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1、(10)申请公布号 CN 102426377 A (43)申请公布日 2012.04.25 CN 102426377 A *CN102426377A* (21)申请号 201110262719.9 (22)申请日 2011.09.06 G01T 1/02(2006.01) (71)申请人 中国科学院合肥物质科学研究院 地址 230031 安徽省合肥市蜀山湖路 350 号 (72)发明人 李贵 郑华庆 孙光耀 吴宜灿 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 顾炜 卢纪 (54) 发明名称 一种三维剂量反演方法 (57) 摘要 一种三维剂量反演方法， 是一种利用。
2、模体外 部测量得到的二维剂量反演得到模体内部的三维 剂量， 并通过剂量引导计划保证照射剂量与计划 剂量一致的技术。 可用于核物理、 核技术及应用等 多学科交叉领域中关于辐射剂量计算、 三维剂量 测量、 剂量学验证与质量保证方向。本发明优点 是可以精确快速的获取被照射模体体内的三维剂 量， 克服了传统点测量或者二维测量难以反映模 体内部的三维剂量缺点 ； 另外， 通过实时剂量重 建的误差反馈， 控制放射源的通量， 引导放射源按 照计划进行质量保证的精确照射， 从而实现精确 引导照射计划的实施。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页。
3、 说明书 4 页 附图 2 页 CN 102426384 A1/2 页 2 1. 一种三维剂量反演方法， 其特征在于实现步骤如下 ： (1) 二维平面透射剂量测量 ： 放射源与二维剂量探测器的中心点垂直， 并且位置相对 不变， 可围绕着等中心点旋转 ； 然后将模体放置三维床上， 其中三维床可以沿着三维坐标方 向运动 ； 按照计划通量照射部分的计划剂量， 利用二维剂量探测器测量得到射线穿过被照 射模体后的二维平面透射剂量 ； (2) 外轮廓线函数提取 ： 根据步骤 (1) 得到的二维平面透射剂量， 提取所述二维平面透 射剂量的外轮廓线函数 F(r ) ； (3) 重建通量 ： 根据步骤 (1) 。
4、测量得到的二维平面透射剂量， 以及步骤 (2) 所得的外轮 廓线函数 F(r )， 采用三维剂量反演模型计算得到重建通量 ； 所述三维剂量反演模型的数 学表达如下 ： Min ST ： 其中， Min ： 反演算法中的最小目标值 ； ST ： 约束条件 ； ： 平均误差 ； M ： 测量的数据点个数 ； Emax： 放射源的最大能量 ； (r， z) ： 柱坐标系下的三维坐标， r 为径向方向， z 为深度方向 ； r ： 积分变量 ； rc： 源到等中心面的径向坐标 ； 其中， 等中心面为等中心点所在的与水平面平行的面 ； h ： 源到二维平面透射剂量所在平面的距离 ； D(r， z) ： 。
5、三维重建剂量 ； D(r， h) ： 离源距离为 h 的二维重建剂量 ； D (r， h) ： 测量的离源距离为 h 的二维剂量， 即步骤 (1) 的二维平面透射剂量 ； CF： 非均匀介质相对于纯水的修正因子 ； p(E， r) ： 笔形束核函数， 采用蒙特卡罗模拟计算放射源在能量为 E 情况下， 纯水中有限 小射野情况下的三维剂量， 即获得该函数 ； p(E， r-r) ： 表示笔形束核函数在能量为E情况 下， 点为 (r-r ) 的分布 ； (E， rc) ： 在等中心面上， 坐标点为 rc， 能量为 E 的重建通量 ； 根据步骤 (1) 测量得到的二维平面透射剂量 D(r， h)， 采。
6、用反演算法求解等式 (1) 与 等式 (2) 即可获得重建通量 (E， rc) ； (4) 重建剂量 ： 根据步骤 (3) 计算得到的 (E， rc) 重新代入等式 (2)， 进行积分求解， 即得到三维重建剂量 D(r， z) ； (5) 剂量引导计划的质量保证 ： 将步骤 (4) 所得到的三维重建剂量与计划剂量进行比 较， 判断误差分布是否在可允许的范围内， 如果不满足， 则重新调整计划通量， 保证计划通 权 利 要 求 书 CN 102426377 A CN 102426384 A2/2 页 3 量与步骤 (3) 的重建通量一致 ； 采用步骤 (3) 的重建通量， 照射剩余的计划剂量， 最。
