一种基于蒙特卡罗扰动计算的散射线计算方法和系统

摘要

本发明公开了一种基于蒙特卡罗扰动计算的散射线计算方法和系统，所述方法包括以下步骤：(1)蒙特卡罗辐射输运计算模型建立；(2)源粒子抽样；(3)源粒子偏移参数计算；(4)对该源粒子进行输运模拟；(5)计算当前模拟源粒子及其偏移到不同子射束后对二维平面测量设备的散射线计数贡献；(6)单位强度辐射源散射线贡献计算；所述系统包括以下模块：源抽样模块、输运模拟模块、数据处理模块以及系统的存储介质。本发明可有效提高蒙卡方法计算散射线的效率，实现高效精确的散射线计算。

说明书

技术领域

本发明涉及放射治疗、工业无损检测等核能与核技术应用领域，特别是一种基于蒙特卡罗扰动计算的散射线计算方法和系统。

背景技术

在放射治疗剂量监测、医学影像重建、工业无损监测、反应堆监测等领域，一般基于穿透介质后的透射分布重建出源强分布或介质内的通量/剂量分布或介质组成，而射线穿透介质后形成的透射分布包括不与介质发生反应的“原射线”及同介质发生反应的“散射线”，若能够将“散射线”精准去除，则可以通过“原射线”分布快速精确的获取源强或介质内的通量/剂量分布或介质组成，因此研究精确的散射线计算方法，对上述领域具有重要的意义。

目前散射线计算由于速度要求主要采用解析方法，通过构建解析散射核来获得入射射线穿过介质后的散射分布，或采用简化的蒙特卡罗方法计算散射分布，这些方法计算速度较快，但是由于存在较多近似假设，在射线与介质发生复杂散射效应时难以给出精确的散射线分布，导致最终重建精度不够；蒙特卡罗方法虽然精度较高，但是为了获取精确的散射线分布往往需要较大的计算时间，已有研究采用径迹复用的方法来加快蒙卡模拟速度，但是由于需要存储大量径迹导致内存消耗巨大，因此在散射线计算时很少使用蒙特卡罗方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种精确高效的基于蒙特卡罗扰动计算的散射线计算方法和系统。

技术方案：本发明所述的一种基于蒙特卡罗扰动计算的散射线计算方法，包括以下步骤：

(1)蒙特卡罗辐射输运计算模型建立：根据源分布信息、介质影像信息和二维平面测量设备信息建立蒙特卡罗辐射输运计算模型；

(2)源粒子抽样：将整个照射野按照一定大小的子野划分为n个子射束，按照源分布信息抽样获得源粒子参数(r

(3)源粒子偏移参数计算：将该源粒子偏移到其它子射束j上，根据当前子射束源分布信息和偏移后子射束的源分布信息计算出源偏移修正参数Bis_S

(4)对该源粒子进行输运模拟：在粒子每前进一步时，将当前粒子偏移到其它子射束上，并基于扰动计算方法计算出当前步的偏移修正参数；

(5)计算当前模拟源粒子及其偏移到不同子射束后对二维平面测量设备的散射线计数贡献：当该源粒子输运模拟到二维测量平面设备(x,y)点时，统计该粒子对二维平面测量设备的散射线贡献Flux

(6)单位强度辐射源散射线贡献计算：模拟完所有源粒子，统计并归一化各个子射束对二维平面设备的散射线贡献，再乘以单位强度辐射源出射的粒子数计算得到单位强度下所有子射束的散射线贡献值。

所述步骤(3)具体为：

(3.1)根据抽样得到的源粒子参数(r

(3.2)将该源粒子空间偏移到其它子射束中得到新的源粒子参数(r

(3.3)基于上述两组概率，计算得到第i个子射束源粒子偏移到第j个子射束后的偏移修正参数Bis_S

所述步骤(4)具体为：

(4.1)第i个子射束的源粒子输运到第k步，起始点参数为(r

(4.2)根据不同子射束下粒子输运第k步的起始点坐标，结合输运介质影像数据，计算当前粒子所在子射束i以及偏移到不同子射束j下粒子输运第k步经过的等效路径

(4.3)根据不同子射束下粒子输运第k步的终点坐标，结合输运介质影像数据，计算当前粒子第k步输运后反应由子射束i偏移子射束j下时的碰撞偏移修正参数

(4.4)根据步骤(4.2)和(4.3)计算得到的输运偏移修正参数和碰撞偏移修正参数计算得到当前步的偏移修正参数

步骤(1)中所述介质影像信息包括CT影像分辨率、尺寸、CT值。

步骤(1)中所述二维平面测量设备信息包括源到二维平面测量设备距离。

一种基于蒙特卡罗扰动计算的散射线计算系统，其特征在于，所述系统包括以下模块：

源抽样模块：该模块根据源分布信息抽样得到源粒子参数，并进行源粒子偏移参数计算；

输运模拟模块：该模块实现粒子在介质中的输运过程，并统计当前粒子和偏移后粒子对计数区域的散射线贡献；

数据处理模块：该模块读入源分布信息、介质影像信息和二维平面测量设备信息并将其转换为蒙特卡罗辐射输运计算模型，同时读入粒子输运过程中涉及的反应截面数据；

系统的存储介质：该模块存储包含源分布信息、介质影像信息和二维平面测量设备信息的蒙特卡罗辐射输运计算模型，粒子输运过程中涉及的反应截面数据，以及粒子输运过程中输运径迹信息、偏移参数、计数信息。

