CN116500665B - 傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法，属于辐射剂量测量技术领域，包括：获取给定条件下入射辐射在微剂量探测器中的沉积能量分布D(x)，并计算入射辐射在微剂量探测器和生物组织中的平均沉积能量比；将D(x)进行尺度变换，并将D(x)、进行尺度变换后得到的H(x)进行傅里叶变换，得到D(x)、H(x)分别在傅里叶空间中的模M_D、M_H；根据平均沉积能量比对模M_D、M_H差值进行修正，然后将修正后的差值进行傅里叶逆变换、归一化处理；最后将归一化处理的结果与H(x)进行卷积，得到生物组织中的沉积能谱T(x)。本发明能够准确可靠的将微剂量探测器测得的沉积能量谱转换为生物组织中沉积能量谱，有效改善当前组织等效换算方法在低能区换算时存在偏差的问题，实现测量目标。

Description

傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法

技术领域

本发明涉及辐射剂量测量与辐射防护技术领域，尤其涉及一种基于傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法。

背景技术

固体微剂量探测器由于能直接将探测器灵敏体积制成生物组织大小，可以准确表征入射辐射在微体积内的相互作用，在近年来引发了广泛的关注。不过，由于探测器材料(主要为硅和金刚石)与生物组织材料之间存在差值，如物理特性、密度、电离能等，致使放射性粒子或射线在微剂量探测器中的沉积能量分布与生物组织中的沉积能量分布并不一致。因此，为获得生物组织微观体积内的沉积能量分布，需要对微剂量探测器的测量结果进行组织等效换算。

当前，关于微剂量探测器测得的沉积能谱向同等大小生物组织的换算，有学者提出了一种基于谱图分布变换的换算方法。由于在换算过程中未对低能沉积事件的特点加以考虑，致使低能区的换算结果并不理想，即无法有效将微剂量探测器测得的沉积能量谱转换为生物组织中沉积能量谱，特别在低能区换算时存在较大误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的问题，提供了一种基于傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法，该方法包括以下步骤：

获取给定条件(一定能量射线粒子辐照场)下入射辐射在微剂量探测器中的沉积能量分布D(x)；

计算当前条件下入射辐射在微剂量探测器和生物组织中的平均沉积能量比λ；

根据平均沉积能量比λ对测得的沉积能量分布D(x)进行尺度变换，得到尺度变换后的沉积能量分布H(x)；

将D(x)、H(x)进行傅里叶变换，得到D(x)、H(x)分别在傅里叶空间中的模M_D、M_H；

计算模M_D和M_H之间的差值，并根据平均沉积能量比对差值进行修正得到M_E；

将修正后的差值M_E进行傅里叶逆变换得到沉积能量分布差E(x)，再对E(x)进行归一化处理得到C(x)；

将归一化处理的结果C(x)与尺度变换后的沉积能量分布H(x)进行卷积，得出同等条件下与微剂量探测器大小相同的生物组织中的沉积能谱T(x)。

在一示例中，所述平均沉积能量比λ的计算式为：

式中，ε表示入射辐射在介质中的沉积能量；ε(E_in,微剂量探测器)表示入射能量为E_in时，微剂量探测器中的沉积能量；ε(E_in,组织)表示入射能量为E_in时，生物组织中的沉积能量。

在一示例中，粒子平均沉积能量ε的计算式为：

ΔE＝E_i-E_i+1

ε＝E₀-E_n

式中，L表示入射辐射在介质(微剂量探测器或生物组织)中穿过的距离；ΔE表示能量间隔；E₀表示入射辐射进入介质之前的能量；E_n表示入射辐射离开介质时的能量；i表示第i个能量间隔点；S(E_i)表示能量大小为E_i时，介质对入射粒子的线性阻止本领。

在一示例中，对测得的沉积能量分布D(x)进行尺度变换的计算式为：

H(x)＝λD(λx)

式中，x表征粒子沉积能量。

在一示例中，计算模M_D和M_H之间的差值，并根据平均沉积能量比对差值进行修正的计算式为：

在一示例中，沉积能谱T(x)的计算式为：

T(x)＝C(x)*H(x)

