專利名稱：基于體元活度的精確模擬核醫學非均勻劑量分布方法
技術領域：
本發明涉及一種蒙特卡羅模擬核醫學非均勻活度分布的粒子抽樣方法，該方法可用于核醫學放射免疫治療中，精確模擬活度分布源的沉積劑量分布。
背景技術：
核醫學放射免疫治療中，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的親癌性，但還是會有部分核素離散分布于人體的各個臟器和組織中，形成極為不均勻的活度分布。鑒于核素活度分布的復雜性，常規應用于臨床的MIRD半解析算法正逐漸被更為精確的、基于量化核醫學圖像(如PET、SPECT等)的蒙特卡羅模擬方法所替代。目前廣泛用于核醫學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，每個箱可以看作為一個獨立“子源”，這是一種局部均勻化活度的做法)，利用各個局部均勻化子源的相對權重對其劑量分布進行加權，實現對腫瘤和各個關鍵器官或組織劑量的估計。這種算法受分箱數的影響較大，一般活度分布非均勻性越強，所需要的分箱個數越多。若分箱個數不充分， 就會給計算結果帶來偽影(即數據偏差)。而分箱過多，又會給計算帶來較大的工作量。由于攜帶核素的抗體的強親腫瘤性，使得腫瘤細胞的活度要遠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算精度的同時，也會造成活度較弱或包含體元數目較多的危及器官區域的劑量估計的不準確。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，實現對子源源粒子出射位置的抽樣，即對源粒子的發出位置進行幾何空間的反復隨機抽樣，直到源粒子發出位置屬于某個特定子源，才算一次成功的抽樣。這樣若活度箱劃分過于精細，相當于各個子源的體積縮小，就會易于產生因為抽樣概率太低而終止模擬的現象。

發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足，提供一種基于體元活度的精確模擬核醫學非均勻劑量分布的方法。以實現核醫學劑量計算中非均勻活度分布的精確模擬，避免分箱處理所產生的數據偽影。本發明為解決技術問題采用如下技術方案本發明基于體元活度的精確模擬核醫學非均勻劑量分布的方法的特點是按如下步驟進行步驟I、在患者解剖圖像中進行病灶和危及器官區域的勾畫，并基于患者解剖圖像建立患者的材料與密度模型，對勾畫出的病灶和危及器官在材料與密度模型中的所有體元
對應地給出材料編號；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活度大于零的體元都看作為一個體積相同的獨立的體元源，歸一化處理所有體元活度得到每個體元源的相對權重，所述歸一化處理是以每個體元的活度除以所有體元活度的總和，分別得到每個體元歸一化后的相對活度，將所述每個體元的相對活度分別作為相應的體元源的權重，所有由相應的體元源發出的源粒子的權重，就等于它出發的體元源的權重，以所述源粒子的權重對源粒子的劑量分布進行標定，則第i個體元的劑量Closei為
Ndoset =^weightj · 1}(I)
y=i式⑴中，Clij為第j個體元源對第i個體元的劑量，Weightj為第j個體元源的權重，則，
VA1
weight = —--(2)s ; Iw
Y^VAk
k=l式(2)中，VA^為第j個體元源的活度，;為所有體元源的活度總和；
k=l步驟4、根據步驟3所得到的每個體元歸一化后的相對活度，對從體元源發出的源粒子的出發位置進行抽樣判斷，所述抽樣判斷是首先隨機抽樣源粒子的出發位置，只要所抽到的體元相對活度大于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重為該源粒子所發出的體元的相對活度；利用經典蒙特卡羅程序EGSnrc的粒子輸運模型進行粒子輸運模擬，得到核素初始體元活度分布對應的劑量分布{dosej 步驟5、基于放射性核素活度衰減的單指數模型，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應的劑量分布{dosej轉化為累積活度劑量分布，則第i個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，分揀出病灶和危及器官的體元劑量，用于進行包括劑量-體積直方圖、腫瘤控制概率和正常組織并發癥概率在內的指標計算。本發明基于體元活度的精確模擬核醫學非均勻劑量分布的方法的特點也在于所述放射性核素施與人體的第i個體元的累積活度^.按如下方法確定根據核素活度衰減的單指數模型，假設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刻在第i個體元的活度為，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的關系如式(6)
權利要求
1 一種基于體元活度的精確模擬核醫學非均勻劑量分布的方法，其特征在于按如下步驟進行步驟I、在患者解剖圖像中進行病灶和危及器官區域的勾畫，并基于患者解剖圖像建立患者的材料與密度模型，對勾畫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應地給出材料編號；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活度大于零的體元都看作為一個體積相同的獨立的體元源，歸一化處理所有體元活度得到每個體元源的相對權重，所述歸一化處理是以每個體元的活度除以所有體元活度的總和，分別得到每個體元歸一化后的相對活度，將所述每個體元的相對活度分別作為相應的體元源的權重，所有由相應的體元源發出的源粒子的權重，就等于它出發的體元源的權重，以所述源粒子的權重對源粒子的劑量分布進行標定，則第i個體元的劑量Closei為NJosej = I weightj · dtj(I);=1式(I)中，(Iil.為第j個體元源對第i個體元的劑量，weight,·為第j個體元源的權重,則，VA1Weight1 =---(2)k=\式(2)中，VA^為第j個體元源的活度，;為所有體元源的活度總和；k=l步驟4、根據步驟3所得到的每個體元歸一化后的相對活度，對從體元源發出的源粒子的出發位置進行抽樣判斷，所述抽樣判斷是首先隨機抽樣源粒子的出發位置，只要所抽到的體元相對活度大于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重為該源粒子所發出的體元的相對活度；利用經典蒙特卡羅程序EGSnrc的粒子輸運模型進行粒子輸運模擬，得到核素初始體元活度分布對應的劑量分布{dosej 步驟5、基于放射性核素活度衰減的單指數模型，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應的劑量分布{dosej轉化為累積活度劑量分布，則第i個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，分揀出病灶和危及器官的體元劑量，用于進行包括劑量-體積直方圖、腫瘤控制概率和正常組織并發癥概率在內的指標計算。
2.根據權利要求I所述的基于體元活度的精確模擬核醫學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個體元的累積活度^.按如下方法確定根據核素活度衰減的單指數模型，假設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刻在第i個體元的活度為，Ai(I) = Ai，0﹣λe∫∫f(4)式(4)中，Xrff為有效廓清常量，Xrff按式(5)計算，
全文摘要
本發明公開了一種基于體元活度的精確模擬核醫學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立體元源，其源粒子發出位置與活度分布區域相結合，源粒子權重與發出位置所屬體元的相對活度相結合，利用經典蒙特卡羅程序EGSnrc的粒子輸運模型進行粒子輸運模擬，獲得初始活度對應的劑量分布，基于放射性核素活度衰減的單指數模型，將初始活度劑量分布轉化為累積活度劑量分布。本發明以源粒子輸運參數與活度分布及活度相對強度相結合的方法，避免了小體積源空間位置抽樣的低效率，和常規活度圖分箱處理、體源局部均勻化方法所造成的數據偽影，有效改進了非規則、非均勻活度分布源的計算精度和粒子抽樣速度。
文檔編號A61M36/00GK102580230SQ20121000659
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者徐元英, 景佳, 林輝, 程夢云, 蔡金鳳, 許良鳳 申請人:合肥工業大學