7、终保证 照射剂量与计划剂量尽可能一致。 权 利 要 求 书 CN 102426377 A CN 102426384 A1/4 页 4 一种三维剂量反演方法 技术领域 0001 本发明涉及一种三维剂量反演方法， 涉及核物理、 核技术及应用等多学科交叉领 域中关于辐射剂量计算、 三维剂量测量、 剂量学验证与质量保证方向等。 背景技术 0002 在辐射剂量计算中， 传统的方法因为缺乏实际通量的获取， 因而其计算结果可能 与实际情况不一致。在对实际模体的实施照射过程中， 现有的测量设备难以获取实际放射 源的通量， 一般采用模拟或者估算的方法实现， 从而难以应用于实际情况 ； 或者采用无模体 照射情况下。
8、测量获取放射源的通量再进行辐射剂量计算实现， 但这种情况下并不能反映实 际复杂模体的照射情况的三维剂量。 另外， 在剂量学测量与剂量学验证方面， 传统采用的简 单剂量学测量设备与验证方法， 包括胶片、 热释光、 电离室、 非晶硅平板等测量设备属于二 维或者点剂量测量与剂量学验证， 也难以用于真实模体的三维剂量测量与剂量学验证。 发明内容 0003 本发明目的在于提供一种三维剂量反演方法， 能够精确实现被照射模体的三维剂 量测量， 并能保证实施剂量与计划剂量尽可能一致， 实现剂量引导计划的质量保证。 0004 本发明所采用的技术方案 ： 一种三维剂量反演方法， 实现如下 ： 0005 (1) 二。
9、维平面透射剂量测量 ： 放射源与二维剂量探测器的中心点垂直， 并且位置 相对不变， 可围绕着等中心点旋转 ； 然后将模体放置三维床上， 其中三维床可以沿着三维坐 标方向运动 ； 按照计划通量照射部分的计划剂量， 利用二维剂量探测器测量得到射线穿过 被照射模体后的二维平面透射剂量 ； 0006 (2) 外轮廓线函数提取 ： 根据步骤 (1) 得到的二维平面透射剂量， 提取所述二维平 面透射剂量的外轮廓线函数 F(r ) ； 0007 (3) 重建通量 ： 根据步骤 (1) 测量得到的二维平面透射剂量， 以及步骤 (2) 所得的 外轮廓线函数 F(r )， 采用三维剂量反演模型计算得到重建通量 ；。
10、 所述三维剂量反演模型 的数学表达如下 ： 0008 Min 0009 ST ： 0010 其中， 0011 Min ： 反演算法中的最小目标值 ； 0012 ST ： 约束条件 ； 0013 ： 平均误差 ； 0014 M ： 测量的数据点个数 ； 0015 Emax： 放射源的最大能量 ； 说 明 书 CN 102426377 A CN 102426384 A2/4 页 5 0016 (r， z) ： 柱坐标系下的三维坐标， r 为径向方向， z 为深度方向 ； 0017 r ： 积分变量 ； 0018 rc： 源到等中心面的径向坐标 ； 其中， 等中心面为等中心点所在的与水平面平行的 面。
11、 ； 0019 h ： 源到二维平面透射剂量所在平面的距离 ； 0020 D(r， z) ： 三维重建剂量 ； 0021 D(r， h) ： 离源距离为 h 的二维重建剂量 ； 0022 D (r， h) ： 测量的离源距离为 h 的二维剂量， 即步骤 (1) 的二维平面透射剂量 ； 0023 CF： 非均匀介质相对于纯水的修正因子 ； 0024 p(E， r) ： 笔形束核函数， 采用蒙特卡罗模拟计算放射源在能量为 E 情况下， 纯水中 有限小射野情况下的三维剂量， 即获得该函数 ； p(E， r-r ) ： 表示笔形束核函数在能量为 E 情况下， 点为 (r-r ) 的分布 ； 0025 。
12、(E， rc) ： 在等中心面上， 坐标点为 rc， 能量为 E 的重建通量 ； 0026 根据步骤 (1) 测量得到的二维平面透射剂量 D(r， h)， 采用反演算法求解等式 (1) 与等式 (2) 即可获得重建通量 (E， rc) ； 0027 (4) 重建剂量 ： 根据步骤 (3) 计算得到的 (E， rc) 重新代入等式 (2)， 进行积分求 解， 即得到三维重建剂量 D(r， z) ； 0028 (5) 剂量引导计划的质量保证 ： 将步骤 (4) 所得到的三维重建剂量与计划剂量进 行比较， 判断误差分布是否在可允许的范围内， 如果不满足， 则重新调整计划通量， 保证计 划通量与步骤 。
