專利名稱：基于體元活度的精確模擬核醫(yī)學(xué)非均勻劑量分布方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蒙特卡羅模擬核醫(yī)學(xué)非均勻活度分布的粒子抽樣方法，該方法可用于核醫(yī)學(xué)放射免疫治療中，精確模擬活度分布源的沉積劑量分布。
背景技術(shù)：
核醫(yī)學(xué)放射免疫治療中，核素被注射到人體腫瘤部位之后，雖然攜帶核素的抗體具有很強(qiáng)的親癌性，但還是會(huì)有部分核素離散分布于人體的各個(gè)臟器和組織中，形成極為不均勻的活度分布。鑒于核素活度分布的復(fù)雜性，常規(guī)應(yīng)用于臨床的MIRD半解析算法正逐漸被更為精確的、基于量化核醫(yī)學(xué)圖像(如PET、SPECT等)的蒙特卡羅模擬方法所替代。目前廣泛用于核醫(yī)學(xué)劑量模擬的蒙特卡羅程序(如MCNP⑴、EGS4/EGSnrc、DPM和 Geant4等)，是利用歸箱的算法，將非均勻活度分布劃分為若干個(gè)活度均勻的體源(即將活度值歸類于不同的活度箱，取箱中值作為箱中所有體元的處理后活度，每個(gè)箱可以看作為一個(gè)獨(dú)立“子源”，這是一種局部均勻化活度的做法)，利用各個(gè)局部均勻化子源的相對(duì)權(quán)重對(duì)其劑量分布進(jìn)行加權(quán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤和各個(gè)關(guān)鍵器官或組織劑量的估計(jì)。這種算法受分箱數(shù)的影響較大，一般活度分布非均勻性越強(qiáng)，所需要的分箱個(gè)數(shù)越多。若分箱個(gè)數(shù)不充分， 就會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)偽影(即數(shù)據(jù)偏差)。而分箱過(guò)多，又會(huì)給計(jì)算帶來(lái)較大的工作量。由于攜帶核素的抗體的強(qiáng)親腫瘤性，使得腫瘤細(xì)胞的活度要遠(yuǎn)大于一般器官或組織的，若均勻劃分活度箱，在保證腫瘤部位劑量計(jì)算精度的同時(shí)，也會(huì)造成活度較弱或包含體元數(shù)目較多的危及器官區(qū)域的劑量估計(jì)的不準(zhǔn)確。另外，由于一些通用蒙特卡羅程序如MCNP(X) 等，采用空間概率抽樣方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)子源源粒子出射位置的抽樣，即對(duì)源粒子的發(fā)出位置進(jìn)行幾何空間的反復(fù)隨機(jī)抽樣，直到源粒子發(fā)出位置屬于某個(gè)特定子源，才算一次成功的抽樣。這樣若活度箱劃分過(guò)于精細(xì)，相當(dāng)于各個(gè)子源的體積縮小，就會(huì)易于產(chǎn)生因?yàn)槌闃痈怕侍投K止模擬的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種基于體元活度的精確模擬核醫(yī)學(xué)非均勻劑量分布的方法。以實(shí)現(xiàn)核醫(yī)學(xué)劑量計(jì)算中非均勻活度分布的精確模擬，避免分箱處理所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)偽影。本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明基于體元活度的精確模擬核醫(yī)學(xué)非均勻劑量分布的方法的特點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行步驟I、在患者解剖圖像中進(jìn)行病灶和危及器官區(qū)域的勾畫(huà)，并基于患者解剖圖像建立患者的材料與密度模型，對(duì)勾畫(huà)出的病灶和危及器官在材料與密度模型中的所有體元
對(duì)應(yīng)地給出材料編號(hào)；步驟2、將攜帶放射性核素的抗體注射到患者的病灶部位，按照患者的功能影像提供的核素初始活度空間分布圖像，獲取患者體內(nèi)核素初始活度空間分布信息；
