專利名稱：基于多算法的放射源反演方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于放射源反演與重建方法領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用體外測量的劑量信息可以反推源的信息就是源反演。源反演方法保證得到 正確的放射源信息——包括電子能譜、質(zhì)子能譜、光子能語、光子污染等信息，這 為了精確了解放射源的射線成分構(gòu)成提供了重要保證。
精確的放射源信息是提高輻射劑量計(jì)算精度的重要參數(shù)，不管是蒙特卡羅模擬 或者解析劑量計(jì)算，放射源信息都起到重要作用。目前，獲取放射源信息的途徑主 要有三種，其一是蒙特卡羅模擬源，但要根據(jù)具體源建立準(zhǔn)確幾何和物理模型，缺 乏靈活性；其二釆用康普頓散射儀(Compton Scatter Spectrometer)等實(shí)驗(yàn)測量，但耗 費(fèi)大不便于測量，并且所得結(jié)果因不能得到光子污染情況而不能應(yīng)用于劑量計(jì)算； 最后是利用體外測量劑量數(shù)據(jù)——如測量水箱中的百分深度劑量(Percentage Depth Dose, PDD)曲線反演能語，這種方法簡單，可操作性強(qiáng)；只要建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模 型就可以實(shí)現(xiàn)，而且PDD曲線的測量，普通的輻射測量設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)。在利用PDD 反演能譜中，本專利的方法測試表明了本專利的正確性與可靠性，并同時表明忽略 了光子污染的能i普反演所得到的能譜是錯誤的。傳統(tǒng)方法忽略了光子污染，并且方 法單一，不能保證所得放射源信息的正確性。本專利將通過發(fā)展新方法實(shí)現(xiàn)精確多 算法的多種放射源反演，主要實(shí)現(xiàn)重建放射源的光子能譜、質(zhì)子能譜、電子能諳與 光子污染等多種放射源信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于多算法的放射源反演方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
基于多算法的放射源反演方法，其特征在于通過如下步驟實(shí)現(xiàn)
第 一步，獲得單能深度劑量曲線PPD，單能深度劑量曲線是通過國際公開使用 的蒙特卡羅(例如EGSnrc )等程序模擬單向垂直入射水箱或者其他測量介質(zhì)的放射源一一放射源包括放射性同位素產(chǎn)生的a、 p、 Y射線，以及各類X射線機(jī)或由加 速器產(chǎn)生的X射線、電子線、質(zhì)子束等，在10cmxl0cm射野或者其他射野大小能 量沉積獲得一一由于電子平衡的影響，射野較大會更好，而小野會帶來一定的計(jì)算 誤差；能量間隔從0到60MeV或者更大能量；
第二步，利用三維水箱或者其他測量介質(zhì)測量獲取百分深度劑量曲線把放射 源機(jī)頭和機(jī)架角度調(diào)整到0度，水箱或者其他測量介質(zhì)放置在水平地面，中心點(diǎn)與 機(jī)頭中心點(diǎn)連線垂直于水平地面，機(jī)頭開野大小設(shè)置為10cmxlOcm射野或者其他射 野大小^~一由于電子平衡的影響，射野較大會更好，而小野會帶來一定的計(jì)算誤差； 利用放射源的電離室探頭或者其他測量儀器按照一定的深度間隔掃描；
第三步，放射源反演；
(3)采用如下的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)
ct為均方才艮i吳差(Root Mean Squared Error); m為用于擬合時的測量PDD數(shù)據(jù)個數(shù)； W+4為需要擬合的系數(shù)個數(shù)；N為能群的個數(shù)； i^￡,， ^為能量為五,的深度劑量曲線；
能語為《￡) = I";其中a可以是常系數(shù)也可以是帶有待定系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式; z)c為歸一化系數(shù)；
//p為伴隨射線入射的高能散射光平均衰減系數(shù)； /4為在軔致輻射光子和次級光子衰減系數(shù)；
其中，
為根據(jù)反演出來的能譜重建出來的PDD曲線;v為與入射表面劑量有關(guān)的系數(shù)。
(4)放射源信息反演通過利用傳統(tǒng)成熟的非線性反演算法包括Cl: Levenberg-Marquardt; C2: Quasi-Newton; C3: Gradient; C4: Conjugate-Gradient; C5: Newton; C6: Principal-Axis; C7: NMinimize等算法，根據(jù)已知的測量PDD 曲線D(z)和單能PDD曲線D(E,z)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合求得能譜以及光子污染分布函
