專(zhuān)利名稱(chēng)：重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法及其旋轉(zhuǎn)降能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及重離子及質(zhì)子治療中布拉格峰(Bragg峰)展寬的模型建立及參數(shù) 計(jì)算的方法。
背景技術(shù)：
-重離子及質(zhì)子是目前放射治療領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的最有效的粒子，這是因?yàn)樗哂酗@著優(yōu) 于其它普通射線如X射線的生物物理學(xué)特性(Kraft G Tumor therapy with heavy charged particles. Progress in particle and nuclear physics, 2000，45:s473-544)。荷能重離子貫穿耙物 質(zhì)時(shí)，主要是通過(guò)與耙原子核外電子的碰撞損失其能量，隨離子能量的降低，這種碰撞 的幾率增大。因此，離子在接近其射程末端時(shí)損失其大部分初始動(dòng)能，形成一個(gè)高劑量 的能量損失峰，這就是Bragg峰，在其射程末端之后，即Bragg峰之后很少有劑量吸收； 同時(shí)離子在其入射通道上損失的能量較小，因而形成一個(gè)相對(duì)低劑量的坪區(qū)。這就是重 離子束特有的倒轉(zhuǎn)深度劑量分布。利用這種倒轉(zhuǎn)的深度劑量分布可以將其Bragg峰區(qū)瞄 準(zhǔn)腫瘤，而使其前后及周?chē)慕】到M織受損很小。然而，腫瘤的大小通常要比Bragg峰 寬要寬，因此需要調(diào)節(jié)Bragg峰的位置，從而使峰區(qū)能夠覆蓋整個(gè)瘤區(qū)，使腫瘤均勻受 照。而離子束B(niǎo)ragg峰位的深度可以通過(guò)改變?nèi)肷潆x子束的能量來(lái)調(diào)節(jié)，因而治療時(shí) Bragg峰位可精確地調(diào)整在腫瘤靶區(qū)上。關(guān)于Bragg峰展寬的裝置，國(guó)外曾有報(bào)道利用可變水柱，二進(jìn)制過(guò)濾器，雙楔形可 變吸收裝置，環(huán)狀楔形吸收裝置(W.t. Chu^ B.A.Ludewigt， and T.R. Renner, instrumentation for treatment of cancer using proton and light-ion beams)以及楔形過(guò)濾器等來(lái)改變?nèi)肷潆x 子束的能量，從而實(shí)現(xiàn)Bragg峰位的深度調(diào)節(jié)即Bragg峰的展寬，前三種裝置對(duì)Bragg 峰進(jìn)行非連續(xù)的移動(dòng)，第四種裝置雖然能夠連續(xù)移動(dòng)Bragg峰，但未給出其設(shè)計(jì)參數(shù)的 計(jì)算方法，而第五種裝置雖然也能展寬Bragg峰，但不易做到平滑展寬。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，而提疾一種重離子及質(zhì)子治療中 Bragg峰展寬的計(jì)算方法及其旋轉(zhuǎn)降能裝置。本發(fā)明的目的可以通過(guò)采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，一種重離子及質(zhì)子治療中Bmgg峰 展寬的計(jì)算方法，其主要特點(diǎn)包括有如下步驟-A. 建立數(shù)學(xué)模型j[朋単兩;c + f v(關(guān))WH^ET[jc + f v(/>/,]^ = (0)其中T為布拉格峰(Bragg峰)移動(dòng)一個(gè)周期所用的時(shí)間；v(r)為Bragg峰移動(dòng)的 速度對(duì)時(shí)間的函數(shù)；z五roo為粒子通路x上的傳能線密度函數(shù)；及5五(i^r(x))為相對(duì) 生物學(xué)效應(yīng)，這里的數(shù)據(jù)引用的是UC"相對(duì)于X射線的V79細(xì)胞的10%存活的相對(duì)生 物學(xué)效應(yīng)；X為粒子注入深度；i)(/)為單位時(shí)間內(nèi)來(lái)自加速器的粒子數(shù)；函數(shù)》(x)為 Z e [O，r]時(shí)生物有效劑量分布，即為治癌所要求的Bragg峰展開(kāi)后的形態(tài)。B. 用蒙特卡羅法求解模型。C. 將上述計(jì)算結(jié)果A*=(ai' ， a2' ,a3',…，a *)作為設(shè)計(jì)重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰 展寬降能裝置的參數(shù)。所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，還包括其中D(,)為單位時(shí)間粒子通量；i^)為單位時(shí)間內(nèi)來(lái)自加速器的粒子能量通量； /,卿，力艦,絲雖斜好會(huì)匯。