6MV医用电子直线加速器轫致辐射谱研究

　第37卷第3期　2003年5月原子能科学技术

AtomicEnergyScienceandTechnology

Vol.37,No.3

May2003

6MV,,赵洪斌

1,3

,包尚联

1

(1物理学院重离子物理研究所,北京　100871;

21北京肿瘤医院,北京　100036;31北京医疗器械研究所,北京　100011)

摘要:用衰减法对6MV医用电子直线加速器的轫致辐射X射线能谱进行测量,并利用模拟电子2光子耦合输运的Monte2Carlo程序EGS4对已知的治疗头几何结构、靶材料和电子源等特征的医用电子直线加速器轫致辐射谱进行研究。实验测量结果和EGS4模拟计算结果符合较好。关键词:医用电子直线加速器;轫致辐射谱;衰减法;Monte2Carlo模拟

中图分类号:O5711436;TL53　　　文献标识码:A　　　文章编号:100026931(2003)0320226204

InvestigationofBremsstrahlungSpectraof6MVMedicalLinearAccelerator

ZHANGSong2bai,HUANGFei2zeng,HANShu2kui,ZHAOHong2bin

2

1,3

1

1

1

,BAOShang2lian

(11InstituteofHeavyIonPhysics,SchoolofPhysics,PekingUniversity,Beijing100871,China;

21BeijingTumorHospital,Beijing100036,China;31BeijingMedicalEquipmentInstitute,Beijing100011,China)

Abstract:TheenergyspectraofthebremsstrahlungX2raysfromthe6MVmedicallinearac2celeratoraremeasuredbyattenuationanalysisofthetransmissiondata.AnuniversalMonte2CarloprogramEGS4isalsousedtocalculatethebremsstrahlungspectraofthe6MVmedicallinearaccelerator.Themeasurementresultsareingoodagreementwiththecalculationre2sults.

Keywords:medicallinearaccelerator;bremsstrahlungspectra;attenuationmeasurement;Monte2Carlosimulation

　　随着放射治疗技术的发展,70%以上的肿瘤患者采用放射治疗方式,其中,X射线放射治疗占绝大多数。然而,医用电子直线加速器的标称能量并不能真实反映此加速器产生的X

收稿日期:2002206228;修回日期:2002209210

基金项目:国家自然科学基金资助项目(10175004);北京市自然科学基金重点合作资助项目(3011002)

),男,四川广安人,在读硕士研究生,核技术及应用专业作者简介:张松柏(1976—

第3期　　张松柏等:6MV医用电子直线加速器轫致辐射谱研究227

射线的全部性质,X射线能谱研究对判定电子直线加速器的X射线品质及剂量分布是非常重要的。

如果已知电子直线加速器头部结构及材料,其X射线能谱可通过Monte2Carlo程序EGS4模拟计算得到。医院运行的电子直线加

减系数。纯Al、Cu的衰减系数则采用IAEA标准数据库给定的数据。

速器一般没有靶物质、治疗头的结构和材料等一系列EGS4计算时所必需的参数,能通过测量得到。因此,、靶材料和6MVBJ26医用电子直线加速器进行研究。

1　实验装置示意图

Fig.1　Experimentalsetup

1———源;2———加速器下光阑;3———衰减片;4———准直器;5———探测器

T(y)的测量结果示于图2。从图2可以

1　实验测量

实验测量医用电子直线加速器的X射线

能谱存在较多问题:医用X射线的强度高,使

[1,2]

用直接测量法基本上不可能;康普顿谱仪在医用X射线测量技术上很难实现,光活化测

[3,4]

量仅能提供束流的光子特性。为此,本工作使用衰减法进行测量。

窄平行束的X射线在透过物质时满足指数衰减规律。医用加速器的X射线透过厚度为y的物质后有如下关系:

T(y)=

看出:Cu的T(y)值比Al的T(y)值减小得快,这是因为在相同厚度的Cu和Al中,同一能量的X射线在Cu中的衰减系数比Al中的大。

∫exp

E

max

-μ(E)F(E)dE(1)

图2　T(y)的实验测量值

Fig.2　MeasuredT(y)values

■———Cu;●———Al

其中:T(y)为X射线对穿过厚度为y的衰减

物质的透射系数;E为X射线能量;Emax为所测量X射线的最大能量;μ(E)为物质对能量为E的光子的线性衰减系数;F(E)dE为能量E～E+ΔE的X射线与所有能量的X射线在

[5～7]

探测器上产生的响应的比值,F(E)反应着能谱性质。

能谱可由下式得到:

Ψ(E)=KF(E

)C(E)Π((μρ)airE)(2)enΠρ)air为空气的质能吸收系数;K为式中:(μenΠ归一化因子;C(E)为探测器的照射量对能量的响应因子;F(E)可通过求解式(1)得到。