數(shù)尸(z)-化(f z—w—
第四步，多算法結(jié)果比較；根據(jù)以上提到的反演算法的計(jì)算結(jié)果能譜與光子污染， 以及對應(yīng)的均方根誤差，綜合評價(jià)最優(yōu)的計(jì)算結(jié)果；綜合評價(jià)方法如下
測量PDD與根據(jù)反演所得能謙反演計(jì)算"向?qū)Ρ?；選取計(jì)算D"與測量PDD在"建 成"區(qū)附近的均方根誤差比較小，采用公式(l)計(jì)算誤差，并且總的均方根誤差比較 小的計(jì)算結(jié)果；
第五步，最優(yōu)結(jié)果輸出與顯示；將以上比較的最優(yōu)結(jié)果同時以圖像以及數(shù)據(jù)的形式 輸出。
所述的計(jì)算結(jié)果，其特征在于具有同時實(shí)現(xiàn)重建多種放射源能語與光子污染一 一放射源包括放射性同位素產(chǎn)生的a、卩、Y射線，以及各類X射線機(jī)或由加速器 產(chǎn)生的X射線、電子線、質(zhì)子束等。
所述的計(jì)算結(jié)果，其特征在于采用多種算法實(shí)現(xiàn)，并能夠選取最優(yōu)的放射源。
所述的計(jì)算結(jié)果，其特征在于能重建多種》文射源能語的同時，還可以獲得光子 污染等信息。
所述的計(jì)算結(jié)果，其特征在于可以獲得離散的或者連續(xù)的能譜與光子污染信息。 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，本專利可以得到高精度的放射源信息——光子能語、質(zhì)子能鐠、 電子能譜與光子污染等多種》文射源信息。
使用本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1)可同時實(shí)現(xiàn)重建放射源的光子能譜、電子能語、質(zhì)子能譜與光子污染等多種放 射源信息；
7(2) 克服傳統(tǒng)能譜計(jì)算方法不能獲得精確多種放射源信息的缺點(diǎn)；
(3) 獲得精確的放射源能譜的同時，還可以獲得光子污染等信息。為劑量計(jì)算提供 正確的放射源信息；
(4) 可以獲得離散的或者連續(xù)的能譜與光子污染能譜信息；
(5) 采用多種算法實(shí)現(xiàn)精確的放射源，克服傳統(tǒng)單一算法不能保證能譜反演有解的 問題。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖2是測量PDD的測量幾何模型；
圖3是電子能譜反演輸入測量電子PDD曲線；
圖4是電子能譜反演結(jié)果與原能譜(點(diǎn)線)的對比；
圖5是光子能i瞽反演輸入測量光子PDD曲線
圖6是光子能譜反演結(jié)果與原能譜(點(diǎn)線)的對比。
具體實(shí)施例方式
基于多算法的放射源反演方法
實(shí)例1:以Varian2100放射源(電子加速器)輸出的20MeV電子源為例。
第一步，獲得單能深度劑量曲線PPD，作為單能PPD數(shù)據(jù)庫；單能深度劑量曲 線是通過國際公開使用的蒙特卡羅程序EGSnrc模擬單向垂直入射的射線在 10cmxlOcm射野能量沉積獲得，能量間隔從O到60MeV，能量間隔為0.25MeV;
利用三維水箱測量獲取測量PDD ，如圖2為測量模型。利用自動水箱測量Varian 加速器PDD曲線把放射源的機(jī)頭和機(jī)架角度調(diào)整到0度，水箱放置在水平地面， 水箱中心點(diǎn)與機(jī)頭中心點(diǎn)連線垂直于水平地面。機(jī)頭射野大小設(shè)置為10cmxlOcm。 利用電離室探頭按照取0.125cm深度間隔掃描，得到如圖3的測量PDD曲線。
第二步，放射源反演。運(yùn)行基于公式(1)的數(shù)學(xué)模型的程序(計(jì)算步驟如圖1)， 反演得到能鐠、光子污染函數(shù)以及對應(yīng)均方根誤差。并通過選擇不同的算法，得到 不同算法對應(yīng)的能譜、光子污染函數(shù)以及對應(yīng)的均方根誤差。(1) 放射源的能譜與光子污染信息，采用如下的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)
M" o"= -^-f [D'(z,)-DO,)]2 (1)
其中，
D'0》為根據(jù)反演出來的能譜重建出來的PDD曲線；
w , —i i , i 、
,=i V 乂
為均方才艮"i吳差(Root Mean Squared Error); w為用于擬合時的測量PDD數(shù)據(jù)個數(shù)； iV+4為需要擬合的系數(shù)個數(shù)；N為能群的個數(shù)； D(E,， z)為能量為Ei的深度劑量曲線；
