一种基于三维混合有限笔形束能量沉积核的光子能量沉积获取方法

技术领域

本发明涉及一种基于三维混合有限笔形束能量沉积核的光子能量沉积获取方法，涉及核 物理、核技术应用等领域。

背景技术

辐射能量沉积的测量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，能量沉积获取方法的速度和精度是辐射能量沉积获取中的关键问题。

能量沉积获取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，但在非均匀区域存在较大误差；蒙特卡罗方法在所有区域均可保持较高精 度，但由于较为耗时，限制了其应用。

蒙特卡罗模拟得到的笔形束（FSPB）能量沉积核，可以表征射束划分为某一个有限尺寸 的笔形束与介质之间的相互作用所产生的次级带电粒子，在介质中所造成的能量沉积。FSPB 模型可作为独立的解析蒙特卡罗能量沉积获取方法使用。

传统的FSPB在计算通过真实射野的能量沉积时，使用按同一尺寸的正方形划分子野， 这样划分子野会带来系统误差，对确定精度照成影响。

发明内容

本发明的目的在于：克服传统FSPB模型在计算放射源不规则射野照射时，计算精度上 的不足，提供一种基于三维混合有限笔形束能量沉积核的光子能量沉积获取方法，能得到更 好的精度。

本发明的技术方案如下：一种基于三维混合有限笔形束能量沉积核的光子能量沉积获取 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.测量得到的加速器附件电动多叶光栅，在等中心平面的宽度信息和泄漏率；

b.利用反演得到的放射源的能谱信息，配合蒙卡程序EGSnrc的子程序DOSXYZnrc，获 得的电动多叶光栅在等中心平面的宽度对应的三维笔形束能量沉积核Π；

c.测量得到的放射源的位置信息及射野信息；

d.由用户勾画给出射线经过加速器附件电动多叶光栅，在等中心平面形成的形状；

e.扫描CT，根据CT值，换算得到计算模型栅元电子密度信息；

（2）利用基于三维混合有限笔形束能量沉积核的光子能量沉积获取方法进行计算，根 据放射源在等中心平面形成的形状及电动多叶光栅在等中心平面的宽度信息，使用若干长度 相同、宽度不同的笔形束对射野进行划分，然后调用各种尺寸单元野的有限笔形束能量沉积 核数据，进行光子能量沉积获取，避免了传统的获取方法划分尺寸统一的正方形单元野带来 的系统误差，同时规避了传统获取方法为保证足够的精度而缩小正方形单元野尺寸所产生的 额外的计算耗时；

计算公式如下：

D(r ）=∑_sΦ(s ）Π(r,s）·CF(r ）    （1）

其中Φ为入射粒子通量，由步骤1的a、c、d获得，根据测量得到的放射源的位置信 息及射野信息和测量得到的加速器附件电动多叶光栅在等中心平面的宽度信息，对射野进行 单元野划分，根据由用户勾画给出射线经过加速器附件电动多叶光栅在等中心平面形成的形 状对每个单元野的入射粒子通量予以赋值，电动多叶光栅未挡住的部分通量为1，挡住的部 分通量为光栅泄漏率；

Π为预先计算好的有限笔形束核，由步骤1的b获得，即利用反演的能谱信息和蒙卡程 序，根据电动多叶光栅在等中心平面的宽度，预先模拟得到该笔形束尺寸下的有限笔形束能 量沉积核数据，用于后续计算；

CF为组织不均匀性及人体曲面修正因子，由步骤1的e获得，采用经典的Batho修正方 法和有效源皮距法来获得CF；

最后的计算结果就是计算点的能量沉积。

本发明中采用的光子放射源的能谱信息，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。

光子放射源的笔核信息，通过已发展的能量沉积核方法获得方法（孟耀，李贵，郑华庆， 兰海洋，宋钢，吴宜灿．一种能量沉积核的获取方法，公开号：CN101477202）获得。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明能避免传统的获取方法划分尺寸统一的正方 形单元野带来的系统误差，同时规避了传统获取方法为保证足够的精度而缩小正方形单元野 尺寸所产生的额外的计算耗时。

附图说明

图1是本发明中的射野划分示意图；

图2是本发明方法实现流程图；

图3是本发明计算实例图。

具体实施方式

本发明的具体实现如下：

1.获取计算参数

a）测量得到的加速器附件电动多叶光栅，在等中心平面的宽度信息；

b）利用反演得到的放射源的能谱信息，配合蒙特卡罗程序EGSnrc的子程序DOSXYZnrc， 获得的电动多叶光栅在等中心平面的宽度对应的三维笔形束能量沉积核Π；

c）测量得到的放射源的位置信息及射野信息；

d）由用户勾画给出射线经过加速器附件电动多叶光栅，在等中心平面形成的形状；

e）扫描CT，根据CT值，换算得到计算模型栅元电子密度信息；

如图1所示，根据加速器附件形成的真实射野，及电动多叶光栅在等中心面的宽度信息， 将射野划分为若干长度相同，宽度不同的长方形组合，每个长方形都是一个笔形束。

2.获取精确的光子放射源能谱，具体测量方法见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）。

3.根据步骤2中的反演方法得到能量沉积获取需要的光子能谱，得到每个不同的笔形 束（作用束）对沉积点（x₂,y₂,z₂）的能量沉积贡献（如图2所示），具体见已发展的能量 沉积核的获取方法（孟耀，李贵，郑华庆，兰海洋，宋钢，吴宜灿．一种能量沉积核的获取 方法．公开号：CN101477202）。

