一种基于蒙特卡罗光子模拟的卷积叠加剂量计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于蒙特卡罗光子模拟的卷积叠加剂量计算方法，在传统的光子剂量计算模型的基础上，使用蒙特卡罗光子输运替代原有的解析光子通量计算；而相对于全空间蒙特卡罗光子‑电子耦合输运，使用预先计算的能量沉积核替代电子输运，可以极大的减少模拟计算的时间。为了进一步加快计算速度，可以根据不同的计算区域，分别采用不同的计算策略：对于感兴趣区域的计算点，逐点进行卷积叠加计算，对于其他区域计算点，只计算一部分特定的点，通过插值的方法，得到任意点的剂量信息，保证用户关心区域计算精度的同时，减少计算时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于蒙特卡罗光子模拟的卷积叠加剂量计算方法，属于核物理、核技术应用等领域中的辐射剂量计算领域。
技术介绍
辐射剂量测量和计算广泛应用于环境保护、辐射化工、食品加工、核技术及应用、航空航天等领域。其中，剂量计算方法的速度和精度是辐射剂量计算中的关键问题。剂量计算方法一般分为解析方法和蒙特卡罗方法。解析方法具有快速和在均匀区域精度较高的优势，但在组织非均匀区域存在较大误差；蒙特卡罗方法通过模拟粒子在介质中的输运过程，可以不受到几何、材料的限制，精确的模拟所有区域的剂量分布，但是模拟极为耗时，特别是模拟电子输运的过程，限制了其应用。卷积叠加方法是传统的解析剂量计算方法，通过事先模拟的能量沉积核(笔形束核或者点核)卷积叠加光子的面通量或者体通量，得到全空间的剂量分布。传统的卷积叠加方法在计算均匀模体时，具有快速精确的特点，但是在计算非均匀模拟或者真实人体的情况，由于组织不均匀性对光子通量和能量沉积核的影响，会存在较大的误差。在计算介质剂量时，卷积叠加方法按照栅元格尺寸，均匀的设置计算点，并对每个计算点进行卷积叠加计算，若只要在一部分区域(感兴趣区域)得到较高精度的剂量，需要额外的计算时间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：克服在传统的光子卷积叠加剂量计算方法在非均匀区域模拟光子通量不准确和传统蒙特卡罗方法模拟电子输运耗时的不足，提供一种基于蒙特卡罗光子模拟的卷积叠加剂量计算方法，该方法不仅能得到较高的精度，而且有效提升计算速度。本专利技术的技术方案如下：一种基于蒙特卡罗光子模拟的卷积叠加剂量计算方法，在传统的光子剂量计算模型的基础上，使用蒙特卡罗光子输运替代原有的解析光子通量计算；而相对于全空间蒙特卡罗光子-电子耦合输运，使用预先计算的能量沉积核替代电子输运，可以极大的减少模拟计算的时间。为了进一步加快计算速度，可以根据不同的计算区域，分别采用不同的计算策略，减少计算时间。本专利技术所采用的技术方案实现如下：一种基于蒙特卡罗光子模拟的卷积叠加剂量计算方法，其特征在于包括以下步骤：(1)获得计算参数，包括以下内容：a)放射源的能谱信息，通过已发展的能谱反演方法(李贵，郑华庆，兰海洋，孟耀，宋钢，吴宜灿.基于多算法放射源反演方法，专利号：ZL200910116116.0)获得；b)射野信息(例如：钨门开口尺寸)，由用户给出；c)放射源的位置信息(例如：源轴距SAD)，由用户给出；d)射线经过加速器附件(例如：电动多叶光栅)在等中心平面形成的形状，由用户勾画给出；e)计算模型栅元划分信息，由用户根据影像数据(如CT等)给出；f)计算模型栅元物理密度信息，由用户根据影像数据(如CT等)给出；g)计算模型中感兴趣区域标示信息(例如：靶区和危及器官)，由用户勾画给出；h)蒙特卡罗程序(例如EGSnrc的子程序EDKnrc)获得的能量沉积点核Π：Π是一系列单能或一定能谱的光子入射到某一均匀介质(例如：水)中，对应于三维坐标(x，y，z)的辐射能量值矩阵，通过已发展的点核获取方法(郑华庆，宋钢，李贵，孟耀，兰海洋，吴宜灿.一种解析蒙特卡罗剂量计算方法，专利号：ZL200910116115.6)获得；(2)对全部计算区域进行蒙特卡罗光子输运模拟：根据用户制定的辐照方案，将步骤1中的放射源的能谱信息、射野信息(例如：钨门开口尺寸)、放射源的位置信息(例如：源轴距SAD)、射线经过加速器附件(例如：电动多叶光栅)在等中心平面形成的形状，转换为蒙特卡罗光子输运模拟的源信息(蒙卡模拟的源建模属于公知内容)，将计算模型栅元划分信息和计算模型栅元物理密度信息，转换为蒙特卡罗光子输运模拟的几何信息、材料信息和计数信息(蒙卡模拟的几何、材料和计数建模属于公知内容)，进行全部计算区域的蒙特卡罗光子输运模拟，得到全部计算区域每个栅元的光子通量Φ。(蒙卡模拟粒子输运过程计算得到光子通量属于公知内容)(3)卷积叠加剂量计算：利用下列卷积叠加公式进行分区域的不均匀计算点采样计算： D ( r ) = ∫ E ∫ ∫ ∫ V Φ ( E , r , ) Π ( E , ( r → - r ‾ , ) ) d 3 r , d E - - - ( 1 ) ]]>其中Φ为入射粒子通量，Π为预先计算好的能量沉积点核。在不同的作用点r’和不同的沉积点r处笔形束核应该是不同的。