扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法和系统

技术领域

本发明涉及一种扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法和系统，属于辐射剂量测量技术领域。

背景技术

在离子束辐照科学技术研究、工业及临床医学应用中，常常需要对离子束的辐射场进行剂量分布测量，以保证辐照准确性。剂量分布测量一般需要用到二维剂量探测器。二维剂量探测器具有多种类型，有基于多个电离室的二维电离室矩阵，又可分半导体类型和空气电离室型；也有基于材料受辐射后发光的探测器，如热释光薄膜、闪烁体探测器等；还有基于化学材料辐射变色的探测器，比如需冲洗放射显影胶片和免冲洗的辐射变色胶片、凝胶剂量计薄膜等。

辐射变色胶片是一种基于有机分子的辐射剂量计，由于有机分子聚合物的尺寸在微米量级，理论上辐射变色胶片的剂量测量空间分辨率也在微米量级。因此，对空间分辨率要求较高的剂量测量场景中，可以使用辐射变色胶片进行测量。此外，辐射变色胶片受剂量率大小影响很小(<10

虽然辐射变色胶片具有许多优点，但其剂量测量却需要较为严格的操作规程，以保证测量精度。为提高剂量测量分辨率，辐射变色胶片需要使用专业的透射型扫描仪将胶片数字化输出48位彩色胶片正片。使用辐射变色胶片测量剂量，首先需要对胶片进行剂量刻度，即胶片受到射线照射后的变色程度的量化指标与照射剂量的关系曲线，该曲线称为胶片剂量响应曲线或刻度曲线。在利用胶片测量剂量分布时，再根据胶片的变色程度量化指标和胶片剂量刻度曲线推算出照射剂量分布。因此，剂量刻度曲线的准确性在胶片剂量测量中是非常重要的。由于不同批次的胶片存在加工原材料纯度或工艺上的差异，因此不同批次的胶片对剂量的响应是差异的，所以在使用不同批次的胶片进行剂量测量需要对该批次的胶片进行剂量刻度。常规的胶片剂量刻度方法是，取某一批次胶片中的一张，将其分割成若干小块，在均匀的辐射野中分别照射已知的剂量，待胶片充分变色后(通常照射后避光保存24小时左右)再通过扫描仪进行数字化，最后利用胶片分析工具建立胶片变色程度的量化指标与剂量的一一对应关系曲线。胶片长时间存储或经历不同的暴露历史，也会导致胶片对剂量响应的差异，因此随着存放时间推移，即使是使用相同批次胶片的剂量刻度曲线，刻度曲线获得的时间与剂量测量日期相差较远时也会导致不可忽略的测量误差。因此，常规的胶片剂量测量方法存在与胶片储存时间、暴露环境等与胶片特定经历相关的批次内响应差异的影响。为了提高剂量测量精度，可以提高胶片刻度曲线的获取频率，然而这不但增加了工作量，还增加了胶片的使用成本。此外，在常规刻度胶片方法中，使用的是均匀的照射野，按照剂量梯度逐一照射，因此胶片剂量响应刻度所需的照射时间较长。最后，使用胶片进行剂量测量还需要注意胶片刻度照射与数字化操作的间隔时间，即胶片照射后避光保存的时间。为了保证测量精度，一般要求剂量测量胶片照射后的避光保存时间与刻度胶片照射后的避光保存时间一致。在实际测量中，严格把控避光保存时间上的一致性是难以实现的，因而为了降低照射后胶片变色不一致导致的测量误差，一般要求胶片在照射后避光保存24小时，等待其充分变色后再利用扫描仪进行数字化。所以，利用胶片测量辐射剂量的规程是复杂且耗时的。其中，辐照后需等待胶片充分变色后才可数字化用于后续剂量分析的非即时性问题是辐射变色胶片用于日常治疗计划剂量验证的最大限制因素。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法和系统，用于解决辐射变色胶片的传统使用方法中遇到的批次间和批次内胶片剂量刻度曲线的差异，以及辐照后需长时间避光保存才数字化的不及时性等问题。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法，包括以下步骤：将辐射变色胶片分为刻度区和剂量测量区，在所述刻度区照射不同剂量面积乘积DAP梯度的束斑，在所述剂量测量区照射待测照射野；将辐射变色胶片的刻度区和剂量测量区同时进行数字化，获得刻度区的胶片变色指标分布f