能語為辨￡) = |",|;其中化可以是常系數(shù)也可以是帶有待定系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，本例子 采用常系數(shù)；
Dc為歸一化系數(shù)；
化為伴隨射線入射的高能散射光平均衰減系數(shù)； /4為軔致輻射光子和次級光子衰減系數(shù)； v為與入射表面劑量有關(guān)的系數(shù)。
(2) 放射源信息反演本例通過利用傳統(tǒng)成熟的非線性反演算法包括Cl: Levenberg-Marquardt; C2: Quasi-Newton; C3: Gradient; C4: Conjugate-Gradient; C5: Newton; C6: Principal-Axis; C7: NMinimize算法，根據(jù)已知的測量PDD 曲線D(z)和單能PDD曲線D(E,z),進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合求得能譜以及光子污染分布函
第三步，根據(jù)均方根誤差，選擇最優(yōu)的計(jì)算結(jié)果。
第四步，最優(yōu)結(jié)果輸出與顯示。如圖表1與圖4所示，其中Cl算法的結(jié)果為最優(yōu) 結(jié)果。表1是反演參數(shù)。
表l
其中，第一欄的"c、沖、/4和r值是根據(jù)原光子污染函數(shù)的擬合結(jié)果
計(jì)算
Dc //p 〃e V " 時間
0.07639 0.040360.41680.907915 — (s)
Cl〇-04350000.00361,121
C20.04362.50x10-90.00031 ..00081630， 00366.839
C30.04331.0.000280,.00160090，003731.585
C40，04331.0.000120..00138420-00388.853
C50.0693。.0370790.721090.713388 ，000149.844
C6——————
C70.072710.0402760.419500， 90541.67x10-632.647
實(shí)例2:
以Varian2100放射源(電子加速器打乾產(chǎn)生的光子束)輸出的6MV光子源為例。
第一步，在實(shí)例1的基礎(chǔ)上，把圖3的平行源改為光子點(diǎn)源入射，用戶輸入的 測量PDD曲線見圖5，其他^^莫型參數(shù)不變。第二步到第四步與實(shí)例1的步驟一致。 輸出的光子能譜結(jié)果見圖6,其中Cl/C2/C3/C6的算法結(jié)果較好，而Cl算法的結(jié)果 為最優(yōu)結(jié)果。
制作原理用戶利用三維水箱測量獲取PDD。利用自動水箱或者其他介質(zhì)測量放射 源PDD曲線把放射源機(jī)頭和機(jī)架角度調(diào)整到0度，水箱或者其他介質(zhì)放置在水 平地面，測量裝置中心點(diǎn)與放射源機(jī)頭中心點(diǎn)連線垂直于水平地面。放射源機(jī)頭開
野大小設(shè)置為10cmxl0cm或者其他射野大'J---由于電子平衡的影響，射野較大會
更好，而小野會帶來一定的計(jì)算誤差。利用電離室探頭或者其他探測器按照一定的深度間隔掃描一_深度間隔可以根據(jù)用戶具備的電離室條件調(diào)整。用戶將所得的 PDD數(shù)據(jù)按照"第一列是坐標(biāo)值，第二列是對應(yīng)的PDD值"格式作為輸入文件； 然后，運(yùn)行本方法分析程序，即可輸出最優(yōu)的放射源信息一_光子能譜、或者質(zhì)子 能譜、或者電子能譜與光子污染等還有其他放射源信息。
權(quán)利要求
1. 基于多算法的放射源反演方法，其特征在于通過如下步驟實(shí)現(xiàn)第一步，獲得單能深度劑量曲線PPD，單能深度劑量曲線是通過國際公開使用的蒙特卡羅(例如EGSnrc)等程序模擬單向垂直入射水箱或者其他測量介質(zhì)的放射源——放射源包括放射性同位素產(chǎn)生的α、β、γ射線，以及各類X射線機(jī)或由加速器產(chǎn)生的X射線、電子線、質(zhì)子束等，在10cmx10cm射野或者其他射野大小能量沉積獲得——由于電子平衡的影響，射野較大會更好，而小野會帶來一定的計(jì)算誤差；能量間隔從0到60MeV或者更大能量；第二步，利用三維水箱或者其他測量介質(zhì)測量獲取百分深度劑量曲線把放射源機(jī)頭和機(jī)架角度調(diào)整到0度，水箱或者其他測量介質(zhì)放置在水平地面，中心點(diǎn)與機(jī)頭中心點(diǎn)連線垂直于水平地面，機(jī)頭開野大小設(shè)置為10cmx10cm射野或者其他射野大小——由于電子平衡的影響，射野較大會更好，而小野會帶來一定的計(jì)算誤差；利用放射源的電離室探頭或者其他測量儀器按照一定的深度間隔掃描；第三步，放射源反演；(1)采用如下的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)其中，D′(zj)為根據(jù)反演出來的能譜重建出來的PDD曲線；σ為均方根誤差(Root