重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法及其旋轉降能裝置的制作方法

專利名稱：重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法及其旋轉降能裝置的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及重離子及質子治療中布拉格峰(Bragg峰)展寬的模型建立及參數 計算的方法。
背景技術：
-重離子及質子是目前放射治療領域內公認的最有效的粒子，這是因為它具有顯著優 于其它普通射線如X射線的生物物理學特性(Kraft G Tumor therapy with heavy charged particles. Progress in particle and nuclear physics, 2000，45:s473-544)。荷能重離子貫穿耙物 質時，主要是通過與耙原子核外電子的碰撞損失其能量，隨離子能量的降低，這種碰撞 的幾率增大。因此，離子在接近其射程末端時損失其大部分初始動能，形成一個高劑量 的能量損失峰，這就是Bragg峰，在其射程末端之后，即Bragg峰之后很少有劑量吸收； 同時離子在其入射通道上損失的能量較小，因而形成一個相對低劑量的坪區。這就是重 離子束特有的倒轉深度劑量分布。利用這種倒轉的深度劑量分布可以將其Bragg峰區瞄 準腫瘤，而使其前后及周圍的健康組織受損很小。然而，腫瘤的大小通常要比Bragg峰 寬要寬，因此需要調節Bragg峰的位置，從而使峰區能夠覆蓋整個瘤區，使腫瘤均勻受 照。而離子束Bragg峰位的深度可以通過改變入射離子束的能量來調節，因而治療時 Bragg峰位可精確地調整在腫瘤靶區上。關于Bragg峰展寬的裝置，國外曾有報道利用可變水柱，二進制過濾器，雙楔形可 變吸收裝置，環狀楔形吸收裝置(W.t. Chu^ B.A.Ludewigt， and T.R. Renner, instrumentation for treatment of cancer using proton and light-ion beams)以及楔形過濾器等來改變入射離 子束的能量，從而實現Bragg峰位的深度調節即Bragg峰的展寬，前三種裝置對Bragg 峰進行非連續的移動，第四種裝置雖然能夠連續移動Bragg峰，但未給出其設計參數的 計算方法，而第五種裝置雖然也能展寬Bragg峰，但不易做到平滑展寬。

發明內容
本發明的目的在于避免現有技術的不足之處，而提疾一種重離子及質子治療中 Bragg峰展寬的計算方法及其旋轉降能裝置。本發明的目的可以通過采用以下技術方案來實現，一種重離子及質子治療中Bmgg峰 展寬的計算方法，其主要特點包括有如下步驟-A. 建立數學模型j[朋単兩;c + f v(關)WH^ET[jc + f v(/>/,]^ = (0)其中T為布拉格峰(Bragg峰)移動一個周期所用的時間；v(r)為Bragg峰移動的 速度對時間的函數；z五roo為粒子通路x上的傳能線密度函數；及5五(i^r(x))為相對 生物學效應，這里的數據引用的是UC"相對于X射線的V79細胞的10%存活的相對生 物學效應；X為粒子注入深度；i)(/)為單位時間內來自加速器的粒子數；函數》(x)為 Z e [O，r]時生物有效劑量分布，即為治癌所要求的Bragg峰展開后的形態。B. 用蒙特卡羅法求解模型。C. 將上述計算結果A*=(ai' ， a2' ,a3',…，a *)作為設計重離子及質子治療中Bragg峰 展寬降能裝置的參數。所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，還包括其中D(,)為單位時間粒子通量；i^)為單位時間內來自加速器的粒子能量通量； /,卿，力艦,絲雖斜好會匯。所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，還包括 當D(r)為常數時，所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，還包括- "[o,r] (2)為Bragg峰移動的距離時間函數。 由方程(1)和(2)得， 所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，還包括 W) = 5腦fif.~^——^——~~^~~5-2- (4)q .r+r15+fl2 *r2+"3 ':r其中歷t)^/為Bragg峰的預期展寬寬度，c^為待定參數(i-l,2,…,n)。 