扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法和系统

本发明涉及一种扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法和系统，属于辐射剂量测量。

背景技术：

1、在离子束辐照科学技术研究、工业及临床医学应用中，常常需要对离子束的辐射场进行剂量分布测量，以保证辐照准确性。剂量分布测量一般需要用到二维剂量探测器。二维剂量探测器具有多种类型，有基于多个电离室的二维电离室矩阵，又可分半导体类型和空气电离室型；也有基于材料受辐射后发光的探测器，如热释光薄膜、闪烁体探测器等；还有基于化学材料辐射变色的探测器，比如需冲洗放射显影胶片和免冲洗的辐射变色胶片、凝胶剂量计薄膜等。

2、辐射变色胶片是一种基于有机分子的辐射剂量计，由于有机分子聚合物的尺寸在微米量级，理论上辐射变色胶片的剂量测量空间分辨率也在微米量级。因此，对空间分辨率要求较高的剂量测量场景中，可以使用辐射变色胶片进行测量。此外，辐射变色胶片受剂量率大小影响很小(<106gy/s)，可用于flash治疗技术的剂量测量与计划验证等。

3、虽然辐射变色胶片具有许多优点，但其剂量测量却需要较为严格的操作规程，以保证测量精度。为提高剂量测量分辨率，辐射变色胶片需要使用专业的透射型扫描仪将胶片数字化输出48位彩色胶片正片。使用辐射变色胶片测量剂量，首先需要对胶片进行剂量刻度，即胶片受到射线照射后的变色程度的量化指标与照射剂量的关系曲线，该曲线称为胶片剂量响应曲线或刻度曲线。在利用胶片测量剂量分布时，再根据胶片的变色程度量化指标和胶片剂量刻度曲线推算出照射剂量分布。因此，剂量刻度曲线的准确性在胶片剂量测量中是非常重要的。由于不同批次的胶片存在加工原材料纯度或工艺上的差异，因此不同批次的胶片对剂量的响应是差异的，所以在使用不同批次的胶片进行剂量测量需要对该批次的胶片进行剂量刻度。常规的胶片剂量刻度方法是，取某一批次胶片中的一张，将其分割成若干小块，在均匀的辐射野中分别照射已知的剂量，待胶片充分变色后(通常照射后避光保存24小时左右)再通过扫描仪进行数字化，最后利用胶片分析工具建立胶片变色程度的量化指标与剂量的一一对应关系曲线。胶片长时间存储或经历不同的暴露历史，也会导致胶片对剂量响应的差异，因此随着存放时间推移，即使是使用相同批次胶片的剂量刻度曲线，刻度曲线获得的时间与剂量测量日期相差较远时也会导致不可忽略的测量误差。因此，常规的胶片剂量测量方法存在与胶片储存时间、暴露环境等与胶片特定经历相关的批次内响应差异的影响。为了提高剂量测量精度，可以提高胶片刻度曲线的获取频率，然而这不但增加了工作量，还增加了胶片的使用成本。此外，在常规刻度胶片方法中，使用的是均匀的照射野，按照剂量梯度逐一照射，因此胶片剂量响应刻度所需的照射时间较长。最后，使用胶片进行剂量测量还需要注意胶片刻度照射与数字化操作的间隔时间，即胶片照射后避光保存的时间。为了保证测量精度，一般要求剂量测量胶片照射后的避光保存时间与刻度胶片照射后的避光保存时间一致。在实际测量中，严格把控避光保存时间上的一致性是难以实现的，因而为了降低照射后胶片变色不一致导致的测量误差，一般要求胶片在照射后避光保存24小时，等待其充分变色后再利用扫描仪进行数字化。所以，利用胶片测量辐射剂量的规程是复杂且耗时的。其中，辐照后需等待胶片充分变色后才可数字化用于后续剂量分析的非即时性问题是辐射变色胶片用于日常治疗计划剂量验证的最大限制因素。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法和系统，用于解决辐射变色胶片的传统使用方法中遇到的批次间和批次内胶片剂量刻度曲线的差异，以及辐照后需长时间避光保存才数字化的不及时性等问题。

2、为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法，包括以下步骤：将辐射变色胶片分为刻度区和剂量测量区，在所述刻度区照射不同剂量面积乘积dap梯度的束斑，在所述剂量测量区照射待测照射野；将辐射变色胶片的刻度区和剂量测量区同时进行数字化，获得刻度区的胶片变色指标分布f1(x,y)和胶片剂量测量区的胶片变色分布f2(x,y)；定义剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)和束斑剂量分布函数d′(x,y)，根据f′(d)和d′(x,y)，构建f′(d′(x,y))的函数关系；通过调整f′(d′(x,y))的参数，使胶片变色指标分布f1(x,y)与f′(d′(x,y))的差值最小化；根据最终获得的f′(d′(x,y))计算剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)和束斑剂量分布函数d′(x,y)，获得胶片剂量刻度曲线；根据所述胶片剂量刻度曲线和胶片剂量测量区的胶片变色分布f2(x,y)，获得胶片剂量测量区的剂量分布。