进一步，所述辐射变色胶片的刻度区和剂量测量区同时进行数字化的方法包括：将刻度区与胶片剂量测量区同时通过胶片扫描仪生成胶片数字化图像，对所述胶片数字化图像进行横向伪影修正，提取刻度区的红、绿、蓝通道的像素值，或将所述胶片数字化图像转换成光密度值或净光密度值，获得胶片变色指标分布f

提取胶片剂量测量区的红、绿、蓝通道的像素值，或将所述胶片数字化图像转换成光密度值或净光密度值，获得胶片变色分布f

进一步，根据最终获得的f′(d′(x,y))计算束斑剂量分布函数d′(x,y)，刻度区的胶片变色指标分布f

进一步，通过多个剂量面积乘积DAP梯度的束斑，能够获得不同范围的剂量与所述胶片变色指标分布f

进一步，根据最终获得的f′(d′(x,y))计算剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)，对所述剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)求反函数，获得胶片剂量刻度曲线，将胶片剂量测量区的胶片变色分布f

进一步，所述束斑剂量分布函数d′(x,y)为椭圆高斯分布或多椭圆高斯分布。

进一步，所述胶片变色指标分布f

min∑(f

进一步，扫描离子束照射通过X方向扫描磁铁与Y方向扫描磁铁，分别引导离子笔形束在X方向与Y方向的偏转，使得离子笔形束照射在等中心平面上的坐标点位置，所述剂量面积乘积DAP的计算公式为：

DAP＝N/k＝D·Δx·Δy

其中，Δx，Δy分别为X方向与Y方向上相邻扫描点的间距，N是每个扫描点照射的监测电离室计数，D是等中心处测量获得绝对剂量，k是DAP与N之间的比例系数。

本发明还公开了一种扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量系统，用于实现如上述任一项所述的扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法，包括：扫描离子束照射装置、等中心平面、胶片扫描仪、数据处理模块和输出模块，所述扫描离子束照射装置，用于产生离子笔形束；所述等中心平面，用于放置辐射变色胶片，并使所述离子笔形束照射在所述辐射变色胶片上；所述胶片扫描仪，用于将所述辐射变色胶片数字化，生成胶片数字化图像；所述数据处理模块,用于对所述数字化图像进行处理，生成获得刻度区的胶片变色指标分布f

进一步，所述扫描离子束照射装置包括：X方向扫描磁铁、Y方向扫描磁铁和在线监测电离室；所述X方向扫描磁铁，用于引导离子笔形束在X方向的偏转；所述Y方向扫描磁铁，用于引导离子笔形束在Y方向的偏转；所述在线监测电离室，用于控制和记录照射在等中心平面上的坐标点位置上的电离室计数。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、由于本发明对胶片剂量刻度采用的是笔形束束斑照射而不是传统刻度法中采用均匀照射野照射，因此可以大大减少剂量刻度照射的总剂量，进而大大缩短刻度照射时间。

2、采用笔形束束斑进行剂量刻度，可以节省胶片的使用量，即可以在胶片一小块区域完成胶片剂量的刻度；

3、在传统刻度方法中获得的是离散的几个剂量和相应胶片变色指标的数据点，再利用离散的点拟合获得剂量刻度曲线，而在本发明方法中可以采用多个剂量面积乘积梯度的束斑进行刻度，束斑的剂量分布是连续的，因此理论上可以获得无数个剂量与变色指标数据点来拟合剂量刻度曲线，从而获得更高精度的刻度曲线。

4、由于胶片刻度所需的胶片区域较小，因此可以在同一块胶片上进行刻度与剂量测量，进而避免了传统方法中在不同张胶片进行剂量刻度与剂量测量带来的误差。

5、在同一张胶片进行剂量刻度与测量，且刻度照射时间非常很短，相当于剂量刻度与测量同时照射。因此照射后的胶片无需等待胶片充分变色再进行胶片数字化，解决了胶片测量中的及时性问题。

