[发明专利]基于瞬发伽马光谱的人体组织密度和元素组成重建算法

说明书

本发明系统研究了不同元素的光谱组成，从理论上推出了组织密度和元素重建的新算法，解决了氢元素的非线性问题。并验证了三种常见碳氢氧不同组合材料的元素组成和密度，它们是聚甲基丙烯酸甲酯,戊二醇和乙二醇。分子的伽马光谱结构可以分解成其组成元素的伽马光谱的线性和非线性的组合，其组合参数可以通过伽马计数的峰值通过最小二乘法求解，进而确定元素组成以及其密度。

技术领域

粒子治疗，核技术，医学成像，蒙特卡洛技术。

背景技术

由于瞬发伽马是射程验证最有前景的方法，它得以广泛的研究。世界各地的研究组研发了不同的伽马相机，有的可以测量一维的束流射程，有的也可以用来三维成像。有些还进行了临床验证测试。

同时蒙特卡洛方法是研究粒子相互作用的有力工具，新的理论方法或者结构设计都可以用蒙特卡洛程序进行模拟验证。

瞬发伽马光谱还可以用来测量人体组织的元素，但这方面的研究还很少，对碳元素和氧元素的初步研究发现具有很好的线性关系。由于氢元素的中子俘获辐射造成的非线性难题，鲜有对氢元素的研究。

氢原子核的中子俘获辐射

本发明系统研究了不同元素的光谱组成，从理论上推出了组织密度和元素重建的新算法，解决了氢元素的非线性问题。并验证了三种常见碳氢氧不同组合材料的元素组成和密度，它们是聚甲基丙烯酸甲酯,戊二醇和乙二醇，分子结构如图1所示。

发明内容

聚甲基丙烯酸甲酯的缩写是PMMA，它的分子式是C5H8O2，当具有一定能量的质子或离子轰击一个PMMA分子，得到伽马光谱同时如果用质子轰击单个元素的原子核，得到光谱和那么分子的伽马光谱和元素的光谱有方程(2)所示的关系。

氢原子核的中子俘获辐射有部分的中子是碳元素产生的，有部分是氧元素产生的，因此方程(2)进一步分解成方程(3)的形式。其中的系数表达式如方程(4)和(5)所示。

其中和代表碳和氧的中子产生贡献率，是氢的增强因子。由于氢的中子俘获只产生2.23MeV的伽马光子，因此可以单独列出。为数学上方便处理，把方程(3)分裂成一个方程组(6)。其中表示样品x的伽马光谱，表示该光谱在2.23MeV处的计数。

当样品中有M摩尔的分子，则元素的摩尔含量为：M_C＝M*N_C， M_O＝M*N_O和M_H＝M*N_H。方程(6)两边都乘以摩尔数，得到方程组(7a) (7b)。

其中对应的系数方程变为(8)和(9)。和是每摩尔元素的伽马光谱，是每摩尔氢由于碳中子产生的2.23MeV计数，是每摩尔氢由于氧中子产生的2.23MeV计数。

由于光谱是连续性的，为了得到数值解，我们取其中的一些特征峰来求解方程(7)，特征峰如图2所示。因此需要对(7a)进行离散化，得到矩阵方程 (10)，优化目标是min(Am-B)。

其中是每摩尔碳和氧的伽马光谱，是样品测量得到伽马光谱特征峰计数。用最小二乘法就可以求得元素的摩尔含量最后通过方程(7b)求解氢的摩尔含量。

进一步通过测量束流的射程R，得到体积，还可以求解样品的密度。