13、(3) 的重建通量一致 ； 采用步骤 (3) 的重建通量， 照射剩余的计划剂量， 最终 保证照射剂量与计划剂量尽可能一致。 0029 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 0030 (1) 本发明克服了现有的点测量或者二维测量技术难以反映体内三维剂量问题， 在对实际模体的实施照射过程中， 通过体外测量的二维剂量进行三维剂量重建， 准确获得 模体的三维剂量 ； 0031 (2) 本发明解决了现有技术中难以保证模体的实际剂量与计划剂量一致性问题。 本发明通过精确快速的剂量重建， 并将重建剂量与计划剂量比较发现误差， 通过实时调整 后续照射的强度， 从而实现剂量引导计划的质量保证， 最终保证照射剂量与。
14、计划剂量尽可 能一致。 附图说明 0032 图 1 是本发明流程示意图 ； 0033 图 2 是照射实例示意图 ； 0034 图 3 是照射实例的实施流程图。 具体实施方式 0035 如图 1 所示， 本发明具体实现步骤如下 ： 0036 (1) 二维平面透射剂量测量 ： 放射源与二维剂量探测器的中心点垂直， 并且位置 相对不变， 可围绕着等中心点旋转 ； 然后将模体放置三维床上， 其中三维床可以沿着三维坐 说 明 书 CN 102426377 A CN 102426384 A3/4 页 6 标方向运动 ； 按照计划通量照射部分的计划剂量 ； 利用二维剂量探测器测量得到射线穿过 被照射模体后的。
15、二维平面透射剂量 ； 即利用图 2 所示的二维剂量探测器测量得到射线穿过 被照射模体后的二维平面透射剂量 ； 其中放射源包括加速器、 钴 60、 同位素等产生的光子、 电子、 阿尔法粒子、 重粒子、 质子等放射线 ； 二维剂量探测器包括二维电离室矩阵、 非晶硅探 测面板、 半导体探测面板、 冲洗或者免洗胶片等 ； 三维床可以平动、 转动， 配合放射源围绕等 中心点旋转， 保证放射源能够从任意角度照射模体 ； 0037 (2) 外轮廓线函数提取 ： 如图 3 所示， 根据步骤 (1) 得到的二维平面透射剂量， 提 取该二维平面透射剂量的外轮廓线函数 F(r ) ； 采用的外轮廓提取方法， 包括 。
16、Prewitt、 Sobel、 Roberts、 Laplacian of Gaussian、 Zero-Cross 与 Canny 等方法， 设定一定的阈值、 提取步长以及提取方向即可提取到步骤 (1) 中的二维平面透射剂量的理想外轮廓线函数 ； 外轮廓线函数保证下一步的放射源的通量反演数学模型积分范围的有效性， 从而大大提高 计算速度与并保证方程收敛其中， 对采用何种外轮廓线提取方法， 没有特殊要求， 具体以这 些方法的精度范围是否满足实际的精度要求为准 ； 0038 (3) 重建通量 ： 根据步骤 (1) 测量得到的二维平面透射剂量， 以及步骤 (2) 所得的 外轮廓线函数 F(r )，。
17、 采用三维剂量反演模型计算得到重建通量 ； 所述三维剂量反演模型 反演的数学模型如下 ： 0039 Min 0040 ST ： 0041 其中， 0042 Min ： 反演算法中的最小目标值 ； 0043 ST ： 约束条件 ； 0044 ： 平均误差 ； 0045 M ： 测量的数据点个数 ； 0046 Emax： 放射源的最大能量 ； 0047 (r， z) ： 柱坐标系下的三维坐标， r 为径向方向， z 为深度方向 ； 0048 r ： 积分变量 ； 0049 rc： 源到等中心面的径向坐标 ； 其中， 等中心面为等中心点所在的与水平面平行的 面 ； 0050 h ： 源到二维平面透射。
18、剂量所在平面的距离 ； 0051 D(r， z) ： 三维重建剂量 ； 0052 D(r， h) ： 离源距离为 h 的二维重建剂量 ； 0053 D (r， h) ： 测量的离源距离为 h 的二维剂量， 即步骤 (1) 的二维平面透射剂量 ； 0054 CF： 非均匀介质的相对于纯水的修正因子 ； 该因子是对非均匀模体的剂量修正， 通 过可采用目前广泛使用的组织空气比法 ( 又称组织最大剂量比法 )、 有效衰减系数法、 同等 剂量曲线移动法、 电子密度法 ( 又称 Batho 修正法或组织空气比指数校正法 ) 等非均匀修 正方法或者这些方法的组合直接获得 ； 即通过对模体拍摄 CT， 根据 。