所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，還包括 當(dāng)D(r)為常數(shù)時(shí)，所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，還包括- "[o,r] (2)為Bragg峰移動(dòng)的距離時(shí)間函數(shù)。 由方程(1)和(2)得， 所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，還包括 W) = 5腦fif.~^——^——~~^~~5-2- (4)q .r+r15+fl2 *r2+"3 ':r其中歷t)^/為Bragg峰的預(yù)期展寬寬度，c^為待定參數(shù)(i-l,2,…,n)。 所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，還包括Bragg峰展寬區(qū)的 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差Reto￡fev = --{J^t[^x,)—丄15(x,)]2) (5)》")"1 " 1其中n為計(jì)算時(shí)Bragg展寬區(qū)所選計(jì)算用的點(diǎn)的數(shù)量。Relstdev: Bragg峰展寬區(qū)的 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差。所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，還包括步驟B用蒙特卡羅法 求解模型-利用蒙特卡羅(Monte carlo)法求出使相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差(Relstdev)為最小的待定系數(shù) a,.，其基本思想是:在估計(jì)的區(qū)域"ai，a2，…，a^laie(Ci，b0^1，2,…^內(nèi)隨機(jī)取若干實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，然后從試驗(yàn)點(diǎn)中找出最小點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的第i個(gè)分量ai服從[Ci，bi]內(nèi)的均勻分布。艮口a產(chǎn)Ci+R(bi—Ci) ， i=l,2，'"，n，其中Ci，bi為ai取值的下限和上限；R為一個(gè)
均勻分布的隨機(jī)數(shù)。設(shè)P-實(shí)驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)；MaxP:最大實(shí)驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)；Broad: Bragg峰展寬寬度；A、迭代產(chǎn)生的最優(yōu)點(diǎn){a,} ，i=l，2,"-,n,A:臨時(shí)產(chǎn)生的點(diǎn)UJ ，i=l,2，'"，n，Q:迭代產(chǎn)生的Relstdev()最小值,其初值為計(jì)算機(jī)所能表示的最大數(shù)， Min:給定的Relstdev()的最大取值。 對(duì)迭代步驟做進(jìn)一步的詳述步驟l:初始化:給定Broad, T， MaxP;P=0，Q大正數(shù)， 步驟2: P=P+1，步驟3:比較P與MaxP的大小，若P大于MaxP，退出迭代過(guò)程，輸出結(jié)果，否
則，隨機(jī)產(chǎn)生ai^i+R(bi—cO ， i=l，2,"-,n,步驟4:計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差Relstdev()，若Relstdev()大于Q，繼續(xù)步驟(2)，否貝U， A*=A,Q= RelstdevO，步驟5:比較Q與Mir^若Q大于Min，繼續(xù)步驟(2)，否則退出迭代過(guò)程，輸出 結(jié)果。步驟6:結(jié)果輸出輸出X',Q,P, 5(x)。一種重離子及質(zhì)子治療中Bra碟峰展寬的旋轉(zhuǎn)降能裝置，包括有電機(jī)(1)通過(guò)支 架G)固定，電機(jī)軸(2)通過(guò)在電機(jī)軸(2)上設(shè)有的鍵(7)與旋轉(zhuǎn)降能盤(pán)(6)固連， 其主要特點(diǎn)是在旋轉(zhuǎn)降能盤(pán)(6)的中部設(shè)有圓盤(pán)(61)，圓盤(pán)(61)的周?chē)鸀榻的鼙P(pán)(62)， 降能盤(pán)(62)的表面設(shè)有連續(xù)的曲面。所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的旋轉(zhuǎn)降能裝置，所述的降能盤(pán)(62)的 表面連續(xù)的曲面為函數(shù)現(xiàn)用函數(shù)將各部分結(jié)構(gòu)描述如下當(dāng)"[^2]時(shí)，;c = "cos(a) y = "sin(or) z = C + Cm"0)2'"其中，ae
