医用粒子加速器初级能谱的计算方法及相关设备与流程

本发明涉及质子重离子治疗，尤其涉及医用粒子加速器初级能谱的计算方法及相关设备。

背景技术：

1、质子、重离子等粒子已成为治疗恶性肿瘤的重要手段，相比于传统的x-射线放射治疗，其剂量沉积具有明显的物理学优势，即具有布拉格峰（bragg peak，bp）效应。质子、重离子在介质中形成的bp深度、宽度，除了与介质材料的物理属性（如材料组分、密度、平均电离能等）有关外，严重依赖于粒子加速器产生的初级能谱信息，即：平均能量和初始能量的展宽。因此，对质子重离子加速器等医用粒子加速器所提供的粒子束的初级能谱的精确模拟，是合理利用其bp优势的前提和保证，对开展肿瘤的精准治疗具有重要临床意义。

2、虽然初级能谱是质子重离子加速器的重要物理量，但目前仍受探测技术、探测手段等因素的限制，从实验上难以对其直接进行测量。当前，通用的方法是测量其在水中形成的积分深度剂量（integral depth dose，idd）曲线，根据曲线分布对能谱进行反推。由带电粒子与物质相互作用发生能量沉积的原理可知，idd曲线上最大剂量80%的后端深度对应粒子在介质（水）中的射程，射程由粒子的初始能量决定；最大剂量80%的后端和前端之间的深度差（通常称为布拉格峰宽度，bragg peak width, bpw）、最大剂量后端20%和80%之间的深度差由粒子的能量展宽决定。因此，质子重离子加速器的初级能谱通常被描述为高斯分布，分布的均值表示粒子的平均能量，标准差表示平均能量的展宽。

3、描述为高斯分布的能谱在某些应用场景中会与实际能谱具有一定偏差，一定程度上限制了使用高斯源能谱计算的精确性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供出医用粒子加速器初级能谱的计算方法及相关设备，使用离散的单能能量来表征医用粒子加速器的初级能谱；质子重离子加速器产生的初级能谱的精确、快速反推方法；以质子重离子加速器在介质中生成的idd测量结果为目标，对其初级能谱进行反推的优化方法，提高了对质子重离子加速器辐射场分布的计算精度，为肿瘤的精准治疗提供了重要支持。

2、本发明的目的采用以下技术方案实现：

3、第一方面，本技术提出医用粒子加速器初级能谱的计算方法，所述方法包括：

4、根据加速器产生的粒子类型，通过剂量算法并设置能量间隔，获得单能粒子idd；

5、获得测量idd曲线，以测量idd曲线为目标，通过迭代优化以及约束条件，获得不同单能粒子对应的权重以及单能粒子能量-权重之间的关系；

6、根据所述单能粒子能量-权重之间的关系，通过所述剂量算法，获得计算结果；

7、将所述计算结果与测量结果进行对比验证，根据验证结果，确定是否重新进行迭代优化。

8、可选地，所述能量间隔包括等间隔和可变间隔。

9、优选地，所述获得测量idd曲线，包括：

10、通过探测器测量加速器产生的初级能谱在介质中形成的idd反映，获得测量idd曲线。

11、优选地，所述约束条件包括：单能能量的个数、每个能量的最低权重、最高权重、最小能量间隔和/或最大能量间隔。

12、优选地，所述约束条件的设置方法包括：

13、根据单能idd的射程与测量idd的射程之间的差异，设置差异大小与权重之间的关系。

14、优选地，所述通过迭代优化以及约束条件，获得不同单能粒子对应的权重以及单能粒子能量-权重之间的关系；包括：获得目标和约束条件下的最优解；所述目标为idd测量结果；

15、所述迭代优化包括执行优化算法和优化终止条件；

16、所述优化终止条件包括第一终止条件、第二终止条件和/或第三终止条件。

17、优选地，所述第一终止条件为当迭代次数满足预设次数后，停止优化并输出结果；所述第二终止条件为当idd计算值和对应测量值的差值在预设差值范围内，停止优化并输出结果；所述第三终止条件为当收敛速度随迭代次数增加而变化的值小于预设变化阈值时，停止优化并输出结果。

