專利名稱：一種測量醫(yī)用加速器光子束能譜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及放射治療中醫(yī)用加速器的光子束能譜的測定方法，這些能譜數(shù)據(jù)的測定是光子束精確放射治療技術(shù)的基礎(chǔ)。
背景技術(shù)：
放射治療是醫(yī)治癌癥的主要手段之一，為進一步提高放射治療的治愈率，發(fā)展以精確控制射線束劑量為特征的新一代放射治療技術(shù)是關(guān)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(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，作簡單的人體密度修正即估算出光子束在人體中的劑量，并不需要光子能譜數(shù)據(jù)，但是這種方法對適形和調(diào)強放射治療這樣的精確放射治療技術(shù)來說會產(chǎn)生較大誤差，是不可接受的。為了實現(xiàn)將光子束的高劑量準確投放在靶區(qū)(腫瘤)，必須測定在加速器準直系統(tǒng)出口處(加速器頭)的光子束能譜。這是因為對于標稱能量為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(nèi)的鎢板上產(chǎn)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(yīng)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(zhì)的區(qū)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(xiàn)光子束精確放射治療的一個必要條件。傳統(tǒng)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(tǒng)相當復(fù)雜，價格也很昂貴，測量系統(tǒng)對醫(yī)用加速器治療病人的現(xiàn)場布局有很大的影響，而且測量工作費時又干擾臨床治病，費時費力，是醫(yī)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(xiàn)光子束精確放射治療技術(shù)的一個關(guān)鍵因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測量簡便、成本低的測量醫(yī)用加速器光子束能譜的方法。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。其步驟如下a、測量醫(yī)用加速器準直系統(tǒng)出口處光子束在三維水箱中的劑量分布數(shù)據(jù)；b、應(yīng)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(shù)據(jù)；c、建立單能光子束在水中劑量分布數(shù)據(jù)、光子束能譜和測量的劑量數(shù)據(jù)之間的線性方程組；d、通過測量光子束在水模中劑量數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)輸入到放射治療計劃系統(tǒng)。
本發(fā)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(shù)方法。即應(yīng)用一臺三維水箱測量光子束在三維水箱中的劑量分布，然后從這些劑量分布數(shù)據(jù)便可取得光子束能譜數(shù)據(jù)，測量快捷、簡便。三維水箱是現(xiàn)代放射治療醫(yī)療單位的必備設(shè)備之一。因此，利用本發(fā)明的結(jié)果，醫(yī)院方面即可免除購買專門測量光子能譜的設(shè)備，使測量成本降低。同時，由于去掉了應(yīng)用光子能譜儀測量光子束能譜的醫(yī)療環(huán)節(jié)，從而簡化了光子束放射治療的流程。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖；圖2為由美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)家學(xué)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(fā)明用Monte Carlo法計算6MeV單能光子束在水中劑量分布的數(shù)據(jù)；圖4是本發(fā)明得到的18MV醫(yī)用加速器的能譜。
具體實施例方式
一種測量醫(yī)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(yī)用加速器準直系統(tǒng)出口處光子束在三維水箱中的劑量分布數(shù)據(jù)；具體做法是①調(diào)整醫(yī)用加速器頭內(nèi)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(shù)據(jù)；具體做法是①設(shè)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)]]>由于加速器光子的能量是從0到E的一個連續(xù)譜，當將光子束能區(qū)分為n個間隔時，如果間隔數(shù)n很大，則每個間隔內(nèi)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(qū)的光子總數(shù)就可以代表這個能區(qū)的光子的能譜，將其記為Ψ(Ei)，或簡寫成Ψi，全部n個能區(qū)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(shù)據(jù)、光子束能譜和測量的劑量數(shù)據(jù)之間的線性方程組；由于每一個測量深度zi處的光子劑量，都是由n種單能光子產(chǎn)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)Ψ(E1)Ψ(E2)...Ψ(En)=d(z1)d(z2)...d(zn)---(2)]]>形式上可以寫為DΨ→=d→---(3)]]>第四步，通過劑量計測量光子束在水模中的劑量數(shù)據(jù)，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Ψ→=D-1d→,]]>因為D是一個病態(tài)矩陣，用逆矩陣方法會得到不正確結(jié)果，有可能取得高頻振蕩的非物理結(jié)果。在本發(fā)明中我們提出一種新方法可取得正確可用的結(jié)果。其步驟如下①用近似方程(4)代替方程(3)
