程(3)，由於αI增加了矩陣中對角元的值，因而將顯著改善方程(3)的病態性，使其得到的能譜 是合理的；②先選取任意一個很大的正數作為初始α0(α的迭代初值)，由於F的病態性已得到克服，因此在能譜滿足||D-d||]]>精度條件下，可以重新用逆矩陣法求得0=(D+0I)-1d;]]>③計算誤差0=||D-d||.]]>如果Δ0＞δ，則選擇一個更小的口α1重複上述計算過程，直到第m次，使得選擇的αm所取得m=(D+mI)-1d,]]>能使m=||Dm-d||]]>第一次成立，則迭代過程完成，如此這就取得了一個可用的光子能譜 ④將光子能譜 儲存於資料庫儲⑤臨床上要計算光子束劑量時，可以調用這些光子能譜數據至放射治療計劃系統。
全文摘要
本發明公開了一種測量醫用加速器光子束能譜的方法，步驟如下a.測量醫用加速器準直系統出口處光子束在三維水箱中的劑量分布，取得數據；b.應用Monte Carlo方法計算不同能量的若干組單能光子束在水中的劑量分布數據；c.建立單能光子束在水中劑量分布、光子束能譜和測量的劑量數據之間的線性方程組；d.通過測量光子束在水模中劑量數據，應用可取得結果的光子束能譜加權算法，求解線性方程組可獲得光子束的能譜；本發明優點是只需測量光子束在水箱中的劑量分布，再用本發明的軟體便可到得光子束能譜數據，使用快捷簡便；各放療單位都有放療水箱，本發明可使醫院免購測量光子能譜設備，降低測量成本；不用光子能譜儀簡化了放療流程，提高了治療效率。
文檔編號A61N5/10GK101071172SQ20061002270
公開日2007年11月14日 申請日期2006年12月29日 優先權日2006年12月29日
發明者羅正明, 勾成俊, 吳章文, 楊代倫, 孫官清 申請人:成都川大奇林科技有限責任公司