6、本发明中获得束斑剂量的分布参数是扫描离子束照射装置的质量控制的一部分，为照射装置质量控制分担了部分工作量。

附图说明

图1是本发明一实施例中扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法的流程图；

图2是本发明一实施例中等中心平面照射的辐射变色胶片的示意图；

图3是本发明一实施例中等中心平面处测量剂量面积乘积DAP的示意图；

图4是本发明一实施例中扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量系统的示意图；

图5是本发明一实施例中扫描离子束照射装置的示意图。

1-刻度区；2-剂量测量区；3-绝对剂量电离室；4-信号线；5-扫描离子束照射装置；51-离子笔形束；52-X方向扫描磁铁；53-Y方向扫描磁铁；54-在线监测电离室；6-等中心平面；7-胶片扫描仪；8-数据处理模块；9-输出模块。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

辐射变色胶片的变色原理是有机二乙炔分子在射线的作用下化学键断裂再聚合形成聚二乙炔染料聚合物，附着在塑料薄膜上的聚合物会使得薄膜的透光性降低。对相同辐射质的射线，照射在胶片上的剂量越高，胶片的透光性越低，宏观上表现为胶片的颜色加深变色。因此，可以利用辐射变色的特性测量辐射剂量及其分布。

为了充分发挥辐射变色胶片的优势，解决传统使用方法中遇到的批次间和批次内胶片剂量刻度曲线的差异，以及辐照后需长时间避光保存才数字化的不及时性问题，本发明提供了一种扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法和系统，其通过扫描离子束及辐射变色胶片的特性，实现在同一张胶片上进行剂量刻度与剂量分布测量的目的，从而避免了胶片批次间及批次内剂量刻度曲线的差异导致的剂量测量不准确的影响。此外，由于在较短的时间内进行了剂量刻度与剂量分布测量，因此刻度和测量照射后的胶片变色时间一致性可得到保障，胶片辐照后的可在较短时间之后的任意时刻进行数字化扫描，进而分析处理得到剂量测量结果。利用本发明方法可以提高胶片剂量测量的精度和及时性。下面通过实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。

实施例一：

传统的胶片刻度方法是在离散的胶片上分别照射不同的剂量，得到不同的变色程度f与剂量d之间的关系，即剂量刻度曲线d(f)。本实施例的方案原理上与传统方案一致，也需要建立f与d之间的关系，但本实施例采用的是平面上连续剂量分布d(x,y)与变色程度分布f(x,y)的对应关系建立d(f)曲线。更明确地说是使用一个或多个离子笔形束51束斑的剂量分布d(x,y)与胶片变色程度f(x,y)构建胶片剂量刻度曲线，并用于胶片剂量测量。

本实施例公开了一种扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1将辐射变色胶片分为刻度区1和剂量测量区2，在刻度区1照射不同剂量面积乘积DAP梯度的束斑，在剂量测量区2照射待测照射野，如图2所示。

首先，需要准确测量扫描离子束装置中在线测量电离室的照射计数N与剂量面积乘积DAP之间的转换关系。

扫描离子束照射通过X方向扫描磁铁与Y方向扫描磁铁，分别引导离子笔形束51在X方向与Y方向的偏转，使得离子笔形束51照射在等中心平面6上的坐标点位置，该坐标点位置称为“扫描点”。由笔形束照射在等中心平面6获得如图3所示的均匀照射野，其由笔形束照射在等中心平面6规则排布的扫描点形成。每个扫描点照射相同的电离室计数。

测照射野剂量面积乘积DAP的计算公式为：

DAP＝N/k＝D·Δx·Δy

其中，Δx，Δy分别为X方向与Y方向上相邻扫描点的间距，N是每个扫描点照射的监测电离室计数，D是等中心处测量获得绝对剂量，k是DAP与N之间的比例系数。在图3中均匀照射野的中心放置绝对剂量电离室3，剂量电离室通过信号线4与绝对剂量仪相连，进行绝对剂量测量。

为了在同一张辐射变色胶片上完成剂量响应刻度与剂量测量，需要将胶片分成剂量刻度区1和剂量测量区2，如图2所示。胶片剂量刻度区1与剂量测量区2可以裁剪开也可以不裁剪开。若裁剪开，则两个区域需要分两次在等中心平面6处进行照射；若不裁剪开，则可将胶片放在移动照射平台上进行分区照射。胶片上用记号笔标记定位点，即图3中的黑点，用于在分析软件中获得胶片原点信息。在刻度区1域与剂量测量区2的大小可以根据笔形束束斑实际大小及待测量照射野大小而定。为了提高胶片剂量刻度精度可以照射多个监测电离室计数梯度，即多个DAP梯度的束斑。