式中，x表征粒子沉积能量。

在一示例中，傅里叶变换、傅里叶空间中模的计算公式为：

式中，1≤k≤N，表示粒子沉积能量数据点x在傅里叶空间对应的数据点，N表示数据长度，x表征粒子沉积能量。

在一示例中，傅里叶逆变换计算公式为：

式中，1≤k≤N，表示粒子沉积能量数据点x在傅里叶空间对应的数据点，N表示数据维度，x表征粒子沉积能量。

在一示例中，剔除沉积能量分布差E(x)中的负值。

在一示例中，剔除E(x)负值后进行归一化处理的计算式为：

式中，E₁(x)表示剔除E(x)分布中负值后得到的分布；C(x)表示归一化后的分布，x表征粒子沉积能量。

需要进一步说明的是，上述方法各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

本发明方法能够广泛应用于固体微剂量探测器的组织等效修正中，使探测器适用于粒子全射程内测量；结合仿真结果可知，本发明方法能够准确可靠的将微剂量探测器测得的沉积能量谱转换为生物组织中沉积能量谱，有效改善当前组织等效换算方法在低能区换算时存在偏差的问题，实现测量目标；整个过程操作简便，在一定程度上降低测量成本。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为50MeV质子在骨骼体膜中的百分深度剂量曲线图；

图2为本发明公开的一种基于傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法的流程图；

图3为百分深度剂量曲线坪区金刚石微剂量探测器的等效换算结果与骨骼中沉积能谱的对比图；

图4为百分深度剂量曲线布拉格峰前端处金刚石微剂量探测器的等效换算结果与骨骼中沉积能谱的对比图；

图5为百分深度剂量曲线布拉格峰后端处金刚石微剂量探测器的等效换算结果与骨骼中沉积能谱的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用序数词(例如，“第一和第二”、“第一至第四”等)是为了对物体进行区分，并不限于该顺序，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例以10×10×10μm³大小金刚石微剂量探测器在50MeV质子辐照场中测得的能谱向同等大小生物组织中沉积能量等效换算为例，采用本发明方法对金刚石微剂量探测器在骨骼百分深度剂量曲线坪区、布拉格峰前端、布拉格峰后端测得的能量沉积分布进行组织等效换算。其中，50MeV质子照射下骨骼的百分深度剂量曲线如图1所示，它表示射线粒子(50MeV质子)在骨骼中某一深度处的吸收剂量与参考深度处吸收剂量之比的百分数，是描述射线中心轴不同深度处相对剂量分布的物理量。

此时，如图2所示，本发明一种基于傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法包括以下步骤：

S1：获取金刚石微剂量探测器在百分深度剂量曲线坪区、布拉格峰前端、布拉格峰后端处的沉积能量分布D₁(x)、D₂(x)、D₃(x)；

本实施例中，选取的布拉格曲线坪区、布拉格峰前端、布拉格峰后端测量点的三个测量点在体膜中的具体深度参数如表1所示：

表1选取的测量点在骨骼体膜中的深度位置

S2：计算在测量点1、测量点2、测量点3处入射能量下金刚石微剂量探测器与骨骼之间的平均沉积能量比，λ₁、λ₂、λ₃；

S3：根据计算得到的平均沉积能量比将测量点1、测量点2、测量点3处测得的沉积能量分布D₁(x)、D₂(x)、D₃(x)进行尺度变换，得到H₁(x)、H₂(x)、H₃(x)；

S4：将分布D₁(x)、D₂(x)、D₃(x)和H₁(x)、H₂(x)、H₃(x)进行傅里叶变换并求得变换后结果在傅里叶空间里的模M_D1、M_D2、M_D3和M_H1、M_H2、M_H3；

S5：计算模M_D1和M_H1、M_D2和M_H2、M_D3和M_H3之间的差异并根据平均沉积能量比对差异进行修正得到M_E1、M_E2、M_E3；

S6：将M_E1、M_E2、M_E3进行傅里叶逆变换得到E₁(x)、E₂(x)、E₃(x)，并对E₁(x)、E₂(x)、E₃(x)进行归一化处理得到C₁(x)、C₂(x)、C₃(x)；

S7：将归一化处理的结果C₁(x)、C₂(x)、C₃(x)分别与尺度变换后的沉积能量分布H₁(x)、H₂(x)、H₃(x)进行卷积计算，得出测量点1、测量点2、测量点3处骨骼中的沉积能量分布T₁(x)、T₂(x)、T₃(x)。