步驟3、將步驟2所獲取的核素初始活度空間分布信息中每一個(gè)活度大于零的體元都看作為一個(gè)體積相同的獨(dú)立的體元源，歸一化處理所有體元活度得到每個(gè)體元源的相對(duì)權(quán)重，所述歸一化處理是以每個(gè)體元的活度除以所有體元活度的總和，分別得到每個(gè)體元?dú)w一化后的相對(duì)活度，將所述每個(gè)體元的相對(duì)活度分別作為相應(yīng)的體元源的權(quán)重，所有由相應(yīng)的體元源發(fā)出的源粒子的權(quán)重，就等于它出發(fā)的體元源的權(quán)重，以所述源粒子的權(quán)重對(duì)源粒子的劑量分布進(jìn)行標(biāo)定，則第i個(gè)體元的劑量Closei為
Ndoset =^weightj · 1}(I)
y=i式⑴中，Clij為第j個(gè)體元源對(duì)第i個(gè)體元的劑量，Weightj為第j個(gè)體元源的權(quán)重，則，
VA1
weight = —--(2)s ; Iw
Y^VAk
k=l式(2)中，VA^為第j個(gè)體元源的活度，;為所有體元源的活度總和；
k=l步驟4、根據(jù)步驟3所得到的每個(gè)體元?dú)w一化后的相對(duì)活度，對(duì)從體元源發(fā)出的源粒子的出發(fā)位置進(jìn)行抽樣判斷，所述抽樣判斷是首先隨機(jī)抽樣源粒子的出發(fā)位置，只要所抽到的體元相對(duì)活度大于0，則判斷為成功抽樣的源粒子；賦予所述成功抽樣的源粒子的權(quán)重為該源粒子所發(fā)出的體元的相對(duì)活度；利用經(jīng)典蒙特卡羅程序EGSnrc的粒子輸運(yùn)模型進(jìn)行粒子輸運(yùn)模擬，得到核素初始體元活度分布對(duì)應(yīng)的劑量分布{dosej 步驟5、基于放射性核素活度衰減的單指數(shù)模型，利用核素初始體元活度和生物有效廓清半衰期，將核素初始體元活度分布對(duì)應(yīng)的劑量分布{dosej轉(zhuǎn)化為累積活度劑量分布，則第i個(gè)體元的累積活度劑量ADi為ADi = (Iosei x Ai (3)式(3)中，為放射性核素施與人體的第i個(gè)體元的累積活度；步驟6、利用步驟I建立的患者材料和密度模型中的材料編號(hào)，分揀出病灶和危及器官的體元?jiǎng)┝?，用于進(jìn)行包括劑量-體積直方圖、腫瘤控制概率和正常組織并發(fā)癥概率在內(nèi)的指標(biāo)計(jì)算。本發(fā)明基于體元活度的精確模擬核醫(yī)學(xué)非均勻劑量分布的方法的特點(diǎn)也在于所述放射性核素施與人體的第i個(gè)體元的累積活度^.按如下方法確定根據(jù)核素活度衰減的單指數(shù)模型，假設(shè)核素注射病灶部位后，其衰減率由其物理半衰期和生物廓清半衰期所共同決定，即核素衰減中任一時(shí)刻在第i個(gè)體元的活度為，Ai (t) = Ακοβ~λφ (4)式⑷中，λ eff為有效廓清常量，λ eff按式(5)計(jì)算，
； In 2Aeff = —-(5)式(5)中，I；。為生物有效廓清半衰期，I；。與核素的半衰期Tp和生物廓清半衰期Tb的關(guān)系如式(6)
權(quán)利要求
1 一種基于體元活度的精確模擬核醫(yī)學(xué)非均勻劑量分布的方法，其特征在于按如下步驟進(jìn)行步驟I、在患者解剖圖像中進(jìn)行病灶和危及器官區(qū)域的勾畫(huà)，并基于患者解剖圖像建立患者的材料與密度模型，對(duì)勾畫(huà)出的病灶和危及器官在材料與密度模型中的所有體元一一對(duì)應(yīng)地給出材料編號(hào)；步驟2、將攜帶放射性核素的抗體注射到患者的病灶部位，按照患者的功能影像提供的核素初始活度空間分布圖像，獲取患者體內(nèi)核素初始活度空間分布信息；步驟3、將步驟2所獲取的核素初始活度空間分布信息中每一個(gè)活度大于零的體元都看作為一個(gè)體積相同的獨(dú)立的體元源，歸一化處理所有體元活度得到每個(gè)體元源的相對(duì)權(quán)重，所述歸一化處理是以每個(gè)體元的活度除以所有體元活度的總和，分別得到每個(gè)體元?dú)w一化后的相對(duì)活度，將所述每個(gè)體元的相對(duì)活度分別作為相應(yīng)的體元源的權(quán)重，所有由相應(yīng)的體元源發(fā)出的源粒子的權(quán)重，就等于它出發(fā)的體元源的權(quán)重，以所述源粒子的權(quán)重對(duì)源粒子的劑量分布進(jìn)行標(biāo)定，則第i個(gè)體元的劑量Closei為NJosej = I weightj · dtj(I);=1式(I)中，(Iil.