本發(fā)明涉及一種基于蒙特卡羅光子模擬的卷積疊加劑量計算方法，屬于核物理、核技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域中的輻射劑量計算領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

輻射劑量測量和計算廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、輻射化工、食品加工、核技術(shù)及應(yīng)用、航空航天等領(lǐng)域。其中，劑量計算方法的速度和精度是輻射劑量計算中的關(guān)鍵問題。

劑量計算方法一般分為解析方法和蒙特卡羅方法。解析方法具有快速和在均勻區(qū)域精度較高的優(yōu)勢，但在組織非均勻區(qū)域存在較大誤差；蒙特卡羅方法通過模擬粒子在介質(zhì)中的輸運(yùn)過程，可以不受到幾何、材料的限制，精確的模擬所有區(qū)域的劑量分布，但是模擬極為耗時，特別是模擬電子輸運(yùn)的過程，限制了其應(yīng)用。

卷積疊加方法是傳統(tǒng)的解析劑量計算方法，通過事先模擬的能量沉積核(筆形束核或者點核)卷積疊加光子的面通量或者體通量，得到全空間的劑量分布。傳統(tǒng)的卷積疊加方法在計算均勻模體時，具有快速精確的特點，但是在計算非均勻模擬或者真實人體的情況，由于組織不均勻性對光子通量和能量沉積核的影響，會存在較大的誤差。在計算介質(zhì)劑量時，卷積疊加方法按照柵元格尺寸，均勻的設(shè)置計算點，并對每個計算點進(jìn)行卷積疊加計算，若只要在一部分區(qū)域(感興趣區(qū)域)得到較高精度的劑量，需要額外的計算時間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：克服在傳統(tǒng)的光子卷積疊加劑量計算方法在非均勻區(qū)域模擬光子通量不準(zhǔn)確和傳統(tǒng)蒙特卡羅方法模擬電子輸運(yùn)耗時的不足，提供一種基于蒙特卡羅光子模擬的卷積疊加劑量計算方法，該方法不僅能得到較高的精度，而且有效提升計算速度。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于蒙特卡羅光子模擬的卷積疊加劑量計算方法，在傳統(tǒng)的光子劑量計算模型的基礎(chǔ)上，使用蒙特卡羅光子輸運(yùn)替代原有的解析光子通量計算；而相對于全空間蒙特卡羅光子-電子耦合輸運(yùn)，使用預(yù)先計算的能量沉積核替代電子輸運(yùn)，可以極大的減少模擬計算的時間。為了進(jìn)一步加快計算速度，可以根據(jù)不同的計算區(qū)域，分別采用不同的計算策略，減少計算時間。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案實現(xiàn)如下：一種基于蒙特卡羅光子模擬的卷積疊加劑量計算方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)獲得計算參數(shù)，包括以下內(nèi)容：

a)放射源的能譜信息，通過已發(fā)展的能譜反演方法(李貴，鄭華慶，蘭海洋，孟耀，宋鋼，吳宜燦.基于多算法放射源反演方法，專利號：ZL200910116116.0)獲得；

b)射野信息(例如：鎢門開口尺寸)，由用戶給出；

c)放射源的位置信息(例如：源軸距SAD)，由用戶給出；

d)射線經(jīng)過加速器附件(例如：電動多葉光柵)在等中心平面形成的形狀，由用戶勾畫給出；

e)計算模型柵元劃分信息，由用戶根據(jù)影像數(shù)據(jù)(如CT等)給出；

f)計算模型柵元物理密度信息，由用戶根據(jù)影像數(shù)據(jù)(如CT等)給出；

g)計算模型中感興趣區(qū)域標(biāo)示信息(例如：靶區(qū)和危及器官)，由用戶勾畫給出；

h)蒙特卡羅程序(例如EGSnrc的子程序EDKnrc)獲得的能量沉積點核Π：Π是一系列單能或一定能譜的光子入射到某一均勻介質(zhì)(例如：水)中，對應(yīng)于三維坐標(biāo)(x，y，z)的輻射能量值矩陣，通過已發(fā)展的點核獲取方法(鄭華慶，宋鋼，李貴，孟耀，蘭海洋，吳宜燦.一種解析蒙特卡羅劑量計算方法，專利號：ZL200910116115.6)獲得；

(2)對全部計算區(qū)域進(jìn)行蒙特卡羅光子輸運(yùn)模擬：

根據(jù)用戶制定的輻照方案，將步驟1中的放射源的能譜信息、射野信息(例如：鎢門開口尺寸)、放射源的位置信息(例如：源軸距SAD)、射線經(jīng)過加速器附件(例如：電動多葉光柵)在等中心平面形成的形狀，轉(zhuǎn)換為蒙特卡羅光子輸運(yùn)模擬的源信息(蒙卡模擬的源建模屬于公知內(nèi)容)，將計算模型柵元劃分信息和計算模型柵元物理密度信息，轉(zhuǎn)換為蒙特卡羅光子輸運(yùn)模擬的幾何信息、材料信息和計數(shù)信息(蒙卡模擬的幾何、材料和計數(shù)建模屬于公知內(nèi)容)，進(jìn)行全部計算區(qū)域的蒙特卡羅光子輸運(yùn)模擬，得到全部計算區(qū)域每個柵元的光子通量Φ。(蒙卡模擬粒子輸運(yùn)過程計算得到光子通量屬于公知內(nèi)容)