FΨ→=(D+αI)Ψ→=d→---(4)]]>這里I是單位矩陣，Ii ，j＝δi，j，δi，j是Kronecker符號，α是一個正數(shù)可調(diào)節(jié)參數(shù)，當α很小時，方程(4)就趨近方程(3)，由于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(tài)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(shù)作為初始α0(α的迭代初值)，由于F的病態(tài)性已得到克服，因此在能譜滿足||DΨ→-d→||<δ]]>精度條件下，可以重新用逆矩陣法求得Ψ→0=(D+α0I)-1d→;]]>③計算誤差Δ0=||DΨ→0-d→||]]>如果Δ0＞δ，則選擇一個更小的α1。重復(fù)上述計算過程，直到第m次，使得選擇的αm所取得Ψ→m=(D+αmI)-1d→,]]>能使Δm=||DΨ→m-d→||<δ]]>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 儲存于數(shù)據(jù)庫儲⑤要計算光子束劑量時，可以調(diào)用這些光子能譜數(shù)據(jù)對病人實施照射前，醫(yī)生將這些光子束能譜數(shù)據(jù)輸入到放射治療計劃系統(tǒng)。而放射治療計劃系統(tǒng)應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，就能夠提供光子束在病人體內(nèi)精確的劑量分布信息。
為了更進一步清楚說明本發(fā)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(yīng)用上述本發(fā)明方法的基礎(chǔ)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(yī)用加速器，按照本發(fā)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(shù)據(jù)(見圖2)。按照本發(fā)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(shù)據(jù)(見圖3)。按照本發(fā)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(shù)據(jù)之間關(guān)系的線性方程組；按照本發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)輸入到放射治療計劃系統(tǒng)。對病人實施照射時，放射治療計劃系統(tǒng)應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，提供光子束在病人體內(nèi)精確的劑量分布信息。
權(quán)利要求
1.一種測量醫(yī)用加速器光子束能譜的方法，具有下述步驟第一步，測量醫(yī)用加速器準直系統(tǒng)出口處光子束在三維水箱中的劑量分布數(shù)據(jù)；具體做法是①調(diào)整醫(yī)用加速器頭內(nèi)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(shù)據(jù)；具體做法是①設(shè)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)]]>由于加速器光子的能量是從0到E的一個連續(xù)譜，當將光子束能區(qū)分為n個間隔時，如果間隔數(shù)n很大，則每個間隔內(nèi)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(qū)的光子總數(shù)就可以代表這個能區(qū)的光子的能譜，將其記為Ψ(Ei)，或簡寫成Ψi，全部n個能區(qū)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(shù)據(jù)、光子束能譜和測量的劑量數(shù)據(jù)之間的線性方程組；由于每一個測量深度zi處的光子劑量，都是由n種單能光子產(chǎn)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)Ψ(E1)Ψ(E2)...Ψ(En)=d(z1)d(z2)...d(zn)---(2)]]>形式上可以寫為DΨ→=d→---(3)]]>第四步，通過劑量計測量光子束在水模中的劑量數(shù)據(jù)，求解線性方程組，獲得光子束的能譜；由于D可能是病態(tài)矩陣，用本發(fā)明中我們提出一種新方法取得有用結(jié)果，其步驟如下①用近似方程(4)代替方程(3)FΨ→=(D+αI)Ψ→=d→---(4)]]>這里I是單位矩陣，Ii，j＝δi，j，δi，j是Kronecker符號，α是一個正數(shù)可調(diào)節(jié)參數(shù)，當α很小時，方程(4)就趨近方程(3)，由于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(tài)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(shù)作為初始α0(α的迭代初值)，由于F的病態(tài)性已得到克服，因此在能譜滿足||DΨ→-d→||<δ]]>精度條件下，可以重新用逆矩陣法求得Ψ→0=(D+α0I)-1d→;]]>③計算誤差Δ0=||DΨ→-d→||.]]>如果Δ0＞δ，則選擇一個更小的口α1重復(fù)上述計算過程，直到第m次，使得選擇的αm所取得Ψ→m=(D+αmI)-1d→,]]>能使Δm=||DΨ→m-d→||<δ]]>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 儲存于數(shù)據(jù)庫儲⑤臨床上要計算光子束劑量時，可以調(diào)用這些光子能譜數(shù)據(jù)至放射治療計劃系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量醫(yī)用加速器光子束能譜的方法，步驟如下a.測量醫(yī)用加速器準直系統(tǒng)出口處光子束在三維水箱中的劑量分布，取得數(shù)據(jù)；b.應(yīng)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(shù)據(jù)；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(shù)據(jù)之間的線性方程組；d.通過測量光子束在水模中劑量數(shù)據(jù)，應(yīng)用可取得結(jié)果的光子束能譜加權(quán)算法，求解線性方程組可獲得光子束的能譜；本發(fā)明優(yōu)點是只需測量光子束在水箱中的劑量分布，再用本發(fā)明的軟件便可到得光子束能譜數(shù)據(jù)，使用快捷簡便；各放療單位都有放療水箱，本發(fā)明可使醫(yī)院免購測量光子能譜設(shè)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(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)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