为验证本发明方法的组织等效换算效果，通过软件模拟获取各测量点处质子在相同大小骨骼中的沉积能量分布B₁(x)、B₂(x)、B₃(x)，将运用本发明提出的方法得到的沉积能量分布T₁(x)、T₂(x)、T₃(x)与B₁(x)、B₂(x)、B₃(x)进行对比，结果如图3-5所示，图3-5中横坐标ε表示骨骼中沉积的能量，纵坐标F(ε)表示沉积能量的概率分布。其中图3为测量点1处金刚石微剂量探测器的等效换算结果与骨骼中沉积能量分布的对比；图4为测量点2处金刚石微剂量探测器的等效换算与骨骼中沉积能量分布的对比；图5为测量点3处金刚石微剂量探测器的等效换算结果与骨骼中沉积能量分布的对比。综合上述图3-5可以看出，通过本发明方法对微剂量探测器进行组织等效换算后得到的沉积能量分布与相同条件下骨骼中的沉积能量分布吻合度较好，尤其是在测量点1、2处低能区，换算结果与实际结果之间的重合度较高，即：本发明方法能将探测器测得的沉积能量分布准确转换为相同条件下生物组织体中的沉积能量分布，且与现有换算方法相比，该方法可以有效消除低能区的换算偏差，提高换算结果与实际结果之间的吻合度。

以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法，其特征在于：其包括以下步骤：

获取给定条件下入射辐射在微剂量探测器中的沉积能量分布D(x)；

计算当前条件下入射辐射在微剂量探测器和生物组织中的平均沉积能量比λ；

根据平均沉积能量比λ对测得的沉积能量分布D(x)进行尺度变换，得到尺度变换后的沉积能量分布H(x)；

将D(x)、H(x)进行傅里叶变换，得到D(x)、H(x)分别在傅里叶空间中的模M_D、M_H；

计算模M_D和M_H之间的差值，并根据平均沉积能量比对差值进行修正得到M_E；

将修正后的差值M_E进行傅里叶逆变换得到沉积能量分布差E(x)，再对E(x)进行归一化处理得到C(x)；

将归一化处理的结果C(x)与尺度变换后的沉积能量分布H(x)进行卷积，得出同等条件下与微剂量探测器大小相同的生物组织中的沉积能谱T(x)。

2.根据权利要求1所述的傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法，其特征在于：所述平均沉积能量比λ的计算式为：

式中，ε表示入射辐射在介质中的平均沉积能量；ε(E_in,微剂量探测器)表示入射能量为E_in时，微剂量探测器中的沉积能量；ε(E_in,生物组织)表示入射能量为E_in时，生物组织中的沉积能量。

3.根据权利要求1所述的傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法，其特征在于：粒子平均沉积能量ε的计算式为：

ΔE＝E_i-E_i+1

ε＝E₀-E_n

式中，L表示入射辐射在介质中穿过的距离；ΔE表示能量间隔；E₀表示入射辐射进入介质之前的能量；E_n表示入射辐射离开介质时的能量；i表示第i个能量间隔点；S(E_i)表示能量大小为E_i时，介质对入射粒子的线性阻止本领。

4.根据权利要求1所述的傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法，其特征在于：对测得的沉积能量分布D(x)进行尺度变换的计算式为：

H(x)＝λD(λx)

式中，x表征粒子沉积能量。

5.根据权利要求1所述的傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法，其特征在于：计算模M_D和M_H之间的差值，并根据平均沉积能量比对差值进行修正的计算式为：

6.根据权利要求1所述的傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法，其特征在于：沉积能谱T(x)的计算式为：

T(x)＝C(x)*H(x)

式中，x表征粒子沉积能量。

7.根据权利要求1所述的傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法，其特征在于：傅里叶变换、傅里叶空间中模的计算公式为：

式中，1≤k≤N，表示粒子沉积能量数据点x在傅里叶空间对应的数据点，N表示数据长度，x表征粒子沉积能量。

8.根据权利要求1所述的傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法，其特征在于：傅里叶逆变换计算公式为：

式中，1≤k≤N，表示粒子沉积能量数据点x在傅里叶空间对应的数据点，N表示数据维度，x表征粒子沉积能量。

9.根据权利要求1所述的傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法，其特征在于：剔除沉积能量分布差E(x)中的负值。

10.根据权利要求9所述的傅里叶尺度变换特性的微剂量探测器组织等效换算方法，其特征在于：剔除E(x)负值后进行归一化处理的计算式为：

式中，E₁(x)表示剔除E(x)分布中负值后得到的分布；C(x)表示归一化后的分布，x表征粒子沉积能量。