一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于蒙特卡罗扰动计算的散射线计算方法。

一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可再处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于蒙特卡罗扰动计算的散射线计算方法。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、基于蒙特卡罗方法进行散射线计算，可给出精确的散射线贡献，从而得到精确的原射线分布，实现高精度的源强/介质剂量/介质组成重建；

2、在粒子输运时通过扰动计算将每个粒子模拟贡献偏移到不同源位置，从而有效提高了蒙特卡罗模拟效率，实现高效散射线计算，同时在输运过程中也不会显著增加内存消耗；

3、可有效提高工业检测、放疗剂量监测、医学影像重建等应用中源强/介质组成/介质内剂量通量等的重建精度。

附图说明

图1为一种基于蒙特卡罗扰动计算的散射线计算方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1：如图1所示，对一个典型鼻咽癌患者进行剂量监测和验证，计算二维平面设备上散射线分布，该患者当前射野开野大小为10cm×8cm，粒子类型为光子、加速器能量为6MV，源皮距为95cm，源轴距为100cm，源到二维平面测量设备距离为160cm，具体步骤如下：

(1)蒙特卡罗辐射输运计算模型建立

根据该例题的源分布信息，包括开野大小为10cm×8cm、源皮距为95cm、源轴距为100cm、粒子类型为光子、加速器能量为6MV，CT影像信息，包括患者CT影像分辨率、尺寸、CT值等，二维平面测量设备信息，包括源到二维平面测量设备距离为160cm等建立起蒙特卡罗辐射输运计算模型。

(2)源粒子抽样

将整个照射野按照一定0.5cm×0.5cm的子野划分为320个子射束，按照源分布信息抽样获得源粒子参数(r

(3)源粒子偏移参数计算

(3.1)根据抽样得到的源粒子参数(r

(3.2)将该源粒子空间偏移到其它子射束中得到新的源粒子参数(r

(3.3)基于上述两组概率，计算得到第i个子射束源粒子偏移到第j个子射束后的偏移修正参数Bis_S

(4)对该源粒子进行输运模拟

(4.1)第i个子射束的源粒子输运到第k步，起始点参数为(r

(4.2)根据不同子射束下粒子输运第k步的起始点坐标，结合输运介质影像数据，计算当前粒子所在子射束i以及偏移到不同子射束j下粒子输运第k步经过的等效路径

(4.3)根据不同子射束下粒子输运第k步的终点坐标，结合输运介质影像数据，计算当前粒子第k步输运后反应由子射束i偏移子射束j下时的碰撞偏移修正参数

(4.4)根据步骤(4.2)和(4.3)计算得到的输运偏移修正参数和碰撞偏移修正参数计算得到当前步的偏移修正参数

(5)计算当前模拟源粒子及其偏移到不同子射束后对二维平面测量设备的散射线计数贡献

(5.1)根据步骤(3)和步骤(4)计算得到第i个子射束源粒子输运过程偏移到第j个子射束下的总修正因子

(5.2)计算得到第i个子射束源粒子输运过程偏移到第j个子射束下，第j个子射束对二维平面设备的散射线贡献Flux

(6)单位强度辐射源散射线贡献计算

模拟完所有源粒子，统计并归一化各个子射束对二维平面设备的散射线贡献，再乘以单位强度辐射源出射的粒子数计算得到单位强度下所有子射束的散射线贡献值。

实施例2：一种基于蒙特卡罗扰动计算的散射线计算系统，所述系统包括以下模块：

源抽样模块：该模块根据源分布信息抽样得到源粒子参数，并进行源粒子偏移参数计算；

输运模拟模块：该模块实现粒子在介质中的输运过程，并统计当前粒子和偏移后粒子对计数区域的散射线贡献；

数据处理模块：该模块读入源分布信息、介质影像信息和二维平面测量设备信息并将其转换为蒙特卡罗辐射输运计算模型，同时读入粒子输运过程中涉及的反应截面数据；

系统的存储介质：该模块存储包含源分布信息、介质影像信息和二维平面测量设备信息的蒙特卡罗辐射输运计算模型，粒子输运过程中涉及的反应截面数据，以及粒子输运过程中输运径迹信息、偏移参数、计数信息。

实施例3：一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于蒙特卡罗扰动计算的散射线计算方法。

实施例4：一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可再处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于蒙特卡罗扰动计算的散射线计算方法。