Mean Squared Error)；m為用于擬合時的測量PDD數(shù)據(jù)個數(shù)；N+4為需要擬合的系數(shù)個數(shù)；N為能群的個數(shù)；D(Ei，z)為能量為Ei的深度劑量曲線；能譜為Φ(E)＝|ai|；其中ai可以是常系數(shù)也可以是帶有待定系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式；Dc為歸一化系數(shù)；μp為伴隨射線入射的高能散射光平均衰減系數(shù)；μe為在軔致輻射光子和次級光子衰減系數(shù)；v為與入射表面劑量有關(guān)的系數(shù)。(2)放射源信息反演通過利用傳統(tǒng)成熟的非線性反演算法包括C1Levenberg-Marquardt；C2Quasi-Newton；C3Gradient；C4Conjugate-Gradient；C5Newton；C6Principal-Axis；C7NMinimize等算法，根據(jù)已知的測量PDD曲線D(z)和單能PDD曲線D(E，z)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合求得能譜以及光子污染分布函數(shù)第四步，多算法結(jié)果比較；根據(jù)以上提到的反演算法的計(jì)算結(jié)果能譜與光子污染，以及對應(yīng)的均方根誤差，綜合評價(jià)最優(yōu)的計(jì)算結(jié)果；綜合評價(jià)方法如下測量PDD與根據(jù)反演所得能譜反演計(jì)算D(z)對比；選取計(jì)算D(z)與測量PDD在“建成”區(qū)附近的均方根誤差比較小，采用公式(1)計(jì)算誤差，并且總的均方根誤差比較小的計(jì)算結(jié)果；第五步，最優(yōu)結(jié)果輸出與顯示；將以上比較的最優(yōu)結(jié)果同時以圖像以及數(shù)據(jù)的形式輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多算法的放射源反演方法，其特征在于所述的計(jì)算結(jié)果，具有同時實(shí)現(xiàn)重建多種放射源能譜與光子污染__放射源包括放射性同位素產(chǎn)生的a、 p、 Y射線，以及各類X射線機(jī)或由加速器產(chǎn)生的X射線、電子線、質(zhì)子束等。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多算法的放射源反演方法，其特征在于所述的計(jì)算結(jié)果，釆用多種算法實(shí)現(xiàn)，并能夠選取最優(yōu)的放射源。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于多算法的放射源反演方法，其特征在于所述的計(jì)算結(jié)果，能重建多種放射源能譜的同時，還可以獲得光子污染等信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多算法的放射源反演方法，其特征在于所述的計(jì)算結(jié)果，可以獲得離散的或者連續(xù)的能譜與光子污染信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種放射源反演方法。即利用水箱或者其他輻射劑量學(xué)測量設(shè)備測得PDD曲線，通過本方法反演得到高精度的放射源信息——光子能譜，或者質(zhì)子能譜，或者電子能譜與光子污染等放射源信息。使用本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)可同時實(shí)現(xiàn)重建放射源的光子能譜、電子能譜、質(zhì)子能譜與光子污染等多種放射源信息；克服傳統(tǒng)能譜計(jì)算方法不能獲得精確多種放射源信息的缺點(diǎn)；獲得精確的放射源能譜的同時，還可以獲得光子污染等信息；為劑量計(jì)算提供正確的放射源信息；可以獲得離散的或者連續(xù)的能譜與光子污染能譜信息；采用多種算法實(shí)現(xiàn)精確的放射源，克服傳統(tǒng)單一算法不能保證能譜反演有解的問題。
文檔編號G01T1/00GK101477205SQ20091011611
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月22日
發(fā)明者蘭海洋, 吳宜燦, 耀 孟, 鋼 宋, 貴 李, 鄭華慶 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)