医用直线加速器光子源模型函数的构建方法技术

本发明专利技术涉及辐射剂量测量技术领域，提出了一种医用直线加速器光子源模型函数的构建方法，用于放射治疗方案中射线的剂量计算，该加速器的治疗光子束的源模型包含原射线光子和散射线光子的源模型两部分。这两部分的源模型函数中的物理参量为粒子的发射点位置坐标、单位动量矢量三维正交方向上的投影值、粒子的能量。利用该模型函数能够准确计算出在任意相空间平面上的光子注量信息、能谱信息、光子的单位动量方向信息，本发明专利技术涉及的源模型构建方法和思路，适用于放射治疗中所使用的加速器的各种标称能量的光子束源模型构建，具有建模参数少，函数中各个参数的物理意义明确、使用方便，能够用数学解析方法如实复现辐射场光子分布信息的优点。

【技术实现步骤摘要】
医用直线加速器光子源模型函数的构建方法
本专利技术涉及辐射剂量测量
，尤其涉及一种医用直线加速器光子源模型函数的构建方法。
技术介绍
放射治疗是依赖于高能电离射线治疗肿瘤的方法，它和外科手术治疗方法、内科药物治疗方法一起构成了肿瘤治疗的三大主流手段。在放射治疗中，肿瘤细胞的杀灭概率和正常组织的损伤程度都与射线剂量的高低有关，因此，放射治疗在照射方案设计时，需要将射线剂量从不同方向上集中照射到肿瘤上，分散正常组织的剂量，最大可能提高肿瘤区域的剂量、降低正常组织器官的剂量、尽可能减少正常组织受照体积。因此，在放射治疗方案设计阶段时，剂量计算的准确性很重要。放射治疗已经有了近百年历史，它的剂量计算方法或计算模型有很多，也在不断进步和发展。今天临床上应用最广泛的剂量计算都是数学解析方法，诸如笔形束算法、AAA算法、XB算法以及迭代卷积算法等等，但是这些算法在非均匀组织中的情况下，特别是密度差异比较大的区域内，计算的误差较大，误差达到4％-17％。而蒙特卡洛剂量计算方法是目前公认的准确度、精度最高的计算方法，它基于统计物理的抽样数学方法，通过统计物理的理论、原子物理和核物理理论的数学方法可以精准模拟出粒子在介质中的输运过程，并可以记录粒子在输运过程中的各种信息。蒙特卡洛的剂量计算过程按照物理阶段可以分成两个阶段，包括：(1)模拟追踪打靶的电子，计算追踪电子与靶原子相互作用、相互作用过程中产生的轫致辐射光子以及轫致辐射光子被均整器修整的过程，记录修整后的治疗射线束的光子粒子信息；(2)追踪治疗射线束的光子在病人体内的输运过程，并记录输运过程中的信息。在实际治疗场景下，治疗的病人可以轮换更替变化，但医用直线加速器光子源装置是不变的，所以，预处理阶段在加速器机头内部空间的合适位置处选择一个垂直射线束的平面(一般选择加速器射线束均整齐下方)，记录到达这个平面上的治疗射线束光子的信息，这些光子信息包括了其在该平面上的位置坐标、运动动量方向、能量，记录的光子信息被存储在一个文件中，这种文件也称之为相空间文件，这个平面也称之为相空间平面。当需要做病人剂量计算的时候，这个相空间文件就作为粒子的相空间平面源输入文件直接用于剂量计算，可省去第一阶段加速器机头内的模拟过程，节省大量计算时间、提高工作效率。但由于相空间文件必须记录足够多的粒子(数十亿)才能保证相空间平面的粒子注量的方差足够小，从而会导致文件的尺寸过大，占据很大的硬盘空间，而且在剂量计算中，从硬盘把粒子信息导入到计算程序中也十分的耗时；在相空间平面上的粒子注量的固有统计方差也会传递到后续的剂量计算过程中；另外，相空间文件一旦形成，记录的粒子数目、分布尺寸不能改变，不能跟随照射野而改变。因此，目前用数学函数描述方法来替代相空间是最好的选择，通过数学函数中的参量准确地表达粒子源物理特征，包括源发射的粒子能量特征、粒子发射点的空间位置、粒子的动量方向分布特征，这个数学函数直接被用作蒙特卡洛剂量计算粒子输入源的描述函数，就不再需要相空间文件，节省了时间、方便了计算，能显著改善了计算效率和方差。现有技术中，供蒙特卡洛剂量计算使用的医用直线加速器光子剂量计算的源模型函数的建立方法：是利用靶位置的光子以及相空间的光子落点位置建立基于空间几何投影关系，然后去建立光子物理参数的数学形式，引入光子环的概念来建立源模型函数。建立源模型函数过程中，来自于钨靶位置处的光子被称为原射线光子，这些原射线光子有不同的发射方向(即，动量方向)，按照动量方向对这些原射线光子分组后，它们在任意的相空间平面上会形成环带分布，这个特点就是所谓的光子环。因此，通过蒙特卡洛计算获取的相空间平面上的光子，按照动量方向分组后，会出现一环一环的高亮分布区，分布在这个高亮环形区域内的光子为原射线光子，而剩余的为散射线光子，没有聚焦区域，如图1所示。