一种探测器能量沉积分布的等效换算方法及相关装置

本发明涉及辐射探测与数据处理，尤其涉及一种探测器能量沉积分布的等效换算方法及相关装置。

背景技术：

1、介质中能量沉积分布是辐射测量领域中的一个重要物理量，它能表征辐射场的空间分布特征以及被测介质的响应特性，在粒子物理，辐射防护、放射治疗等领域都具有重要的作用。目前，常规的测量手段主要有两类：

2、（1）直接测量法：使用电离室、半导体等探测器在相关物理场中进行测量，但由于探测器自身材料和尺寸存在差异，往往在不同条件下需使用不同尺寸或材料的探测器，以实现能量沉积分布的准确测量和换算。

3、（2）蒙特卡洛模拟法：通过计算机模拟粒子输运以直接计算介质中的沉积能量分布，理论上可得出任意介质材料中的结果，且计算结果与实验结果有较高的吻合度，被认为是“黄金标准”。

4、综上，上述方法在一些应用场景中存在一定的局限，如探测器尺寸远大于所关注区域尺寸，而受限于加工工艺无法将探测器尺寸继续缩小时，大尺寸探测器测得的能量沉积分布无法真实反映小尺度区域内的能量沉积情况；又如，当探测器材料与目标介质之间存在显著差异，探测器中的能量沉积分布无法直接等同于目标介质中的实际沉积情况，进而无法根据测量结果准确获知目标介质中的实际能量沉积特性，这在辐射防护、放射治疗领域中较为常见。而在放射治疗计划验证时，常需获得生物组织（通常以水来近似）中的能量沉积分布。然而，直接测量常受限于探测器尺寸和材料，导致结果存在偏差，影响放射治疗剂量的评估效果；蒙特卡洛模拟法计算量大，无法满足实时或快速反馈需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的问题，提供了一种探测器能量沉积分布的等效换算方法及相关装置。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现：一种探测器能量沉积分布的等效换算方法，该方法包括以下步骤：

3、利用探测器在目标环境下进行沉积能量测量，获得能量沉积数据集；

4、计算能量沉积数据集的第一矩参数；

5、根据探测器与目标对象之间的物理尺度关系或物理材料关系，确定换算系数；

6、利用换算系数对第一矩参数换算，计算得到目标对象的能量沉积分布对应的第二矩参数；

7、根据换算系数对能量沉积数据集进行比例缩放，得到中间数据集；

8、对中间数据集进行标准化处理，得到标准化中间数据集；

9、将标准化中间数据集输入包括寻优参数的sinh-arcsinh变换函数，得到变换数据集；

10、对于任意寻优参数组合，计算变换数据集的第一高阶矩参数，并构建损失函数，所述损失函数用于量化第一高阶矩参数与第二矩参数中第二高阶矩参数之间的差异；

11、以最小化损失函数为目标，迭代调整寻优参数取值，将损失函数取得最小值时对应的变换数据集作为优化变换结果数据集；

12、计算优化变换结果数据集的第一低阶矩参数，并利用第一低阶矩参数、第二矩参数中第二低阶矩参数对优化变换结果数据集进行线性缩放，得到最终变换结果数据集。

13、在一示例中，所述第一矩参数、第二矩参数均包括均值、标准差、偏度和超额峰度，第一高阶矩参数、第二高阶矩参数均包括偏度和超额峰度，第一低阶矩参数、第二低阶矩参数包括均值和标准差。

14、在一示例中，根据探测器与目标对象之间的物理尺度关系或物理材料关系，确定换算系数，包括：

15、当探测器与目标对象之间为跨尺寸换算时，换算系数为目标对象尺寸与探测器尺寸的比值；当探测器与目标对象之间为跨介质换算时，换算系数为目标介质的质量阻止本领与探测器材料的质量阻止本领的比值。

16、在一示例中，所述第二矩参数的计算表达式为：

17、，，，；

18、其中，、、和分别为第一矩参数中均值、标准差、偏度和超额峰度；为换算系数；、、和分别为第二矩参数中均值、标准差、偏度和超额峰度。

19、在一示例中，所述变换数据集为：

20、；

21、其中，为双曲正弦函数；为反双曲正弦函数；、为寻优参数；为标准化中间数据集。

22、在一示例中，所述损失函数为：

23、；

24、其中，、为寻优参数；、分别为第一高阶矩参数中偏度、超额峰度；、分别为第二高阶矩参数中偏度、超额峰度。

25、在一示例中，最终变换结果数据集的计算表达式为：

26、；

27、其中，、为第一低阶矩参数中均值、标准差；、为第二低阶矩参数中均值、标准差；为优化变换结果数据集。

28、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。

29、本发明还包括一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一示例或多个示例组合形成的所述一种探测器能量沉积分布的等效换算方法的步骤。

30、本发明还包括一种存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述任一示例或多个示例组成形成的所述一种探测器能量沉积分布的等效换算方法的步骤。

31、本发明还包括一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行上述任一示例或多个示例形成的所述的探测器能量沉积分布的等效换算方法的步骤。

32、与现有技术相比，本发明有益效果是：

33、1、实现跨尺寸和跨介质的能量沉积分布的准确换算。本发明根据能量沉积分布在不同探测器尺寸中的变化规律，建立探测器沉积能量分布向目标分布的映射关系，实现大尺寸探测器测量结果向小尺寸等效结果的转换，在现有探测器难以进一步缩小尺寸的情况下，仍可获得更接近实际小尺度区域的能量沉积分布。与此同时，本发明可将特定材料探测器中的能量沉积分布等效换算为目标介质（例如水或其他组织等效材料）中的能量沉积情况，避免材料差异带来的测量偏差，适用于辐射防护、医疗照射验证等场景。

34、2、能够保持能量分布的空间形状与细节特征。本发明通过计算矩参数，并以高阶分布特征参为优化目标，调整寻优参数，使得最终变换结果数据集具有和目标结果相等的均值和标准差，且最终变换结果数据集的偏度和超额峰度逼近目标分布的对应参数，能够在较大程度上保持能量沉积分布在空间上的变化趋势与细节结构，确保换算后的能量沉积分布严格符合辐射能量沉积的物理非负性和统计规律，避免出现分布形状失真，保证了换算结果的准确性和可靠性。

35、3、降低了实验条件限制，提高了测量灵活性。本发明提出的跨尺寸与跨介质等效换算方法，可以在不更换探测器材料、不缩小探测器尺寸的情况下，通过数学计算获得目标尺寸或目标介质中的等效能量分布，从而显著减少因设备选择受限而带来的实验条件约束，提高了测量的灵活性。

36、4、适用范围广，可覆盖多种探测场景。本发明方法适用于放射治疗中从电离室或半导体探测器到水等效组织的剂量换算，也适用于辐射防护中从监测探测器到人体关键器官的能量沉积评估，适用范围广。仅需根据测量场景设置等效换算系数和目标结果的矩参数，即可进行等效换算，避免了对不同探测器、不同介质单独开发修正算法的重复工作。