S2将辐射变色胶片的刻度区1和剂量测量区2同时进行数字化，获得刻度区1的胶片变色指标分布f

辐射变色胶片的刻度区1和剂量测量区2同时进行数字化的方法包括：将刻度区1与胶片剂量测量区2同时通过胶片扫描仪7生成胶片数字化图像，对胶片数字化图像进行横向伪影修正，提取刻度区1的红、绿、蓝通道的像素值，或将胶片数字化图像转换成光密度值或净光密度值，获得胶片变色指标分布f

S3定义剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)和束斑剂量分布函数d′(x,y)，根据f′(d)和d′(x,y)，构建f′(d′(x,y))的函数关系。

本实施例中剂量与胶片变色程度的函数关系：f′(d)＝a·D+b·D

其中，参数a，b和c为未知数。此处剂量与胶片变色程度的函数关系只是本实施例中的示意性说明，并不是只能选择该函数作为剂量与胶片变色程度的函数关系，具体的函数关心可以根据经验公式或者数据拟合等方法确定，不以本实施例中公开的内容为限。

束斑剂量分布函数d′(x,y)可以为椭圆高斯分布或多椭圆高斯分布。例如，用一重椭圆高斯分布函数表征束斑剂量分布，则

其中，

考虑刻度区1某一束斑的实际照射的剂量分布为d(x,y)，则有：

DAP＝∫∫d(x,y)dxdy

DAP是剂量面积乘积，由于离子笔形束51束斑的剂量分布呈类高斯分布，因此可以通过一个或多个二维椭圆高斯函数进行逼近，并且其剂量面积乘积DAP已知，因此若能确定分布函数的参数，则可通过计算的方式获得束斑的剂量分布d′(x,y)，即

d′(x,y)＝DAP∑

其中，G(·)为二维椭圆高斯函数，并∫∫∑

胶片的变色程度随剂量的变化关系f(d)，即剂量刻度曲线d(f)的反函数，可用参数化的拟合公式进行描述，因此刻度区1束斑的变色程度可以用函数f′(d′(x,y))计算，此时由于剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)中参数a、b和c是未知参数，故f′(d′(x,y))也存在未知参数，f′(d′(x,y))中参数通过下一步调整。

S4通过调整f′(d′(x,y))的参数，使胶片变色指标分布f

胶片变色指标分布f

min∑(f

虽然辐射变色胶片R、G、B三通道像素值的变色程度随剂量变化的关系不一致，因此对R、G、B通道而言存在各自的剂量响应曲线f

S5根据最终获得的f′(d′(x,y))计算剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)和束斑剂量分布函数d′(x,y)，获得胶片剂量刻度曲线；

根据最终获得的f′(d′(x,y))计算束斑剂量分布函数d′(x,y)，刻度区1的胶片变色指标分布f

根据最终获得的f′(d′(x,y))计算剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)，对剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)求反函数，获得胶片剂量刻度曲线，将胶片剂量测量区2的胶片变色分布f

S6根据胶片剂量刻度曲线和胶片剂量测量区2的胶片变色分布f

实施例二：

基于相同的发明构思，本实施例通过一个具体实例对本发明的方案进行进一步说明。本实施例中扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法，包括以下步骤：

S1将辐射变色胶片分为刻度区1和剂量测量区2，在刻度区1照射不同剂量面积乘积DAP梯度的束斑，在剂量测量区2照射待测照射野。

使用足够大、扫描点规则分布，且每个扫描点照射相同监测电离室计数所形成均匀照射野，测量射野中心处的绝对剂量值D。扫描点之间的间距与离子笔形束51束斑尺寸相关，一般为束斑半高宽的2/3；扫描野大小一般需要超过4cm，通常扫描野越大获得的DAP与监测电离室计数越准确。如设置扫描野大小为100mm×100mm，扫描点间距为2mm，则扫描野由51×51个扫描点规则分布，设置每个扫描点照射监测电离室1000个计数(MU)，剂量电离室多次测量的均值为0.57Gy，则面积乘积DAP为：0.57Gy×2mm×2mm/1000MU＝2.28×10

胶片照射前可以将一张胶片分成刻度区1与剂量测量区2，两个区域可以裁剪开形成两张独立的胶片，然后再分别照射。当胶片足够大时，可以划分两个刻度区1，其中一个刻度区1作为本底不进行照射。在刻度区1分别照射不同监测电离室计数的束斑剂量，比如对刻度区1域照射3×10