为了计算方便，上式中常用空间不变的能量沉积点核进行计算。考虑到计算模型材料的不均匀性，采用作用点和沉积点之间相对水的等效路径长度替代物理路径长度，用于点核的调用。所述步骤3中的分区域的计算点计算，根据不同的计算区域，分别采取不同的计算点密度：感兴趣区域的计算点密度高，其他区域计算点密度低。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)本专利技术使用蒙特卡罗光子输运替代原有的解析光子通量计算，提高解析计算的精度；(2)本专利技术使用预先计算的能量沉积核替代电子输运，保证解析计算的速度；(3)本专利技术根据不同的计算区域，分别采取不同的计算点密度：感兴趣区域的计算点密度高，其他区域计算点密度低。附图说明图1是本专利技术算法实现示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术包括以下内容：放射源的能谱信息，通过已发展的能谱反演方法(李贵，郑华庆，兰海洋，孟耀，宋钢，吴宜灿.基于多算法放射源反演方法，专利号：ZL200910116116.0)获得；使用蒙特卡罗程序，例如EGSnrc的子程序EDKnrc等，获得的能量沉积点核Π：Π是一系列单能或一定能谱的光子入射到某一均匀介质(例如：水)中，对应于三维坐标(x，y，z)的辐射能量值矩阵，通过已发展的点核获取方法(郑华庆，宋钢，李贵，孟耀，兰海洋，吴宜灿.一种解析蒙特卡罗剂量计算方法，专利号：ZL200910116115.6)获得；根据用户制定的照射方案和用户给出的其他信息(源、几何、材料、计数)，使用蒙特卡罗程序MCNP或者EGSnrc等，进行全部计算区域的蒙特卡罗光子输运模拟，得到全部计算区域每个栅元的光子通量Φ。通过能谱、预先计算得到的点能量沉积核和全空间的光子通量分布，计算通过介质上的作用点r’(x1，y1，z1)对沉积点r(x2，y2，z2)的剂量贡献(如图1所示)：根据作用点r’本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于蒙特卡罗光子模拟的卷积叠加剂量计算方法，其特征在于包括以下步骤：(1)获得计算参数，计算参数包括：a)放射源的能谱信息；b)射野信息；c)放射源的位置信息；d)射线经过加速器附件在等中心平面形成的形状，由用户勾画给出；e)计算模型栅元划分信息；f)计算模型栅元物理密度信息；g)计算模型中感兴趣区域标示信息，由用户勾画给出；h)通过蒙特卡罗程序获得的能量沉积点核Π，Π是一系列单能或一定能谱的光子入射到某一均匀介质中对应于三维坐标(x，y，z)的辐射能量值矩阵；(2)对全部计算区域进行蒙特卡罗光子输运模拟；根据用户制定的辐照方案，将步骤(1)中的放射源的能谱信息、射野信息、放射源的位置信息、射线经过加速器附件在等中心平面形成的形状转换为蒙特卡罗光子输运模拟的源信息，将计算模型栅元划分信息和计算模型栅元物理密度信息转换为蒙特卡罗光子输运模拟的几何信息、材料信息和计数信息，进行全部计算区域的蒙特卡罗光子输运模拟，得到全部计算区域每个栅元的光子通量Φ；(3)卷积叠加剂量计算；利用下列卷积叠加公式进行分区域的计算点计算：D(r)=∫E∫∫∫VΦ(E,r,)Π(E,(r→-r,→))d3r,dE---(1)]]>其中：D(r)为沉积点r处的剂量，Φ为光子通量，Π为预先计算好的能量沉积点核，在不同的作用点r’和不同的沉积点r处能量沉积点核应该是不同的，为了计算方便，公式(1)中常用空间不变的能量沉积点核进行计算，考虑到计算模型材料的不均匀性，采用作用点和沉积点之间相对水的等效路径长度替代物理路径长度，物理路径长度即是作用点和沉积点连线的长度，用于点核的调用。...

【技术特征摘要】
1.一种基于蒙特卡罗光子模拟的卷积叠加剂量计算方法，其特征在于包括以下步骤：(1)获得计算参数，计算参数包括：a)放射源的能谱信息；b)射野信息；c)放射源的位置信息；d)射线经过加速器附件在等中心平面形成的形状，由用户勾画给出；e)计算模型栅元划分信息；f)计算模型栅元物理密度信息；g)计算模型中感兴趣区域标示信息，由用户勾画给出；h)通过蒙特卡罗程序获得的能量沉积点核Π，Π是一系列单能或一定能谱的光子入射到某一均匀介质中对应于三维坐标(x，y，z)的辐射能量值矩阵；(2)对全部计算区域进行蒙特卡罗光子输运模拟；根据用户制定的辐照方案，将步骤(1)中的放射源的能谱信息、射野信息、放射源的位置信息、射线经过加速器附件在等中心平面形成的形状转换为蒙特卡罗光子输运模拟的源信息，将计算模型栅元划分信息和计算模型栅元物理密度信息转换为蒙特卡罗光子输运模拟的几何信息、材料信息和计数信息，进行全部计算区域的蒙特卡罗光子输运模拟，得到全部计算区域每个栅元的光子通量Φ；(3)卷积叠加剂量计算；利用下列卷积叠加公式进行分区域的计算点计算： D ( r ) = ∫ E ∫ ∫ ∫ V Φ ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑华庆，吴宜灿，胡丽琴，宋婧，孙光耀，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34