如图2所示，高能电子束流引出后垂直击打薄钨靶，产生X线光子，任意有效位置点处的光子数量与击打该点的电子束流强度(数量)成正比。建立的数学模型如下：(xs，ys)表示为光子在靶平面的位置坐标，r表示光子在相空间平面的落点距离中心的距离；(u，v，w)是光子的单位动量方向的三个分量投影；δs是击靶的电子束流分布方差。δ(u-u0)或δ(v-v0)为冲击函数，(u0，v0)为落到辐射场平面上的光子动量方向分量；zphsp为相空间平面(辐射场平面)到源的距离。散射光子源模型函数：由于散射光子的动量方向是杂乱无章的，但是光子的动量分量满足u2+v2+w2＝1,是一个球面，所以根据散射光子按照动量分布分组后散射光子在半球面上分布如图3所示。按照其概率分布特点进行了方向(u和v)的拟合，不同的w所对应的散射光子的分布概率都是一个高斯函数，这个半球面上的散射光子可以拟合出很多高斯函数。基于拟合结果以及散射光子的角度，在相空间平面的半径区域，散射光子的动量分布为：其中，α和β分别为动量方向投影u和v对应的方向角度。但是，在上述模型函数中，至少存在以下缺点：(1)有源平面的光子数量分布信息为靶发射出来的光子经过均整器过滤后，光子注量的分布函数已经与靶发射的光子注量不同了，因此不能由单一高斯函数描述它的分布；(2)光子在动量方向信息采用光子分布半径方式提供，均匀分布在这个环带上的光子具有相同的动量方向投影w。但由于加速器机头内部不可或缺的均整器的存在，使得在靶平面上的韧致辐射光子的注量分布与受均整器影响后的原射线光子注量分布形式不同；(3)可确定光子的发射方向或在计算平面上的落点位置，但是不能提供原射线光子在这个方向的注量概率，或者沿光子动量方向上的光子注量概率，因此不能用于蒙特卡洛剂量剂量中的源模型；(4)受均整器作用后的原射线光子分布函数不是一个简单的二维高斯函数，在本模型中，源平面上的光子注量分布函数表达如果是加速器靶产生光子分布，那么缺少了均整器的作用；如果是受均整器影响之后的原射线光子分布形式表达，这个函数不是简单高斯函数，因为靶产生的韧致辐射光子经过均整器之后的粒子注量分布已经不再是钟形，不能如实反映光子的注量分布信息，不适合计算复杂照射野、或细致野的剂量；(5)该模型函数描述散射光子的函数很复杂，通过函数计算获取散射光子的位置、动量方向分量信息繁琐；(6)上述模型函数缺失了不同环形带上粒子分布权重信息。
技术实现思路
因此，针对上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术提出了一种新的构建医用直线加速器光子源模型函数的方法，用于放射治疗方案中射线的剂量计算，具有建模参数少，函数中各个参数的物理意义明确、使用方便，能够在任意位置高度的辐射场内如实复现光子注量分布信息、光子的单位动量方向信息、能量信息的优点。具体的，主要通过以下技术方案来实现：一种医用直线加速器光子源模型函数的构建方法，医用直线加速器光子源模型包括原射线光子源模型和散射线光子源模型两部分，该方法包括：开启医用直线加速器，用产生的高能电子束轰击所述医用直线加速器的X线靶，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种医用直线加速器光子源模型函数的构建方法，其特征在于，医用直线加速器光子源模型包括原射线光子源模型和散射线光子源模型两部分，该方法包括：/n开启医用直线加速器，用产生的高能电子束轰击所述医用直线加速器的X线靶，将初始相空间平面上记录的靶面上产生的轫致辐射光子信息保存在第一相空间文件中，以及，将相空间平面上记录的经均整滤过器后的治疗光子束光子信息保存在第二相空间文件中；/n通过光子逆向飞行计算，将第一相空间文件和第二相空间文件转换为靶平面上的相空间文件，分别记为B-PhSp和R-PhSp；将相空间文件R-PhSp中记录的光子分离为原射线光子和散射线光子，得到两个新的相空间文件分别记为p-PhSp和s-PhSp；/n根据所述轫致辐射光子注量分布函数、靶面上注量点发射韧致辐射光子在动量分量上的注量概率分布函数和靶面上注量点发射韧致辐射光子在动量分量方向上被所述均整滤过器吸收的注量概率分布函数构建原射线光子源模型函数；/n根据所述散射线光子注量分布函数和靶所在的平面上各注量点发射的散射光子在动量分量上的平均注量概率分布函数构建散射线光子源模型函数。/n