如图2所示，根据笔形束的参数可以得到笔形束与模体表面交点（作用点）R₁（x₁,y₁,z₁） 的坐标，可以由用户给出的条件得到作用束的微分注量。

上述操作已得到入射作用束的微分注量信息，以下操作将获得笔核的信息：

根据作用点R₁（x₁,y₁,z₁）的坐标与沉积点R₂（x₂,y₂,z₂）的坐标，可得到两点间的物理 长度L。放射源原点为R₀（x₀,y₀,z₀），r₀₁和r₀₂分别代表R₀到R₁的距离和R₀到R₂的距离，以及 原射线径迹方向与r₀₁的夹角及R₁’（R₁在R₂所在XY平面的投影点）与R2连线方向与x轴之间 的夹角φ：

$L=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2+{(z_2-z_1)}^2}---\left(2\right)$

$r_{01}=\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2+{(z_0-z_1)}^2}---\left(3\right)$

$r_{02}=\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2}---\left(4\right)$

$\theta =\pi -\arccos \frac{{r_{01}}^2+L^2-{r_{02}}^2}{{2r}_{01}L}---\left(5\right)$

$\phi =\mathrm{arcs}\tan \frac{|y_2-y_1|}{|x_1-x_2|}---\left(6\right)$

然后可以通过三角关系得到沉积点在沿原射线径迹方向上到作用点的距离h及在垂直于 原射线径迹平面上的x及y值：

h=L*cosθ                                                   （7）

x=L*sinθ*cosφ                                             （8）

y=L*sinθ*sinφ                                             （9）

根据入射点与作用点的相对位置及两点之间的材料信息计算得到组织不均匀性及人体 曲面修正因子CF(r）

将上述数据带入到公式（1）中即可计算出当前点的能量沉积。

4.基于三维混合有限笔形束能量沉积核的光子能量沉积获取方法的输出结果，包含以 下内容：

全空间能量沉积分布信息。

5.计算实例，包含以下内容：

需要计算标称能量为6MV的光子，通过作用束（垂直于模体表面）对沉积点（0,20,20） 的能量沉积贡献（如图3所示）：

根据作用束的几何信息（方向垂直于模体表面、通过点（0，0，-100））可以得到作用 点R1的坐标（0,0,0），进而求得放射源R0（0，0，-100）到R1处的距离r₀₁=100cm，根据 （0，0，0）的相对微分注量得到R1处相对微分注量。

上述操作已得到微分比释总能的信息，以下操作将获得笔核的信息：

根据作用点R1的坐标（0,0,0）与沉积点R2的坐标（-20,0,20），可得到两点间的物 理长度L=28.2cm，θ=45°及φ=0°：代入公式（7）、（8）、（9）得到h=20cm、x=20cm、 y=0cm，然后将h，x，y及相对微分注量代入公式（1）即可得到该笔形束对计算点的能量沉 积，把所有笔形束对计算点的能量沉积加起来，就得到了该射束对计算点的能量沉积。

注：在这过程中，不同大小的笔形束对应于不同的笔核值。

如图3所示，射线笔形束从放射源R₀发出，经过作用点R₁进入模体并对沉积点R₂沉积能 量，S₀平面为经过作用点R₁且与笔形束垂直的平面，S₁平面为经过沉积点R₂且与笔形束垂直 的平面；沉积点R₂与笔形束的三维位置关系可以通过图2得到，其在Z轴上上与笔形束的关 系由h表征，在X、Y轴上与笔形束的关系由x、y表征。

计算公式如下：

D(r）=∑_sΦ(s）Π(r,s）·CF(r）                             （1）

其中Φ为入射粒子通量，由步骤1的a、c、d获得，根据测量得到的放射源的位置信 息及射野信息和测量得到的加速器附件电动多叶光栅在等中心平面的宽度信息，对射野进行 单元野划分，根据由用户勾画给出射线经过加速器附件电动多叶光栅在等中心平面形成的形 状对每个单元野的入射粒子通量予以赋值，电动多叶光栅未挡住的部分通量为1，挡住的部 分通量为光栅泄漏率；

Π为预先计算好的有限笔形束核，由步骤1的b获得，即利用反演的能谱信息和蒙卡程 序，根据电动多叶光栅在等中心平面的宽度，预先模拟得到该笔形束尺寸下的有限笔形束能 量沉积核数据，用于后续计算；

CF为组织不均匀性及人体曲面修正因子，由步骤1的e获得，本发明采用经典的Batho 修正方法和有效源皮距法来获得CF；

最后的计算结果就是计算点的能量沉积。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发 明的保护范围。