所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，還包括Bragg峰展寬區的 相對標準誤差Reto￡fev = --{J^t[^x,)—丄15(x,)]2) (5)》")"1 " 1其中n為計算時Bragg展寬區所選計算用的點的數量。Relstdev: Bragg峰展寬區的 相對標準誤差。所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，還包括步驟B用蒙特卡羅法 求解模型-利用蒙特卡羅(Monte carlo)法求出使相對標準誤差(Relstdev)為最小的待定系數 a,.，其基本思想是:在估計的區域"ai，a2，…，a^laie(Ci，b0^1，2,…^內隨機取若干實驗點，然后從試驗點中找出最小點。實驗點的第i個分量ai服從[Ci，bi]內的均勻分布。艮口a產Ci+R(bi—Ci) ， i=l,2，'"，n，其中Ci，bi為ai取值的下限和上限；R為一個
均勻分布的隨機數。設P-實驗點總數；MaxP:最大實驗點總數；Broad: Bragg峰展寬寬度；A、迭代產生的最優點{a,} ，i=l，2,"-,n,A:臨時產生的點UJ ，i=l,2，'"，n，Q:迭代產生的Relstdev()最小值,其初值為計算機所能表示的最大數， Min:給定的Relstdev()的最大取值。 對迭代步驟做進一步的詳述步驟l:初始化:給定Broad, T， MaxP;P=0，Q大正數， 步驟2: P=P+1，步驟3:比較P與MaxP的大小，若P大于MaxP，退出迭代過程，輸出結果，否
則，隨機產生ai^i+R(bi—cO ， i=l，2,"-,n,步驟4:計算相對標準誤差Relstdev()，若Relstdev()大于Q，繼續步驟(2)，否貝U， A*=A,Q= RelstdevO，步驟5:比較Q與Mir^若Q大于Min，繼續步驟(2)，否則退出迭代過程，輸出 結果。步驟6:結果輸出輸出X',Q,P, 5(x)。一種重離子及質子治療中Bra碟峰展寬的旋轉降能裝置，包括有電機(1)通過支 架G)固定，電機軸(2)通過在電機軸(2)上設有的鍵(7)與旋轉降能盤(6)固連， 其主要特點是在旋轉降能盤(6)的中部設有圓盤(61)，圓盤(61)的周圍為降能盤(62)， 降能盤(62)的表面設有連續的曲面。所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的旋轉降能裝置，所述的降能盤(62)的 表面連續的曲面為函數現用函數將各部分結構描述如下當"[^2]時，;c = "cos(a) y = "sin(or) z = C + Cm"0)2'"其中，ae
)*D(o'Z￡r[x+ f v(o^]rff = <9(x) (o)其中T為布拉格峰(Bragg峰)移動一個周期所用的時間(這里取T-ls); v(C為 Bragg峰移動的速度對時間的函數;； Z￡7^x)為粒子通路^上的傳能線密度函數;， i^￡(￡￡7X^為相對生物學效應，這里的數據引用的是12<:6+相對于X射線的V79細胞 的10%存活的相對生物學效應。x為粒子注入深度；D(r)為單位時間內來自加速器的 粒子數；函數^")為fe
時生物有效劑量分布，即治癌所要求的Bragg峰展開后的 置，其主要包含有 一感測(SENSOR)單元，其包含有一霍爾傳感器(HALL SENSOR), 所述的霍爾傳感器(HALL SENSOR)可于偵測到磁性尺時產生一方波信號；一信號顯示單元，其包含有一顯示組件，所述的顯示組件可顯示出所述的感測 (SENSOR)單元的信號狀態；一信號輸出單元，其可將所述的感測(SENSOR)單元的信號轉換成一組Z及/Z信 號，以傳送至主機用于讀取測量。所述的磁性感應尺感應讀頭校正裝置，其特征在于所述的霍爾傳感器(HALL SENSOR)感應到N極磁場時，所述的感測(SENSOR)單元輸出高(Hi)信號，而當霍爾 傳感器(HALL SENSOR)感應到S極磁場時，所述的感測(SENSOR)單元輸出低(Low) 信號。所述的磁性感應尺感應讀頭校正裝置，所述的信號顯示單元包含有一放大晶體 管，所述的放大晶體管可將所述的感測(SENSOR)單元的信號輸出到所述的顯示組 件，以驅動所述的顯示組件變化。所述的磁性感應尺感應讀頭校正裝置，所述的顯示組件為一發光二極管組件。