)*D(o'Z￡r[x+ f v(o^]rff = <9(x) (o)其中T為布拉格峰(Bragg峰)移動(dòng)一個(gè)周期所用的時(shí)間(這里取T-ls); v(C為 Bragg峰移動(dòng)的速度對(duì)時(shí)間的函數(shù);； Z￡7^x)為粒子通路^上的傳能線密度函數(shù);， i^￡(￡￡7X^為相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)，這里的數(shù)據(jù)引用的是12<:6+相對(duì)于X射線的V79細(xì)胞 的10%存活的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)。x為粒子注入深度；D(r)為單位時(shí)間內(nèi)來(lái)自加速器的 粒子數(shù)；函數(shù)^")為fe
時(shí)生物有效劑量分布，即治癌所要求的Bragg峰展開(kāi)后的 置，其主要包含有 一感測(cè)(SENSOR)單元，其包含有一霍爾傳感器(HALL SENSOR), 所述的霍爾傳感器(HALL SENSOR)可于偵測(cè)到磁性尺時(shí)產(chǎn)生一方波信號(hào)；一信號(hào)顯示單元，其包含有一顯示組件，所述的顯示組件可顯示出所述的感測(cè) (SENSOR)單元的信號(hào)狀態(tài)；一信號(hào)輸出單元，其可將所述的感測(cè)(SENSOR)單元的信號(hào)轉(zhuǎn)換成一組Z及/Z信 號(hào)，以傳送至主機(jī)用于讀取測(cè)量。所述的磁性感應(yīng)尺感應(yīng)讀頭校正裝置，其特征在于所述的霍爾傳感器(HALL SENSOR)感應(yīng)到N極磁場(chǎng)時(shí)，所述的感測(cè)(SENSOR)單元輸出高(Hi)信號(hào)，而當(dāng)霍爾 傳感器(HALL SENSOR)感應(yīng)到S極磁場(chǎng)時(shí)，所述的感測(cè)(SENSOR)單元輸出低(Low) 信號(hào)。所述的磁性感應(yīng)尺感應(yīng)讀頭校正裝置，所述的信號(hào)顯示單元包含有一放大晶體 管，所述的放大晶體管可將所述的感測(cè)(SENSOR)單元的信號(hào)輸出到所述的顯示組 件，以驅(qū)動(dòng)所述的顯示組件變化。所述的磁性感應(yīng)尺感應(yīng)讀頭校正裝置，所述的顯示組件為一發(fā)光二極管組件。所述的磁性感應(yīng)尺感應(yīng)讀頭校正裝置，當(dāng)所述的感測(cè)(SENSOR)單元輸出高(Hi) 信號(hào)時(shí)，所述的發(fā)光二極管組件熄滅，所述的感測(cè)(SENSOR)單元輸出低(Low)信號(hào) 時(shí)，所述的發(fā)光二極管組件亮起。所述的磁性感應(yīng)尺感應(yīng)讀頭校正裝置，所述的信號(hào)輸出單元包含有一兩極反向 放大電路。所述的磁性感應(yīng)尺感應(yīng)讀頭校正裝置，所述的兩極反向放大電路包含一放大 器、 一準(zhǔn)位參考電源及一放大比率用電阻。本發(fā)明的有益效果是其利用所述的感測(cè)(SENSOR)單元的霍爾傳感器(HALL SENSOR)感應(yīng)磁場(chǎng)變化，當(dāng)所述的感應(yīng)讀頭進(jìn)入正確的有效感應(yīng)距離內(nèi)時(shí)，所述的 霍爾傳感器(HALL SENSOR)可輸出一信號(hào)；并驅(qū)動(dòng)所述的顯示組件變化，使用者不 需借助任何工具即可將所述的感應(yīng)讀頭安裝于正確位置上；且所述的顯示組件可為一發(fā)光二極管組件，當(dāng)感應(yīng)讀頭位于有效感應(yīng)距離內(nèi)， 沿著磁性尺方向位移時(shí)，所述的發(fā)光二極管組件可隨著磁性尺N或S極磁場(chǎng)的變化， 而不斷的產(chǎn)生明暗交替閃爍動(dòng)作，使用者可借助所述的發(fā)光二極管組件的閃爍動(dòng) 作，確認(rèn)所述的感應(yīng)讀頭處于正常讀取狀態(tài)；
利用蒙特卡羅(Monte carlo)法求出使相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差(Relstdev)為最小的待定系數(shù) 《(i=l，2,3)，見(jiàn)圖l，對(duì)迭代步驟做進(jìn)一步的詳述步驟1:初始化Broad, T, MaxP， Q為Broad=l, T-l ， MaxP=27000, Q=l 。當(dāng)^ e
， min=0.01時(shí)，步驟2: P = P+1，步驟3:比較P與MaxP的大小，若P大于MaxP,退出迭代過(guò)程，輸出結(jié)果，否 則，隨機(jī)產(chǎn)生arCi+R(bi—Ci) ， i-l,2,…，n,步驟4:計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差Relstdev()，若Relstdev()大于Q，繼續(xù)步驟(2)，否則， A*=A,Q= Relstdev();步驟5:比較Q與Mii^若Q大于Min，繼續(xù)步驟(2)，否則退出迭代過(guò)程，輸出 結(jié)果。步驟6:結(jié)果輸出輸出X'，Q，P， >9(x)。