一种非均整治疗模式电离室水吸收剂量测量误差修正方法与流程

本发明涉及一种非均整治疗模式电离室水吸收剂量测量误差修正方法，属于临床放射治疗电离室水吸收剂量测量领域。

背景技术：

1、近年来，许多医用直线加速器开始提供非均整(flattening filer free,fff)治疗模式。临床研究表明，使用具有剂量率更高的fff治疗模式是特别有优势的。相比于传统均整(with flattening filter,wff)治疗模式，fff治疗模式具有缩短平均治疗时间以及有效减少场外剂量、头部散射、以及危及器官(oar)剂量等优点。为使fff治疗模式能够更广泛的应用于临床放疗，通过调整医用直线加速器入射电子角度以改善fff模式剂量分布均匀性的想法被提出。然而在放射治疗中，剂量递送精确性是临床放射治疗中最关键的指标之一。随着fff治疗模式在临床中的广泛应用，其水吸收剂量的准确测定也成为了不容忽视的问题。电离室作为电离辐射测量领域的黄金准则，被广泛应用于临床放疗水吸收剂量测量中。

2、由于目前电离室所使用的水吸收剂量校准因子均是在初级标准实验室wff治疗模式条件下获得，而电离室在wff、fff治疗模式下的校准因子存在差异，所以电离室在临床fff治疗模式下使用该校准因子进行剂量计算会导致剂量测量误差。通过测量手段获取电离室fff治疗模式下校准因子的过程十分复杂且许多初级标准实验室并不具备相应设备和技术，所以本发明提出一种非均整治疗模式电离室水吸收剂量测量误差修正方法。该方法通过蒙特卡罗模拟计算实现，通过计算wff、fff治疗模式下水和空气阻止本领比(sw,air)以及电离室扰动修正因子变化实现剂量测量误差校正，该方法能够显著提升电离室在临床fff治疗模式中水吸收剂量测量的准确度。通过本发明提出的fff治疗模式电离室水吸收剂量测量误差修正方法可以实现临床各类fff治疗模式(传统fff治疗模式、变入射电子角度的fff治疗模式)条件下电离室的水吸收剂量测量误差修正，为临床fff治疗模式水吸收剂量测量的精确性提供重要支撑。

技术实现思路

1、为解决fff治疗模式下电离室水吸收剂量测量误差超出临床可接受范围且难以通过测量手段获得fff治疗模式下电离室水吸收剂量形式校准因子的难题，本发明提出一种非均整治疗模式电离室水吸收剂量测量误差修正方法，通过计算wff、fff治疗模式下电离室扰动修正因子以及水与空气的阻止本领比变化，实现电离室水吸收剂量测量误差校正。本发明具有易于实现、准确性高等优点。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明公开的一种非均整治疗模式电离室水吸收剂量测量误差修正方法，分别建立wff模式加速器模型和fff治疗模式加速器模型，并对电离室进行几何建模。通过构建电离室水吸收剂量测量系统模型实现fff治疗模式下电离室的水吸收剂量测量过程模拟，结合蒙特卡罗方法模拟光子束与介质的相互作用，准确模拟粒子在介质中的随机运动，蒙特卡罗方法是目前唯一能够对辐照目标内部三维空间核粒子碰撞轨迹和能量分布进行精确仿真的工具。它能够模拟粒子在物质中的输运过程，包括粒子与物质之间的相互作用，如散射、吸收、产生次级粒子等，从而给出辐射场在三维空间中的分布情况。另外，本发明基于spencer-attix空腔理论建立了fff治疗模式下电离室的水吸收剂量测量误差修正模型。根据建立的fff模式电离室水吸收剂量测量误差修正模型进行修正计算，通过计算wff、fff模式下sw,air以及电离室的总扰动修正因子变化，确定fff模式下电离室的水吸收剂量测量误差修正因子修正电离室在wff、fff模式下的响应差异，即实现非均整治疗模式电离室水吸收剂量测量误差修正。