18、优选地，所述计算结果包括：计算获得的单能的idd曲线、所有单能粒子idd加权形成的总的idd曲线、单能粒子能量-权重的关系，以及基于所述单能粒子能量-权重的关系并通过剂量算法获得的粒子在介质中任意空间位置的剂量大小以及剂量分布。

19、可选地，所述将所述计算结果与测量结果进行对比验证，根据验证结果，确定是否重新进行迭代优化，包括：

20、将计算获得的总的idd分布与测量结果进行对比，获得计算结果的第一精确性；

21、若所述第一精确性小于预设精确性阈值；则修改约束条件和/或迭代终止条件，继续进行优化。

22、可选地，所述将所述计算结果与测量结果进行对比验证，根据验证结果，确定是否重新进行迭代优化，包括：

23、将计算获得的idd曲线的各个参数与测量获得的idd曲线的对应参数进行对比，若所述参数的偏差在可接受范围外，则重新进行迭代优化；

24、所述参数包括质子重离子在介质中所形成的射程、idd曲线上对应的布拉格峰的深度、布拉格峰的宽度和/或布拉格峰下降沿的宽度。

25、第二方面，本技术提供医用粒子加速器初级能谱的计算装置，所述装置包括：

26、第一获取模块，用于根据加速器产生的粒子类型，通过剂量算法并设置能量间隔，获得单能粒子idd；

27、第二获取模块，用于获得测量idd曲线，以测量idd曲线为目标，通过迭代优化以及约束条件，获得不同单能粒子对应的权重以及单能粒子能量-权重之间的关系；

28、计算模块，用于根据所述单能粒子能量-权重之间的关系，通过剂量算法，获得计算结果；

29、对比验证模块，用于将所述计算结果与测量结果进行对比验证，根据验证结果，确定是否重新进行迭代优化。

30、第三方面，本技术提供一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本技术任一项所述方法的步骤或本技术所述装置的功能。

31、第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储计算机指令，当计算机读取所述计算机指令时，所述计算机执行本技术任一项所述方法的步骤。

32、第五方面，本技术提供一种粒子加速器，所述粒子加速器包括前述医用粒子加速器初级能谱的计算装置。

33、第六方面，本技术提供一种粒子治疗系统，所述粒子治疗系统包括前述粒子加速器。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：充分考虑加速器产生的初级能谱不严格服从高斯分布的特点，以及粒子穿行路径上的电离室等部件对粒子能谱分布的影响等因素。本发明充分考虑到了以下因素：（1）质子重离子加速器产生的初级能谱并不严格的服从高斯分布，这种描述只是一种近似的方法；（2）加速器产生的粒子从加速器出射窗被引出之前，会与穿行路径上的电离室、准直器等部件发生碰撞，产生能量低、射程短的次级粒子，这些次级粒子通常会将能量沉积在bp曲线的坪区，导致坪区的剂量增加，bp曲线的峰坪比（布拉格峰深度上的剂量和坪区深度上的剂量的比值）发生变化；（3）部分加速器的机头是真空的，一些剂量算法在对粒子进行追踪模拟时为了提高计算效率，通常从出射窗的位置开始对射线进行输运，该位置的能谱与实际能谱之间存在差异。

35、本发明将连续的能谱改为离散分布，使其更加符合真实情况；可以增加初级能谱描述的精确性，同时也有更强的普适性；从数学表达上来分析，积分和微分之间可以互相转换；本技术将初级能谱的描述方法由传统的高斯分布改为离散的单能分布，对单能分布的权重进行优化，既保证了重要能量信息的保存，也舍去了对结果影响较小的部分能量，做到有的放矢；本技术以测量数据为目标函数，通过迭代优化算法计算出不同的单能粒子对应的权重；以此同时，可根据实际需求设置不同的约束条件，如能量间隔、最大最小权重等，得到不同情况下的对应结果；可以通过设置优化结果和测量结果之间的最大差异性来控制优化结果的精确性。此外，还会将优化结果（能量-权重）应用到蒙特卡罗（monte carlo, mc）一类的算法中，对实际计算结果和测量结果之间的一致性进行验证，确保以满足所需的精度需求。