所述的磁性感應尺感應讀頭校正裝置，當所述的感測(SENSOR)單元輸出高(Hi) 信號時，所述的發光二極管組件熄滅，所述的感測(SENSOR)單元輸出低(Low)信號 時，所述的發光二極管組件亮起。所述的磁性感應尺感應讀頭校正裝置，所述的信號輸出單元包含有一兩極反向 放大電路。所述的磁性感應尺感應讀頭校正裝置，所述的兩極反向放大電路包含一放大 器、 一準位參考電源及一放大比率用電阻。本發明的有益效果是其利用所述的感測(SENSOR)單元的霍爾傳感器(HALL SENSOR)感應磁場變化，當所述的感應讀頭進入正確的有效感應距離內時，所述的 霍爾傳感器(HALL SENSOR)可輸出一信號；并驅動所述的顯示組件變化，使用者不 需借助任何工具即可將所述的感應讀頭安裝于正確位置上；且所述的顯示組件可為一發光二極管組件，當感應讀頭位于有效感應距離內， 沿著磁性尺方向位移時，所述的發光二極管組件可隨著磁性尺N或S極磁場的變化， 而不斷的產生明暗交替閃爍動作，使用者可借助所述的發光二極管組件的閃爍動 作，確認所述的感應讀頭處于正常讀取狀態；
利用蒙特卡羅(Monte carlo)法求出使相對標準誤差(Relstdev)為最小的待定系數 《(i=l，2,3)，見圖l，對迭代步驟做進一步的詳述步驟1:初始化Broad, T, MaxP， Q為Broad=l, T-l ， MaxP=27000, Q=l 。當^ e
， min=0.01時，步驟2: P = P+1，步驟3:比較P與MaxP的大小，若P大于MaxP,退出迭代過程，輸出結果，否 則，隨機產生arCi+R(bi—Ci) ， i-l,2,…，n,步驟4:計算相對標準誤差Relstdev()，若Relstdev()大于Q，繼續步驟(2)，否則， A*=A,Q= Relstdev();步驟5:比較Q與Mii^若Q大于Min，繼續步驟(2)，否則退出迭代過程，輸出 結果。步驟6:結果輸出輸出X'，Q，P， >9(x)。求得fl尸0.071627， af0.29017, a5=0.001832，相對標準誤差為Relstedev=Q=0.012 通常當相對誤差小于5%時就可以用于治療.。峰坪比為3.5。 因此可得，—0.071627"+ 5 +0.2901742 +0.00— 0.0716274++0.29017." +0.0018324 0.071627 +1 + 0.29017 + 0.001832 — 1.363629C.設備設計見圖2， 一種重離子及質子治療中Bragg峰展寬的旋轉降能裝置，包括有電機1通 過支架3固定，電機軸2通過在電機軸2上設有的鍵7與旋轉降能盤6固連，其主要特 點是在旋轉降能盤6的中部設有圓盤61，圓盤61的周圍為降能盤62，降能盤62的表面 設有連續的曲面。所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的旋轉降能裝置，所述的降能盤62的表 面連續的曲面為函數-<formula>formula see original document page 11</formula>這里，根據蘭州重離子加速器治癌終端為例進行設計，該終端束流直徑為45mm,這 里取A^6mm, r尸115mm， rfl75mm，因此，設計的展寬裝置降能區的徑向寬度為。一 ^=60mm，大于45mm，這樣能保證束斑能落在整個降能區。所述的旋轉降能盤6的材 料為有機玻璃，因此0 =0.862。參數C根據加工條件選取，這里取理想值C＝O。 當re[115,175]時，<formula>formula see original document page 12</formula>此實體為降能所使用的區域，當轉子旋轉時粒子沿軸方向通過該區域，達到降能的 目的。此實體為降能盤62的區域，當轉子旋轉時粒子沿軸方向通過該區域，達到降能的目 的。降能盤62表面為連續的曲面，0~兀/2， n—3::/2為上升曲面；Ji/2—or, 3 n/2 一2n為下降曲面。當re[6/mM，115/M附)時，z = 10; w，其實體為旋轉降能盤6的中部設有的圓盤61， 起支撐轉子的作用。當re(0,6附附)時，z-0m附，此孔為電機軸2與旋轉降能盤6連接孔，其作用是固 定轉子于轉動裝置上。在使用時，病人躺在圓盤下，束流線通過降能盤照射到人體癌細胞處。粒子沿軸方 向穿過變化的曲面體，旋轉降能盤6以大于150轉/分的速度旋轉。此值無需計算。展寬的結果見圖3，其中RBE為加入相對生物學效應的展寬結果，Physical為展寬 后物理劑量分布。Pristine為單能Bragg峰。展寬后的結果在圖中已歸一化，即，使入射能 量為相對值l。