实验测量装置示意图示于图1。实验用衰减物质Al、Cu的线性衰减系数应在所测量的加速器X射线能区范围内单调递减。对Al、Cu衰减片的衰减系数和纯Al、Cu衰减系数进行归一处理,得到

Al、Cu在整个测量能区的衰

[6]

2　能谱重建

根据实验测量的T(y)值,用加权最小二

乘叠代法对初始谱(本文谱的初值为0)进行修正,直至由修正后的特征谱计算得到的T(y)在实验精度范围内与实验测量值一致,进而求得能谱。

[7]

考虑测量误差后,式(1)可表示为:

T(y)=

∫exp[-μ(E)y]F(E)dE+R(y)

E

max

(3)

式中:R(y)为测量误差。

把厚度及能量离散化后,上式可表示为:

(4)T=AEF+R

228原子能科学技术　　第37卷

其中:

t(y1)t(y2)T=

f(E1)f(E2)

r(y1)r(y2)

…

……

t(yn)

;F=

………

f(En)

1

;R=

………

r(yn)

1

;

e

A=

E=

-u(E)y

1

…

-u(E)y

n

…e-u(E)y

;

N

E1

e…0

-y

n

图3　F(E)重建结果

Fig.3　ReconstructionofF(E)

…ΔEi…(5)

■———Cu;●———Al

…ΔEn

式中:ΔEi为第i个能区的能量间隔。

由于式(4)的特异性,不能由一般的解矩阵方式得到解,但就物理特性而言,此方程组有唯

[6]

一特征解。

采用加权最小二乘叠代法求解。叠代过程中,为使F(E)收敛较快,能量用等间隔分区,这同时也保证了与F(E)的初值无关。按照下式进行叠代:

T

fi,k+1=fi,k+2αAW(T-AEfi,k)(6)式中:fi,k为第k次叠代的f(Ei)的值;0

M矩阵的最大特征值,其中,

M=E

1Π2

图4　能谱重建结果

Fig.4　Reconstructionofenergyspectra

■———Cu;●———Al

AWAE

T1Π2

,W为对角矩阵,

对角线上

2

元素wi,i=1Π[t(yi)+r(yi)

],此矩阵用作最

小二乘法的叠代权重因子。

通过上述方法对实验数据进行处理,得到重建的F(E)(图3)和能谱(图4)。

为了验证能谱测量的可靠性,把EGS4模拟计算的结果和实验结果进行比较。

3　结果比较与分析

利用EGS4模拟计算的BJ26头部结构示于图5。在模拟计算中,对BJ26的电子源电子

[8]

能量按其分布进行抽样,电子最大能量为

7

613MeV,计算的历史数为4×10。

从统计结果看,能够满足统计要求。

理论计算和实验测量均采用相同射野,其能谱比较示于图6。

从图6可以看出:在中间能区,理论计算值比实验测量值偏高。这是由于实验测量的只是

图5　加速器头部结构(BJ26)

Fig.5　Geometricalstructureoftheacceleratorhead(BJ26)

1———铜片;2———钨靶;3———准直器;4———电离室;5———上光阑;6———下光阑;7———均整块;8———法兰盘

第3期　　张松柏等:6MV医用电子直线加速器轫致辐射谱研究229

征的加速器能谱测量。参考文献:

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With

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图

6　Fig.6　Comparisonofthemeasuredandcalculatedenergyspectra实线———理论计算;■———Cu;●———Al

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Ratiosin

FluorireCompounds:an

Indexof

直径为1cm的中心轴区域上原射线的能谱,而理论计算则包括了原射线和散射线的能谱总和。散射线主要来源于加速器的均整块,散射线的能量偏低而使得中间能量的理论计算较实验结果偏高。在能量较高的能区,理论计算结果较实验测量结果偏低。这是因采用的FAMER剂量仪对于能量的响应因子C(E)随能量的增加而变大所引起。能量从30keV到

[9]

10MeV,C(E)因子会有6%的增加,但在实验过程中,C(E)被看作常数,因而使得理论计算结果较实验测量结果在较高能区偏低。

实验测量和理论计算结果作为剂量计算的输入数据均处在可接受的偏差范围内。

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[8]　裴鹿成,张孝泽.蒙特卡罗方法及其在粒子输运

4　结论

本工作通过对BJ26加速器能谱的理论计算值和实验测量值进行比较,证实这种衰减测

量方法是可靠的。所采用的加权叠代的能谱重建方法不需要给定能谱初值。实验测量简单易行,可用于未知几何结构、靶材料和电子源等特

问题中的应用[M].北京:科学出版社,1980.88～92.

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