求得fl尸0.071627， af0.29017, a5=0.001832，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差為Relstedev=Q=0.012 通常當(dāng)相對(duì)誤差小于5%時(shí)就可以用于治療.。峰坪比為3.5。 因此可得，—0.071627"+ 5 +0.2901742 +0.00— 0.0716274++0.29017." +0.0018324 0.071627 +1 + 0.29017 + 0.001832 — 1.363629C.設(shè)備設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2， 一種重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的旋轉(zhuǎn)降能裝置，包括有電機(jī)1通 過(guò)支架3固定，電機(jī)軸2通過(guò)在電機(jī)軸2上設(shè)有的鍵7與旋轉(zhuǎn)降能盤(pán)6固連，其主要特 點(diǎn)是在旋轉(zhuǎn)降能盤(pán)6的中部設(shè)有圓盤(pán)61，圓盤(pán)61的周?chē)鸀榻的鼙P(pán)62，降能盤(pán)62的表面 設(shè)有連續(xù)的曲面。所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的旋轉(zhuǎn)降能裝置，所述的降能盤(pán)62的表 面連續(xù)的曲面為函數(shù)-<formula>formula see original document page 11</formula>這里，根據(jù)蘭州重離子加速器治癌終端為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，該終端束流直徑為45mm,這 里取A^6mm, r尸115mm， rfl75mm，因此，設(shè)計(jì)的展寬裝置降能區(qū)的徑向?qū)挾葹?。?^=60mm，大于45mm，這樣能保證束斑能落在整個(gè)降能區(qū)。所述的旋轉(zhuǎn)降能盤(pán)6的材 料為有機(jī)玻璃，因此0 =0.862。參數(shù)C根據(jù)加工條件選取，這里取理想值C＝O。 當(dāng)re[115,175]時(shí)，<formula>formula see original document page 12</formula>此實(shí)體為降能所使用的區(qū)域，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)粒子沿軸方向通過(guò)該區(qū)域，達(dá)到降能的 目的。此實(shí)體為降能盤(pán)62的區(qū)域，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)粒子沿軸方向通過(guò)該區(qū)域，達(dá)到降能的目 的。降能盤(pán)62表面為連續(xù)的曲面，0~兀/2， n—3::/2為上升曲面；Ji/2—or, 3 n/2 一2n為下降曲面。當(dāng)re[6/mM，115/M附)時(shí)，z = 10; w，其實(shí)體為旋轉(zhuǎn)降能盤(pán)6的中部設(shè)有的圓盤(pán)61， 起支撐轉(zhuǎn)子的作用。當(dāng)re(0,6附附)時(shí)，z-0m附，此孔為電機(jī)軸2與旋轉(zhuǎn)降能盤(pán)6連接孔，其作用是固 定轉(zhuǎn)子于轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上。在使用時(shí)，病人躺在圓盤(pán)下，束流線通過(guò)降能盤(pán)照射到人體癌細(xì)胞處。粒子沿軸方 向穿過(guò)變化的曲面體，旋轉(zhuǎn)降能盤(pán)6以大于150轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)。此值無(wú)需計(jì)算。展寬的結(jié)果見(jiàn)圖3，其中RBE為加入相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)的展寬結(jié)果，Physical為展寬 后物理劑量分布。Pristine為單能Bragg峰。展寬后的結(jié)果在圖中已歸一化，即，使入射能 量為相對(duì)值l。
權(quán)利要求
1.一種重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，其特征包括有如下步驟A.建立數(shù)學(xué)模型
2. 如權(quán)利要求1所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，其特征還包括竭=,其中D(O為單位時(shí)間粒子通量；F(O為單位時(shí)間內(nèi)來(lái)自加速器的粒子能量通量；J,。 ^^為到達(dá)降能設(shè)備處的單粒子能量。
3. 如權(quán)利要求2所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，其特征還包括當(dāng)D(O為常數(shù)時(shí)，