為第j個(gè)體元源對(duì)第i個(gè)體元的劑量，weight,·為第j個(gè)體元源的權(quán)重,則，VA1Weight1 =---(2)k=\式(2)中，VA^為第j個(gè)體元源的活度，;為所有體元源的活度總和；k=l步驟4、根據(jù)步驟3所得到的每個(gè)體元?dú)w一化后的相對(duì)活度，對(duì)從體元源發(fā)出的源粒子的出發(fā)位置進(jìn)行抽樣判斷，所述抽樣判斷是首先隨機(jī)抽樣源粒子的出發(fā)位置，只要所抽到的體元相對(duì)活度大于0，則判斷為成功抽樣的源粒子；賦予所述成功抽樣的源粒子的權(quán)重為該源粒子所發(fā)出的體元的相對(duì)活度；利用經(jīng)典蒙特卡羅程序EGSnrc的粒子輸運(yùn)模型進(jìn)行粒子輸運(yùn)模擬，得到核素初始體元活度分布對(duì)應(yīng)的劑量分布{dosej 步驟5、基于放射性核素活度衰減的單指數(shù)模型，利用核素初始體元活度和生物有效廓清半衰期，將核素初始體元活度分布對(duì)應(yīng)的劑量分布{dosej轉(zhuǎn)化為累積活度劑量分布，則第i個(gè)體元的累積活度劑量ADi為ADi = Closei X Ai(3)式(3)中，$為放射性核素施與人體的第i個(gè)體元的累積活度；步驟6、利用步驟I建立的患者材料和密度模型中的材料編號(hào)，分揀出病灶和危及器官的體元?jiǎng)┝?，用于進(jìn)行包括劑量-體積直方圖、腫瘤控制概率和正常組織并發(fā)癥概率在內(nèi)的指標(biāo)計(jì)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于體元活度的精確模擬核醫(yī)學(xué)非均勻劑量分布的方法，其特征是所述放射性核素施與人體的第i個(gè)體元的累積活度^.按如下方法確定根據(jù)核素活度衰減的單指數(shù)模型，假設(shè)核素注射病灶部位后，其衰減率由其物理半衰期和生物廓清半衰期所共同決定，即核素衰減中任一時(shí)刻在第i個(gè)體元的活度為，Ai(I) = Ai，0﹣λe∫∫f(4)式(4)中，Xrff為有效廓清常量，Xrff按式(5)計(jì)算，
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于體元活度的精確模擬核醫(yī)學(xué)非均勻劑量分布的方法，其特征是基于患者的解剖圖像，建立患者材料與密度模型。將所有活度大于零的體元都看作為體積相同的獨(dú)立體元源，其源粒子發(fā)出位置與活度分布區(qū)域相結(jié)合，源粒子權(quán)重與發(fā)出位置所屬體元的相對(duì)活度相結(jié)合，利用經(jīng)典蒙特卡羅程序EGSnrc的粒子輸運(yùn)模型進(jìn)行粒子輸運(yùn)模擬，獲得初始活度對(duì)應(yīng)的劑量分布，基于放射性核素活度衰減的單指數(shù)模型，將初始活度劑量分布轉(zhuǎn)化為累積活度劑量分布。本發(fā)明以源粒子輸運(yùn)參數(shù)與活度分布及活度相對(duì)強(qiáng)度相結(jié)合的方法，避免了小體積源空間位置抽樣的低效率，和常規(guī)活度圖分箱處理、體源局部均勻化方法所造成的數(shù)據(jù)偽影，有效改進(jìn)了非規(guī)則、非均勻活度分布源的計(jì)算精度和粒子抽樣速度。
文檔編號(hào)A61M36/00GK102580230SQ20121000659
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者徐元英, 景佳, 林輝, 程夢(mèng)云, 蔡金鳳, 許良鳳 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)