(3)卷積疊加劑量計算：

利用下列卷積疊加公式進(jìn)行分區(qū)域的不均勻計算點采樣計算：

$D\left(r\right)={\∫}_E\underset{V}{\∫\∫\∫}\mathrm{\Φ}(E,r^{,})\Π(E,(\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\‾}{r}}^{,}\left)\right)d^3{r}^{,}dE---\left(1\right)$

其中Φ為入射粒子通量，Π為預(yù)先計算好的能量沉積點核。在不同的作用點r’和不同的沉積點r處筆形束核應(yīng)該是不同的。為了計算方便，上式中常用空間不變的能量沉積點核進(jìn)行計算?？紤]到計算模型材料的不均勻性，采用作用點和沉積點之間相對水的等效路徑長度替代物理路徑長度，用于點核的調(diào)用。

所述步驟3中的分區(qū)域的計算點計算，根據(jù)不同的計算區(qū)域，分別采取不同的計算點密度：感興趣區(qū)域的計算點密度高，其他區(qū)域計算點密度低。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明使用蒙特卡羅光子輸運(yùn)替代原有的解析光子通量計算，提高解析計算的精度；

(2)本發(fā)明使用預(yù)先計算的能量沉積核替代電子輸運(yùn)，保證解析計算的速度；

(3)本發(fā)明根據(jù)不同的計算區(qū)域，分別采取不同的計算點密度：感興趣區(qū)域的計算點密度高，其他區(qū)域計算點密度低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明算法實現(xiàn)示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明包括以下內(nèi)容：

放射源的能譜信息，通過已發(fā)展的能譜反演方法(李貴，鄭華慶，蘭海洋，孟耀，宋鋼，吳宜燦.基于多算法放射源反演方法，專利號：ZL200910116116.0)獲得；

使用蒙特卡羅程序，例如EGSnrc的子程序EDKnrc等，獲得的能量沉積點核Π：Π是一系列單能或一定能譜的光子入射到某一均勻介質(zhì)(例如：水)中，對應(yīng)于三維坐標(biāo)(x，y，z)的輻射能量值矩陣，通過已發(fā)展的點核獲取方法(鄭華慶，宋鋼，李貴，孟耀，蘭海洋，吳宜燦.一種解析蒙特卡羅劑量計算方法，專利號：ZL200910116115.6)獲得；

根據(jù)用戶制定的照射方案和用戶給出的其他信息(源、幾何、材料、計數(shù))，使用蒙特卡羅程序MCNP或者EGSnrc等，進(jìn)行全部計算區(qū)域的蒙特卡羅光子輸運(yùn)模擬，得到全部計算區(qū)域每個柵元的光子通量Φ。

通過能譜、預(yù)先計算得到的點能量沉積核和全空間的光子通量分布，計算通過介質(zhì)上的作用點r’(x₁，y₁，z₁)對沉積點r(x₂，y₂，z₂)的劑量貢獻(xiàn)(如圖1所示)：

根據(jù)作用點r’(x₁，y₁，z₁)的坐標(biāo)與沉積點r(x₂，y₂，z₂)的坐標(biāo)，可得到兩點間的幾何長度L，以及兩點連線關(guān)于作用點r與r₀間原射線徑跡方向的夾角θ：

$L=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2+{(z_2-z_1)}^2}---\left(1\right)$

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\π}-arccos\frac{{r_{01}}^2+L^2-{r_{02}}^2}{2r_{01}L}---\left(2\right)$

其中，r₀₁和r₀₂分別R₀到R₁的距離和R₀到R₂的距離，可用其坐標(biāo)求得：

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

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

根據(jù)作用點r’(x₁，y₁，z₁)的坐標(biāo)與沉積點r(x₂，y₂，z₂)的坐標(biāo)，和用戶給出的計算模型柵元物理密度信息，可以獲得連線上各柵元物理密度的平均值c_(r,r′)。

根據(jù)公式利用能譜信息，對作用點r’(x₁，y₁，z₁)所有的能量段進(jìn)行離散求和，而每個能量段的光子通量(即已經(jīng)通過蒙特卡羅程序模擬得到的Φ(E，r’))已經(jīng)提前計算得到，將不同能量的點能量沉積核中的矢量表示為兩點間的物理長度c_(r,r′)﹡L和夾角θ，調(diào)用預(yù)先模擬計算得到的物理密度為1的均勻介質(zhì)的點核矩陣，得到的具體值。最后，將所有作用點的劑量貢獻(xiàn)相加就得到沉積點r(x₂，y₂，z₂)的劑量。

總之，本發(fā)明使用蒙特卡羅光子輸運(yùn)替代原有的解析光子通量計算，使用預(yù)先模擬好的能量沉積核替代傳統(tǒng)蒙特卡羅模擬的電子輸運(yùn)模擬，結(jié)合形成一種解析蒙特卡羅混合的劑量計算方法，不僅能得到較高的精度，而且有效提升計算速度。

提供以上實施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。