19、CT 与电子密度的转换关 系转换， 获得第 i 层非均匀模体中介质的电子密度 i； 然后将 i作为权重计算相对于厚 说 明 书 CN 102426377 A CN 102426384 A4/4 页 7 度为 di的纯水的有效深度 d， 其中， 0055 0056 通过 d可直接查询国际辐射单位与测量委员会 (ICRU) 报告或国际放射防护委 员会 (ICRP) 报告可获得采用组织空气比法、 有效衰减系数法、 同等剂量曲线移动法、 电子 密度法等非均匀修正方法对应的 CF； 其中 CF由于是对非均匀模体的非均匀修正， 取值与上 述 d查表结果有关， 没有特殊要求， 具体实施以这些方法的精度范围是。
20、否满足实际精度要 求为准 ； 0057 p(E， r) ： 在能量为 E 下， 距离 r 点的笔形束核函数 ； 其中 p(E， r-r ) ： 表示笔形束 核函数在能量为 E 情况下， 点为 (r-r ) 的分布 ； 采用蒙特卡罗模拟计算放射源在能量为 E 情况下， 纯水中有限小射野情况下的三维剂量， 即获得 p(E， r) ； 具体实施通过采用蒙特卡 罗程序如目前广泛使用的EGSnrc， MCNP等模拟工具， 设置小射野， 如0.1cm0.1cm射野下， 源到均匀水距离为 100cm 下进行模拟计算， 能量从 0.5MeV 开始间隔为 0.5MeV 进行模拟， 粒 子为最大允许计数， 保证误。
21、差小于 0.5， 该模拟结果作为数据库使用 ； 小射野的范围根据 实际需要的精度设置， 没有特别的要求， 一般射野越小， 计算精度越高， 反之亦然 ： 采用计算 机实现时， 小射野一般在计算机精度所允许的范围内设置 ； 0058 (E， rc) ： 在等中心面上， 坐标点为 rc， 能量为 E 的重建通量 ； 0059 根据步骤 (1) 测量得到的二维平面透射剂量 D(r， h)， 采用反演算法， 包括线性 反演算法与非线性反演算法， 其中非线性反演算法如牛顿法、 拟牛顿法、 梯度法、 共轭梯度 法、 遗传算法、 变尺度法等反演算法， 或者这些反演算法的组合， 具体采用何种算法没有特 殊要求，。
22、 具体实施以这些反演算法是否满足计算机收敛精度要求为准， 求解等式 (1) 与等 式 (2) 即可获得通量 (E， rc) ； 其中， 等式 (1) 与等式 (2) 进行了离散化采样 ； 并且为了加 快收敛速度， 这些反演算法进行了初始化， 并且收敛误差降低到一等程度即认为得到最优 解 ； 收敛误差根据实际要求的精度设置， 没有特殊的要求， 采用计算机实现时， 收敛误差一 般在计算机精度所允许的范围内设置 ； 0060 (4) 重建剂量 ： 根据步骤 (2) 计算得到的 (E， rc) 重新代入等式 (2)， 进行积分求 解， 即得到重建三维剂量 D(r， z)， 如图 3 所示 ； 其中， 。
23、积分求解采用离散求和方法 ； 0061 (5) 剂量引导计划的质量保证 ： 将步骤 (3) 所得到的重建三维剂量与计划剂量进 行比较， 分析误差分布情况， 并判断误差分布是否在可允许的范围内， 如果不满足， 则重新 调整计划通量， 保证计划通量与步骤 (2) 的重建通量一致 ； 采用步骤 (2) 的重建通量， 照射 剩余的计划剂量 ； 最终保证照射剂量与计划剂量尽可能一致 ； 其中误差判断方法， 没有特 殊的要求， 可采用目前广泛采用的剂量偏差、 距离偏差与伽马分析方法等剂量学误差分析 方法实现 ； 照射剩余的计划剂量 ： 设总需要照射的计划剂量为 D， 计划照射的部分剂量为 D， 重建剂量为 D， 则后续还要照射剩余的计划剂量为 D-D， 其中剂量偏差为 D-D。 说 明 书 CN 102426377 A CN 102426384 A1/2 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 102426377 A CN 102426384 A2/2 页 9 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102426377 A 。