權利要求
1.一種重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，其特征包括有如下步驟A.建立數學模型
2. 如權利要求1所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，其特征還包括竭=,其中D(O為單位時間粒子通量；F(O為單位時間內來自加速器的粒子能量通量；J,。 ^^為到達降能設備處的單粒子能量。
3. 如權利要求2所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，其特征還包括當D(O為常數時，
4. 如權利要求3所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，其特征還包括:s(/)=^v, ] (2)<0為Bragg峰移動的距離時間函數； 由方程(1)和(2)得，<formula>formula see original document page 3</formula> (3)
5. 如權利要求4所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，其特征還包括<formula>formula see original document page 3</formula>(4)其中5raarf為Bragg峰的預期展寬寬度，a,為待定參數(i-l,2,* ，!!)。
6. 如權利要求1所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，其特征還包括Bragg峰展寬區的相對標準誤差<formula>formula see original document page 3</formula> (5)其中n為計算時Bragg展寬區所選計算用的點的數量。Relstdev: Bragg峰展寬區的 相對標準誤差。
7. 如權利要求1所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，其特征還包括步驟B用蒙特卡羅法求解模型步驟l:初始化:給定Broad, T， MaxP;P=0,Q大正數； 步驟2: P=P+1;步驟3:比較P與MaxP的大小，若P大于MaxP，退出迭代過程，輸出結果，否 貝ij，隨機產生a尸Ci+R(bi—Ci) ， i=l,2，"'，n;步驟4:計算相對標準誤差RelstdevO，若Relstdev()大于Q，繼續步驟(2)，否貝U， A*=A,Q=Relstdev();步驟5:比較Q與Mir^若Q大于Min，繼續步驟(2)，否則退出迭代過程，輸出 結果；步驟6:結果輸出輸出X Q，P， 5(;c)。
8. —種重離子及質子治療中Bragg峰展寬的旋轉降能裝置，包括有電機(1)通過支架(3)固定，電機軸(2)通過在電機軸(2)上設有的鍵(7)與旋轉降能盤(6)固 連，其特征是在旋轉降能盤(6)的中部設有圓盤(61),圓盤(61)的周圍為降能 盤(62)，降能盤(62)的表面設有連續的曲面。
9. 如權利要求8所述的重離子及質子治療中Bragg峰展寬的旋轉降能裝置，其特征是所述的降能盤(62)的表面連續的曲面為函數 柳二fv(w "[o,r]。
10.如權利要求9所述的重離子及質子治療中Bra能峰展寬的旋轉降能裝置，其特征是 所述的旋轉降能盤(6)的材料為有機玻璃或其它固體材料。
全文摘要
本發明主要涉及重離子及質子治療中布拉格峰(Bragg峰)展寬的模型建立及參數計算的方法。一種重離子及質子治療中Bragg峰展寬的計算方法，其主要特點包括有如下步驟A.建立數學模型∫#-+[T]₀RBE(LET(x+∫#-+[T]₀ν(t)dt])·D(t)·LET[x+∫#-+[T]₀ν(t)dt]dt=θ(x)；B.用蒙特卡羅法求解模型；C.將上述計算結果A^*＝(a₁^*，a₂^*，a₃^*，…，a_n^*)作為設計重離子及質子治療中Bragg峰展寬降能裝置的參數。本發明的優點是，這一模型的建立可以實現Bragg峰的連續移動，使Bragg峰展寬區水平平滑，實現在治癌過程中腫瘤區接收的能量達到完全均勻分布。
文檔編號A61N5/10GK101126814SQ20071001804
公開日2008年2月20日 申請日期2007年5月26日 優先權日2007年5月26日
發明者周清明, 紅 張, 強 李 申請人:中國科學院近代物理研究所