【技术特征摘要】
1.一种医用直线加速器光子源模型函数的构建方法，其特征在于，医用直线加速器光子源模型包括原射线光子源模型和散射线光子源模型两部分，该方法包括：
开启医用直线加速器，用产生的高能电子束轰击所述医用直线加速器的X线靶，将初始相空间平面上记录的靶面上产生的轫致辐射光子信息保存在第一相空间文件中，以及，将相空间平面上记录的经均整滤过器后的治疗光子束光子信息保存在第二相空间文件中；
通过光子逆向飞行计算，将第一相空间文件和第二相空间文件转换为靶平面上的相空间文件，分别记为B-PhSp和R-PhSp；将相空间文件R-PhSp中记录的光子分离为原射线光子和散射线光子，得到两个新的相空间文件分别记为p-PhSp和s-PhSp；
根据所述轫致辐射光子注量分布函数、靶面上注量点发射韧致辐射光子在动量分量上的注量概率分布函数和靶面上注量点发射韧致辐射光子在动量分量方向上被所述均整滤过器吸收的注量概率分布函数构建原射线光子源模型函数；
根据所述散射线光子注量分布函数和靶所在的平面上各注量点发射的散射光子在动量分量上的平均注量概率分布函数构建散射线光子源模型函数。


2.如权利要求1所述的一种医用直线加速器光子源模型函数的构建方法，其特征在于，将相空间文件R-PhSp中记录的光子分离为原射线光子和散射线光子，具体包括：相空间文件R-PhSp记录的光子中，将位置坐标位于初级准直器的圆锥形孔径在靶底端面上的几何投影区域之内的光子记为原射线光子，所述原射线光子可沿着初级准直器孔径回到所述初始相空间平面上；将分布在所述几何投影区域之外的光子记为散射线光子。


3.如权利要求1或2所述的一种医用直线加速器光子源模型函数的构建方法，其特征在于，将所述相空间文件B-PhSp和相空间文件p-PhSp中所记录的光子的位置坐标参量置于靶平面中心点(0，0，0)，其中靶平面设为0参考平面。


4.如权利要求3所述的一种医用直线加速器光子源模型函数的构建方法，其特征在于，用能量宽度BinE将连续能谱的韧致辐射光子分成若干能量组，用Ei表示，i为自然数，表示第i组光子的能量分布中值，该组光子的能量分布宽度为


5.如权利要求4所述的一种医用直线加速器光子源模型函数的构建方法，其特征在于，所述构建原射线光子源模型函数的步骤，具体包括：
所述轫致辐射光子注量分布函数为：

以及，



其中，为在NB(xs，ys)的分支比；表示能量为Ei的韧致辐射光子总计数，NB表示所有能量的韧致辐射光子的总计数；NB0表示为靶中心点产生的韧致辐射光子计数；σ为靶面产生初始韧致辐射光子分布的标准差，即，击靶的电子束流的分布标准差，以及，击靶电子束流的半高宽FWHM＝2.335*σ；
根据韧致辐射光子在动量分量方向的注量分布，并拟合得到韧致辐射光子在动量分量方向的注量分布函数为：



其中，表示在靶中心点产生的第i能量组的韧致辐射光子沿动量的分量方向的注量分布；和为韧致辐射光子中能量为Ei的光子沿动量分量方向上的注量分布标准差，和是函数表达式的系数，等于0度角方向上发射的韧致辐射光子计数，韧致辐射光子飞行的动量方向用单位动量在三维直角坐标系上的投影值表示，即(px，py，pz)，并且B表示韧致辐射光子，Ei表示第i条谱线能量，m表示动量(momentum)，即，和为动量分布的两个标准差；
因为靶面上个点的电子束流注量的能谱相同，所以靶面上个点产生的韧致辐射光子的动量分量上的注量概率分布与靶中心点的相同，则，靶面上注量点发射韧致辐射光子在动量分量上的注量概率分布函数为：



其中，和是韧致辐射光子沿动量分量方向的注量概率分布函数表达式的系数，根据和的归一计算得到；表示韧致辐射光子在动量分量上的注量概率分布；
将所述相空间文件B-PhSp及p-PhSp所记录的光子沿着光子单位动量分量做光子通量...

【专利技术属性】
技术研发人员：白彦灵，崔振国，王业伟，刘奇，冯丽娜，
申请(专利权)人：哈尔滨医科大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23