4. 如權(quán)利要求3所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，其特征還包括:s(/)=^v, ] (2)<0為Bragg峰移動(dòng)的距離時(shí)間函數(shù)； 由方程(1)和(2)得，<formula>formula see original document page 3</formula> (3)
5. 如權(quán)利要求4所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，其特征還包括<formula>formula see original document page 3</formula>(4)其中5raarf為Bragg峰的預(yù)期展寬寬度，a,為待定參數(shù)(i-l,2,* ，!!)。
6. 如權(quán)利要求1所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，其特征還包括Bragg峰展寬區(qū)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差<formula>formula see original document page 3</formula> (5)其中n為計(jì)算時(shí)Bragg展寬區(qū)所選計(jì)算用的點(diǎn)的數(shù)量。Relstdev: Bragg峰展寬區(qū)的 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差。
7. 如權(quán)利要求1所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，其特征還包括步驟B用蒙特卡羅法求解模型步驟l:初始化:給定Broad, T， MaxP;P=0,Q大正數(shù)； 步驟2: P=P+1;步驟3:比較P與MaxP的大小，若P大于MaxP，退出迭代過(guò)程，輸出結(jié)果，否 貝ij，隨機(jī)產(chǎn)生a尸Ci+R(bi—Ci) ， i=l,2，"'，n;步驟4:計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差RelstdevO，若Relstdev()大于Q，繼續(xù)步驟(2)，否貝U， A*=A,Q=Relstdev();步驟5:比較Q與Mir^若Q大于Min，繼續(xù)步驟(2)，否則退出迭代過(guò)程，輸出 結(jié)果；步驟6:結(jié)果輸出輸出X Q，P， 5(;c)。
8. —種重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的旋轉(zhuǎn)降能裝置，包括有電機(jī)(1)通過(guò)支架(3)固定，電機(jī)軸(2)通過(guò)在電機(jī)軸(2)上設(shè)有的鍵(7)與旋轉(zhuǎn)降能盤(pán)(6)固 連，其特征是在旋轉(zhuǎn)降能盤(pán)(6)的中部設(shè)有圓盤(pán)(61),圓盤(pán)(61)的周?chē)鸀榻的?盤(pán)(62)，降能盤(pán)(62)的表面設(shè)有連續(xù)的曲面。
9. 如權(quán)利要求8所述的重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的旋轉(zhuǎn)降能裝置，其特征是所述的降能盤(pán)(62)的表面連續(xù)的曲面為函數(shù) 柳二fv(w "[o,r]。
10.如權(quán)利要求9所述的重離子及質(zhì)子治療中Bra能峰展寬的旋轉(zhuǎn)降能裝置，其特征是 所述的旋轉(zhuǎn)降能盤(pán)(6)的材料為有機(jī)玻璃或其它固體材料。
全文摘要
本發(fā)明主要涉及重離子及質(zhì)子治療中布拉格峰(Bragg峰)展寬的模型建立及參數(shù)計(jì)算的方法。一種重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬的計(jì)算方法，其主要特點(diǎn)包括有如下步驟A.建立數(shù)學(xué)模型∫#-+[T]₀RBE(LET(x+∫#-+[T]₀ν(t)dt])·D(t)·LET[x+∫#-+[T]₀ν(t)dt]dt=θ(x)；B.用蒙特卡羅法求解模型；C.將上述計(jì)算結(jié)果A^*＝(a₁^*，a₂^*，a₃^*，…，a_n^*)作為設(shè)計(jì)重離子及質(zhì)子治療中Bragg峰展寬降能裝置的參數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，這一模型的建立可以實(shí)現(xiàn)Bragg峰的連續(xù)移動(dòng)，使Bragg峰展寬區(qū)水平平滑，實(shí)現(xiàn)在治癌過(guò)程中腫瘤區(qū)接收的能量達(dá)到完全均勻分布。
文檔編號(hào)A61N5/10GK101126814SQ20071001804
公開(kāi)日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月26日
發(fā)明者周清明, 紅 張, 強(qiáng) 李 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所