3、进一步，所述辐射变色胶片的刻度区和剂量测量区同时进行数字化的方法包括：将刻度区与胶片剂量测量区同时通过胶片扫描仪生成胶片数字化图像，对所述胶片数字化图像进行横向伪影修正，提取刻度区的红、绿、蓝通道的像素值，或将所述胶片数字化图像转换成光密度值或净光密度值，获得胶片变色指标分布f1(x,y)；

4、提取胶片剂量测量区的红、绿、蓝通道的像素值，或将所述胶片数字化图像转换成光密度值或净光密度值，获得胶片变色分布f2(x,y)。

5、进一步，根据最终获得的f′(d′(x,y))计算束斑剂量分布函数d′(x,y)，刻度区的胶片变色指标分布f1(x,y)与束斑剂量分布函数d′(x,y)一一对应，将所述胶片变色指标分布f1(x,y)与束斑剂量分布函数d′(x,y)进行拟合获得胶片剂量刻度曲线，将胶片剂量测量区的胶片变色分布f2(x,y)输入所述胶片剂量刻度曲线中，获得胶片剂量测量区的剂量分布。

6、进一步，通过多个剂量面积乘积dap梯度的束斑，能够获得不同范围的剂量与所述胶片变色指标分布f1(x,y)数据点，将不同范围的剂量与所述胶片变色指标分布f1(x,y)数据点一并纳入胶片剂量刻度曲线进行拟合。

7、进一步，根据最终获得的f′(d′(x,y))计算剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)，对所述剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)求反函数，获得胶片剂量刻度曲线，将胶片剂量测量区的胶片变色分布f2(x,y)输入所述胶片剂量刻度曲线中，获得胶片剂量测量区的剂量分布。

8、进一步，所述束斑剂量分布函数d′(x,y)为椭圆高斯分布或多椭圆高斯分布。

9、进一步，所述胶片变色指标分布f1(x,y)与f′(d′(x,y))的差值的计算公式为：

10、min∑(f1(x,y)-f′(d′(x,y)))2。

11、进一步，扫描离子束照射通过x方向扫描磁铁与y方向扫描磁铁，分别引导离子笔形束在x方向与y方向的偏转，使得离子笔形束照射在等中心平面上的坐标点位置，所述剂量面积乘积dap的计算公式为：

12、dap＝n/k＝d·δx·δy

13、其中，δx，δy分别为x方向与y方向上相邻扫描点的间距，n是每个扫描点照射的监测电离室计数，d是等中心处测量获得绝对剂量，k是dap与n之间的比例系数。

14、本发明还公开了一种扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量系统，用于实现如上述任一项所述的扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法，包括：扫描离子束照射装置、等中心平面、胶片扫描仪、数据处理模块和输出模块，所述扫描离子束照射装置，用于产生离子笔形束；所述等中心平面，用于放置辐射变色胶片，并使所述离子笔形束照射在所述辐射变色胶片上；所述胶片扫描仪，用于将所述辐射变色胶片数字化，生成胶片数字化图像；所述数据处理模块,用于对所述数字化图像进行处理，生成获得刻度区的胶片变色指标分布f1(x,y)和胶片剂量测量区的胶片变色分布f2(x,y)，获得胶片剂量刻度曲线，并根据所述胶片剂量刻度曲线和胶片剂量测量区的胶片变色分布f2(x,y)，获得胶片剂量测量区的剂量分布；所述输出模块，用于对胶片剂量测量区的剂量分布进行可视化显示。

15、进一步，所述扫描离子束照射装置包括：x方向扫描磁铁、y方向扫描磁铁和在线监测电离室；所述x方向扫描磁铁，用于引导离子笔形束在x方向的偏转；所述y方向扫描磁铁，用于引导离子笔形束在y方向的偏转；所述在线监测电离室，用于控制和记录照射在等中心平面上的坐标点位置上的电离室计数。

16、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

17、1、由于本发明对胶片剂量刻度采用的是笔形束束斑照射而不是传统刻度法中采用均匀照射野照射，因此可以大大减少剂量刻度照射的总剂量，进而大大缩短刻度照射时间。

18、2、采用笔形束束斑进行剂量刻度，可以节省胶片的使用量，即可以在胶片一小块区域完成胶片剂量的刻度；

19、3、在传统刻度方法中获得的是离散的几个剂量和相应胶片变色指标的数据点，再利用离散的点拟合获得剂量刻度曲线，而在本发明方法中可以采用多个剂量面积乘积梯度的束斑进行刻度，束斑的剂量分布是连续的，因此理论上可以获得无数个剂量与变色指标数据点来拟合剂量刻度曲线，从而获得更高精度的刻度曲线。

20、4、由于胶片刻度所需的胶片区域较小，因此可以在同一块胶片上进行刻度与剂量测量，进而避免了传统方法中在不同张胶片进行剂量刻度与剂量测量带来的误差。

21、5、在同一张胶片进行剂量刻度与测量，且刻度照射时间非常很短，相当于剂量刻度与测量同时照射。因此照射后的胶片无需等待胶片充分变色再进行胶片数字化，解决了胶片测量中的及时性问题。

22、6、本发明中获得束斑剂量的分布参数是扫描离子束照射装置的质量控制的一部分，为照射装置质量控制分担了部分工作量。