专利名称：基于体元活度的精确模拟核医学非均匀剂量分布方法
技术领域：
本发明涉及一种蒙特卡罗模拟核医学非均匀活度分布的粒子抽样方法，该方法可用于核医学放射免疫治疗中，精确模拟活度分布源的沉积剂量分布。
背景技术：
核医学放射免疫治疗中，核素被注射到人体肿瘤部位之后，虽然携带核素的抗体具有很强的亲癌性，但还是会有部分核素离散分布于人体的各个脏器和组织中，形成极为不均匀的活度分布。鉴于核素活度分布的复杂性，常规应用于临床的MIRD半解析算法正逐渐被更为精确的、基于量化核医学图像(如PET、SPECT等)的蒙特卡罗模拟方法所替代。目前广泛用于核医学剂量模拟的蒙特卡罗程序(如MCNP⑴、EGS4/EGSnrc、DPM和 Geant4等)，是利用归箱的算法，将非均匀活度分布划分为若干个活度均匀的体源(即将活度值归类于不同的活度箱，取箱中值作为箱中所有体元的处理后活度，每个箱可以看作为一个独立“子源”，这是一种局部均匀化活度的做法)，利用各个局部均匀化子源的相对权重对其剂量分布进行加权，实现对肿瘤和各个关键器官或组织剂量的估计。这种算法受分箱数的影响较大，一般活度分布非均匀性越强，所需要的分箱个数越多。若分箱个数不充分， 就会给计算结果带来伪影(即数据偏差)。而分箱过多，又会给计算带来较大的工作量。由于携带核素的抗体的强亲肿瘤性，使得肿瘤细胞的活度要远大于一般器官或组织的，若均匀划分活度箱，在保证肿瘤部位剂量计算精度的同时，也会造成活度较弱或包含体元数目较多的危及器官区域的剂量估计的不准确。另外，由于一些通用蒙特卡罗程序如MCNP(X) 等，采用空间概率抽样方法，实现对子源源粒子出射位置的抽样，即对源粒子的发出位置进行几何空间的反复随机抽样，直到源粒子发出位置属于某个特定子源，才算一次成功的抽样。这样若活度箱划分过于精细，相当于各个子源的体积缩小，就会易于产生因为抽样概率太低而终止模拟的现象。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于体元活度的精确模拟核医学非均匀剂量分布的方法。以实现核医学剂量计算中非均匀活度分布的精确模拟，避免分箱处理所产生的数据伪影。本发明为解决技术问题采用如下技术方案本发明基于体元活度的精确模拟核医学非均匀剂量分布的方法的特点是按如下步骤进行步骤I、在患者解剖图像中进行病灶和危及器官区域的勾画，并基于患者解剖图像建立患者的材料与密度模型，对勾画出的病灶和危及器官在材料与密度模型中的所有体元
对应地给出材料编号；步骤2、将携带放射性核素的抗体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间分布图像，获取患者体内核素初始活度空间分布信息；
步骤3、将步骤2所获取的核素初始活度空间分布信息中每一个活度大于零的体元都看作为一个体积相同的独立的体元源，归一化处理所有体元活度得到每个体元源的相对权重，所述归一化处理是以每个体元的活度除以所有体元活度的总和，分别得到每个体元归一化后的相对活度，将所述每个体元的相对活度分别作为相应的体元源的权重，所有由相应的体元源发出的源粒子的权重，就等于它出发的体元源的权重，以所述源粒子的权重对源粒子的剂量分布进行标定，则第i个体元的剂量Closei为
Ndoset =^weightj · 1}(I)
y=i式⑴中，Clij为第j个体元源对第i个体元的剂量，Weightj为第j个体元源的权重，则，
VA1
weight = —--(2)s ; Iw
Y^VAk
k=l式(2)中，VA^为第j个体元源的活度，;为所有体元源的活度总和；
k=l步骤4、根据步骤3所得到的每个体元归一化后的相对活度，对从体元源发出的源粒子的出发位置进行抽样判断，所述抽样判断是首先随机抽样源粒子的出发位置，只要所抽到的体元相对活度大于0，则判断为成功抽样的源粒子；赋予所述成功抽样的源粒子的权重为该源粒子所发出的体元的相对活度；利用经典蒙特卡罗程序EGSnrc的粒子输运模型进行粒子输运模拟，得到核素初始体元活度分布对应的剂量分布{dosej 步骤5、基于放射性核素活度衰减的单指数模型，利用核素初始体元活度和生物有效廓清半衰期，将核素初始体元活度分布对应的剂量分布{dosej转化为累积活度剂量分布，则第i个体元的累积活度剂量ADi为ADi = (Iosei x Ai (3)式(3)中，为放射性核素施与人体的第i个体元的累积活度；步骤6、利用步骤I建立的患者材料和密度模型中的材料编号，分拣出病灶和危及器官的体元剂量，用于进行包括剂量-体积直方图、肿瘤控制概率和正常组织并发症概率在内的指标计算。本发明基于体元活度的精确模拟核医学非均匀剂量分布的方法的特点也在于所述放射性核素施与人体的第i个体元的累积活度^.按如下方法确定根据核素活度衰减的单指数模型，假设核素注射病灶部位后，其衰减率由其物理半衰期和生物廓清半衰期所共同决定，即核素衰减中任一时刻在第i个体元的活度为，Ai (t) = Ακοβ~λφ (4)式⑷中，λ eff为有效廓清常量，λ eff按式(5)计算，