4、本发明公开的一种非均整治疗模式电离室水吸收剂量测量误差修正方法，包括如下步骤：

5、步骤一：分别建立wff模式加速器模型和fff治疗模式加速器模型，并对电离室进行几何建模。

6、wff模式加速器模型主要由钨靶、初级准直器、初级均整器、次级均整器、监督电离室、后向散射板、次级准直器、多叶、钳口jaws和出射窗组成。wff治疗模式所使用的均匀剂量分布光子束是由微波加速后的电子束通过轰击钨靶产生，并通过初级准直器进行初准直，通过初级均整器、次级均整器进行剂量分布整形。通过监督电离室对光子束进行剂量监测，通过后向散射板对光子束进行充分散射。通过次级均整器对光子束进行次级均整，并通过多叶和钳口设置光子束的照射野。为使建立的加速器模型能够更贴近实际加速器测量结果，应保证模拟和实际加速器测量的百分深度剂量pdd曲线、剖面剂量分布profile曲线的预设一致性要求。通过不断调整入射电子的能量使得模拟和测量的pdd曲线满足预设一致性要求，通过不断调整入射电子束斑的半高全宽fwhm使得模拟和测量的profile曲线满足预设一致性要求。

7、fff治疗模式加速器模型由钨靶、初级准直器、铜箔、监督电离室、后向散射板、次级准直器、多叶、钳口jaws和出射窗组成。与wff模式加速器模型相比，去除了初级、次级均整器并在原次级均整器的位置放置厚度为1mm～3mm的铜箔。fff治疗模式所使用的非均匀剂量分布光子束是由微波加速后的电子束通过轰击钨靶产生。另外，通过改变入射电子束的汇聚角度可以获得不同平坦度的fff光子束。光子束通过初级准直器进行初准直，通过铜箔吸收低能电子以减少表面剂量。通过监督电离室对光子束进行剂量监测，通过后向散射板对光子束进行充分散射。通过次级均整器对光子束进行次级均整并通过多叶和钳口设置光子束的照射野。为使建立的加速器模型能够更贴近实际加速器测量结果，应保证模拟和实际加速器测量的百分深度剂量pdd曲线、剖面剂量分布profile曲线的预设一致性要求。通过不断调整入射电子的能量使得模拟和测量的pdd曲线满足预设一致性要求，通过不断调整入射电子束斑的半高全宽fwhm使得模拟和测量的profile曲线满足预设一致性要求。

8、作为优选，采用egsnrc/beamnrc程序对加速器进行建模，分别建立wff模式加速器模型和fff治疗模式加速器模型。

9、作为优选，采用egsnrc/egs_chamber程序对电离室进行建模。通过ct成像的方式获取电离室的内部构造及尺寸信息，对电离室进行几何建模。

10、步骤二：根据步骤一建立的wff模式加速器模型、fff治疗模式加速器模型以及电离室模型，构建电离室水吸收剂量测量系统模型。

11、作为优选，采用egsnrc/egs_chamber程序进行电离室水吸收剂量测量系统建模，将电离室沿加速器出束中心轴线方向放置在水模体中。电离室的参考测量深度设置为5cm～10cm，束流的源皮距设置为80cm～100cm，束流的射野尺寸设置为1cmx1cm～30cmx30cm。

12、步骤三：基于步骤二建立的电离室水吸收剂量测量系统模型进行电离室水吸收剂量测量误差修正计算，得到修正后的电离室水吸收剂量；引入电离室水吸收剂量测量误差修正因子用以修正电离室在wff、fff治疗模式下的响应差异；根据spencer-attix空腔理论构建fff模式下电离室水吸收剂量测量误差修正模型。

13、电离室在参考射线质q0条件下的水吸收剂量根据式(1)得到。

14、

15、其中，mq0是参考射线质q0下电离室的读数。是参考射线质下由初级标准实验室测定的水吸收剂量形式的电离室校准因子。当使用电离室在临床射线质q中进行水吸收剂量测量时，根据式(2)进行射线质修正。