S2将辐射变色刻度区1和剂量测量区2同时进行数字化，获得刻度区1的胶片变色指标分布f

利用胶片扫描仪7将胶片扫描成数字图片。扫描照射前裁剪过的胶片时，应将刻度区1与剂量测量区2一并扫描，从而保证刻度区1与剂量测量区2获得相同的变色时间。此外，裁剪过的胶片需要注意刻度区1与剂量测量区2胶片的方向，应确保刻度区1与剂量测量区2在扫描仪面板上的方向在原始胶片框架是一致的。其他设置与传统方式胶片数字化设置一致。

对胶片数字化图片进行横向伪影修正，其方法与常规方法一致，可以对胶片数字化图片的像素值(PV)进行修正，也可以对图片光密度值(OD)或净光密度值(netOD)进行修正。

在刻度区1建立坐标系，若胶片的变色程度用netOD进行表征，那么刻度区1的变色程度分布可以用netOD(x,y)表征，同理，可以得到PixelValue(x,y)或OD(x,y)。方便起见，以下使用netOD值表征胶片变色程度。

S3定义剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)和束斑剂量分布函数d′(x,y)，根据f′(d)和d′(x,y)，构建f′(d′(x,y))的函数关系。

定义剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)：在胶片剂量刻度中，胶片所受剂量D与netOD一一对应，对二者进行拟合，假定D与netOD具有netOD＝a·D+b·D

定义束斑剂量分布d′(x,y)：由于加速器提供的离子笔形束51在传输过程中，其粒子空间位置分布会趋近于正高斯分布，因此在等中心平面6会形成近似二维高斯形分布的剂量斑点。为一般化笔形束束斑的剂量分布，可以使用一重椭圆高斯或多重椭圆高斯分布函数进行表征。例如，用一重椭圆高斯分布函数表征束斑剂量分布，则

其中，

因为对某一个刻度束斑,照射的监测电离室计数已知，即DAP的大小是已知的，对该束斑的剂量分布进行面积分，有∫∫d(x,y)＝DAP，即

利用netOD与D的关系可以预计胶片的netOD分布，即，

netOD′(x,y)＝a·d′(x,y)+b·d′(x,y)

最后，netOD分布可以表述为

netOD′(x,y|x

S4通过调整f′(d′(x,y))的参数，使胶片变色指标分布f

刻度区1束斑的实际netOD(x,y)分布由实验测量获得，因此可以通过迭代优化下式，

min∑(netOD(x,y)-netOD′(x,y|x

确定束斑形状参数(x

S5根据最终获得的f′(d′(x,y))计算剂量与胶片变色程度的函数关系f′(d)和束斑剂量分布函数d′(x,y)，获得胶片剂量刻度曲线。

利用束斑剂量分布函数的参数可以得到绝对剂量分布，即束斑的剂量分布d′(x,y|x

通过优化同样可以得到D到netOD的关系式，即netOD(D)。将netOD(D)取反函数，可得D(netOD)关系式，当仅用一个束斑进行剂量刻度时也可以使用此法得到的剂量刻度曲线，

S6根据胶片剂量刻度曲线和胶片剂量测量区2的胶片变色分布f

实施例三：

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量系统，用于实现如上述任一项的扫描离子束照射下的辐射变色胶片剂量测量方法，如图4所示，包括：扫描离子束照射装置5、等中心平面6、胶片扫描仪7、数据处理模块8和输出模块9，

扫描离子束照射装置5，用于产生离子笔形束51；扫描离子束照射装置5，如图5所示，包括：X方向扫描磁铁52、Y方向扫描磁铁53和在线监测电离室54；

X方向扫描磁铁52，用于引导离子笔形束51在X方向的偏转；

Y方向扫描磁铁53，用于引导离子笔形束51在Y方向的偏转；

在线监测电离室54，用于对离子笔形束51的剂量进行实时监测。

等中心平面6，用于放置辐射变色胶片，并使离子笔形束51照射在辐射变色胶片上；

胶片扫描仪7，用于将辐射变色胶片数字化，生成胶片数字化图像；

数据处理模块8，用于对数字化图像进行处理，生成获得刻度区1的胶片变色指标分布f

输出模块9，用于对胶片剂量测量区2的剂量分布进行可视化显示。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。