； In 2Aeff = —-(5)式(5)中，I；。为生物有效廓清半衰期，I；。与核素的半衰期Tp和生物廓清半衰期Tb的关系如式(6)
权利要求
1 一种基于体元活度的精确模拟核医学非均匀剂量分布的方法，其特征在于按如下步骤进行步骤I、在患者解剖图像中进行病灶和危及器官区域的勾画，并基于患者解剖图像建立患者的材料与密度模型，对勾画出的病灶和危及器官在材料与密度模型中的所有体元一一对应地给出材料编号；步骤2、将携带放射性核素的抗体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间分布图像，获取患者体内核素初始活度空间分布信息；步骤3、将步骤2所获取的核素初始活度空间分布信息中每一个活度大于零的体元都看作为一个体积相同的独立的体元源，归一化处理所有体元活度得到每个体元源的相对权重，所述归一化处理是以每个体元的活度除以所有体元活度的总和，分别得到每个体元归一化后的相对活度，将所述每个体元的相对活度分别作为相应的体元源的权重，所有由相应的体元源发出的源粒子的权重，就等于它出发的体元源的权重，以所述源粒子的权重对源粒子的剂量分布进行标定，则第i个体元的剂量Closei为NJosej = I weightj · dtj(I);=1式(I)中，(Iil.为第j个体元源对第i个体元的剂量，weight,·为第j个体元源的权重,则，VA1Weight1 =---(2)k=\式(2)中，VA^为第j个体元源的活度，;为所有体元源的活度总和；k=l步骤4、根据步骤3所得到的每个体元归一化后的相对活度，对从体元源发出的源粒子的出发位置进行抽样判断，所述抽样判断是首先随机抽样源粒子的出发位置，只要所抽到的体元相对活度大于0，则判断为成功抽样的源粒子；赋予所述成功抽样的源粒子的权重为该源粒子所发出的体元的相对活度；利用经典蒙特卡罗程序EGSnrc的粒子输运模型进行粒子输运模拟，得到核素初始体元活度分布对应的剂量分布{dosej 步骤5、基于放射性核素活度衰减的单指数模型，利用核素初始体元活度和生物有效廓清半衰期，将核素初始体元活度分布对应的剂量分布{dosej转化为累积活度剂量分布，则第i个体元的累积活度剂量ADi为ADi = Closei X Ai(3)式(3)中，$为放射性核素施与人体的第i个体元的累积活度；步骤6、利用步骤I建立的患者材料和密度模型中的材料编号，分拣出病灶和危及器官的体元剂量，用于进行包括剂量-体积直方图、肿瘤控制概率和正常组织并发症概率在内的指标计算。
2.根据权利要求I所述的基于体元活度的精确模拟核医学非均匀剂量分布的方法，其特征是所述放射性核素施与人体的第i个体元的累积活度^.按如下方法确定根据核素活度衰减的单指数模型，假设核素注射病灶部位后，其衰减率由其物理半衰期和生物廓清半衰期所共同决定，即核素衰减中任一时刻在第i个体元的活度为，Ai(I) = Ai，0﹣λe∫∫f(4)式(4)中，Xrff为有效廓清常量，Xrff按式(5)计算，
全文摘要
本发明公开了一种基于体元活度的精确模拟核医学非均匀剂量分布的方法，其特征是基于患者的解剖图像，建立患者材料与密度模型。将所有活度大于零的体元都看作为体积相同的独立体元源，其源粒子发出位置与活度分布区域相结合，源粒子权重与发出位置所属体元的相对活度相结合，利用经典蒙特卡罗程序EGSnrc的粒子输运模型进行粒子输运模拟，获得初始活度对应的剂量分布，基于放射性核素活度衰减的单指数模型，将初始活度剂量分布转化为累积活度剂量分布。本发明以源粒子输运参数与活度分布及活度相对强度相结合的方法，避免了小体积源空间位置抽样的低效率，和常规活度图分箱处理、体源局部均匀化方法所造成的数据伪影，有效改进了非规则、非均匀活度分布源的计算精度和粒子抽样速度。
文档编号A61M36/00GK102580230SQ20121000659
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者徐元英, 景佳, 林辉, 程梦云, 蔡金凤, 许良凤 申请人:合肥工业大学