16、

17、定义为射线质修正因子，用于修正电离室在不同射线质中的响应差异，具体定义如式(3)所示。

18、

19、根据式(1)(3)，引入如式(4)所示的电离室水吸收剂量测量误差修正因子用以修正电离室在wff、fff治疗模式下的响应差异。

20、

21、其中，分别为fff、wff模式下参考测量点处的水吸收剂量，分别为fff、wff治疗模式下电离室读数。

22、本发明采用模拟计算的方式计算电离室的修正因子作为优选，使用蒙特卡罗方法采用spencer-attix空腔理论实现电离室的水吸收剂量模拟。spencer-attix空腔理论基于水与空气之间的阻止本领比sw,air，将电离室气腔中的剂量和水吸收剂量建立联系。通过计算光子束在水和空气中传播时的能量损失并比较光子束在这两种介质中的能量损失，以确定wff、fff模式中水和空气的阻止本领比变化。spencer-attix空腔理论还考虑电离室各结构对粒子注量的影响，具体形式如式(5)所示。

23、dw＝dairsw,air＝dchamber pcelpwallpstempdispcavsw,air         (5)

24、其中，dchamber表示沉积在电离室腔室空气内的剂量，pcel表示电离室中心电极扰动修正因子、pwall表示电离室的壁扰动修正因子、pstem表示电离室的杆扰动修正因子、pdis表示电离室的位移修正因子、pcav表示电离室的空腔效应修正因子，用于表征介质中存在和不存在空腔时电子散射条件发生变化而引入的修正因子。将所有扰动修正因子的乘积定义为总扰动修正因子pq，则式(5)改写成式(6)形式。

25、dw＝dchamber pqsw,air                        (6)

26、根据式(4)(6)构建fff模式下电离室的水吸收剂量测量误差修正模型，如式(7)所示。

27、

28、步骤四：根据步骤三中建立的fff模式下电离室水吸收剂量测量误差修正模型进行修正计算，通过计算wff、fff模式下sw,air以及电离室的总扰动修正因子变化，确定fff模式下电离室的水吸收剂量测量误差修正因子修正电离室在wff、fff模式下的响应差异，即实现非均整治疗模式电离室水吸收剂量测量误差修正。

29、步骤五：根据步骤四获得的fff治疗模式下水吸收剂量测量误差修正因子修正电离室在wff、fff模式下的响应差异，辅助临床精确测量水吸收剂量，解决fff治疗模式下电离室水吸收剂量测量不确定度变大的问题。

30、有益效果：

31、1、目前fff治疗模式下电离室的水吸收剂量误差不确定度超出了允许范围，本发明公开的一种非均整治疗模式电离室水吸收剂量测量误差修正方法，使用蒙特卡罗方法模拟光子束与介质的相互作用，准确模拟粒子在介质中的随机运动，计算出fff治疗模式下电离室的水吸收剂量测量误差修正因子，解决了临床fff治疗模式下电离室水吸收剂量测量误差不确定度变大的问题。

32、2、本发明公开的一种非均整治疗模式电离室水吸收剂量测量误差修正方法，通过建立电离室水吸收剂量测量系统模型进行电离室水吸收剂量测量模拟，通过构建fff模式下电离室水吸收剂量测量误差修正模型，计算wff、fff束流条件下sw,air以及电离室总扰动修正因子变化实现fff模式电离室水吸收剂量测量误差修正，有效解决难以通过测量手段修正fff模式下电离室水吸收剂量测量误差的问题。

33、3、本发明公开的一种非均整治疗模式电离室水吸收剂量测量误差修正方法，通过改变电离室在模体中的定位、以及束流源皮距和射野尺寸等工况，计算fff模式下电离室的水吸收剂量测量误差修正因子，根据fff治疗模式下水吸收剂量测量误差修正因子修正电离室在wff、fff模式下的响应差异，辅助临床精确测量水吸收剂量，解决fff治疗模式下电离室水吸收剂量测量不确定度变大的问题。本发明具有适用性强、应用灵活方便等特点。