CN104258505B - 肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模及其建立和应用 - Google Patents

Abstract

一种肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模，根据患者自身内部CT影像数据，由一种或者几种材料的体素模块搭建而成，其中，体素模块为立方体结构，根据不同部位选择相应材料的体素模块搭建成患者体素模型，本发明同时提供了该仿真体模的建立方法，根据患者肿瘤定位CT影像资料，获取其体内肿瘤和正常组织的分布结构；将患者肿瘤定位CT影像资料按照体素模块的尺寸大小分割，然后根据患者体内肿瘤和正常组织分布结构，用体素模块搭建成患者体素模型，本发明进一步公开了该仿真体模的应用，本发明通过收照患者的CT影像资料，搭建个体化验证模型，可更加准确地评估放射治疗患者肿瘤和正常组织受照剂量是否与计划给予的剂量相符。

Description

肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模及其建立和应用

技术领域

本发明属于医疗器械及医疗辅助器材技术领域，特别涉及一种肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模。

背景技术

从1966年以来，人们开始用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法来模拟人体各器官受到的辐射剂量，并开发了各种计算模型。人体辐射剂量模型从上世纪60年代最初利用几何图形表示人体结构的数学模型，发展到20世纪80年代基于断层扫描图片的三维体素模型，以及四维可变形运动模型。特点如下：

1.程式化数学模型(tylized mathematical mode1)

1969年，美国橡树岭国家实验室(oak ridgena-tional laboratory,RNL)的Fisher和Synder开发了首例人体程式化数学模型(medical internal radiation dosecommittee，MIRD)。这个MIRD模型是基于(international commission on radiologiealprotection)ICRP“标准参考人”的定义(体重70kg，身高170cm的男性)。最初的MIRD模型包含有40个不同的人体组织和器官，主要由球面、圆柱面、椭圆形、圆锥体等几何图形组成。MIRD模型的二维截面，三维轮廓和三维立体结构。

橡树岭国家实验室在后续的改进中又将其衍生为具有不同年龄、性别的模型家族，以便适应不同人群。改良后的代表性模型，如成年男性模型亚当(ADAM)和成年女性模型夏娃(EVA)。这些基于MIRD的模型过去一直都作为核辐射防护剂量学界的标准。

以中国可视人为基础，构建符合中国人体特征的CMIRD模型。该模型在人体解剖结构上更符合中国人体特征，包括身高、体重、器官位置(坐标)和器官尺寸。CMIRD模型的构建是通过测量中国数字人体体素模型中头部、躯干、四肢、各内脏器官在整体模型中的位置坐标和寸，采用球体、圆柱和椭圆等数学公式表达。

相对于体素模型，数学模型定义简单，存储空间小，利于早期计算机处理。这种数学定义的方式虽然模拟了人体器官结构，但很大程度上影响了模型的真实性，尤其是很多解剖学的细节无法用有限数量的数学公式来建模，从而影响放射剂量的准确性。

2.层析模型(Tomographie model)

20世纪80年代末，人们开始借助现代医学成像技术构造具有解剖特征的真实模型。高分辨率连续CT和MRI扫描是被最广泛应用的方法之一。从CT或MRI图像中分割出的人体组织和器官，经过三维重建，可认为是准确反应了体内结构特征。至今已建有30余例基于CT、MRI和彩色图片的各类人体体素模型。

1994年，美国Yale大学的Zubal等开发了Voxel—Man成年男性模型；1997年，英国国家辐射防护部(NRPB)的Dimbylow构建了基于MRl图像的模型NORMAN；2002年，Zankl等构建了基于CT图像的具有不同年龄、性别的系列模型：BABY，CHILD，Alder-son，GOLEM等；2005年，Lee等开发出分别基于CT和MRI的韩国人模型KORMAN。

美国伦斯勒理工大学的徐榭博士领导的研究小组在断层彩色照片的基础上，开发了一个成年男子人体模型，命名为VIP—MAN，该模型采用美国国家医学图书馆“可视人项目”的彩色图片，分辨率为0.33mm×0.33mm×lmm，并用于多粒子外源、内源放射计量模拟。

3.Monte Carlo计算方法

计算机模拟大致分为随机统计实验方法(又称蒙特卡洛方法)和确定性模拟方法两类，蒙特卡洛方法广泛应用于模拟辐射传送，并逐渐成为辐射计量计算最强有力的工具之一。其核心思想是将粒子周期的概念贯穿于描述微观复杂粒子运动和反应过程中，通过不断产生随机数序列来模拟粒子的衰变过程和粒子在介质中的运输过程。

基于计算机技术的蒙特卡洛模拟离不开编译与执行代码，目前广泛应用于放射医学与核工程领域的代码主要有三种：MCNP，EGS和GEANT。它们都具有实用性，适用三维空间，还具有很好的基准和同时传输光子和电子的能力。

Monte Carlo N·Particle(MCNP)是由美国阿拉莫斯国家实验室(10s alamosnational laboratory)为二十世纪40年代曼哈顿计划所研发，后由ORNL发布的核工程计算代码，迄今已有多个版本。它可以在广泛的能量范围内模拟包括中子、光子、电子在内的34种粒子的传输和相互作用。输入文件代码编写灵活，放射源分布、能量分布、时间、位置和方向都可在一个输入文件中定义，三维几何空间的定义尤为方便。MCNPX(MCNP eXtension)是MCNP代码的多粒子与超大能级扩展版本，被认为是性能良好的多粒子全能级模拟工具。

Electron Gamma Shower Version(EGS)是1985年由斯坦福线型加速器中心(thestanford linear acceler-ator center，SLAC)发布的一款用于蒙特卡洛模拟的宏和子程序的集成系统，拥有强大的计算电子和光子传输的能力。用户使用宏和子程序来编写应用程序代码，灵活解决复杂问题，不仅包括放射源、能量分布、时间、位置和方向的定义，而且所有的运行过程和计算结果都能被有效地记录下来。用户甚至可以控制输出步长，将相互作用一步步输出来研究整个过程的细节。Geometry and Tracking(GEANT)程序是由欧洲核子中心和日本高能物理中心(KEK)主导，20多个机构参与，几十位科学家参加，采用面向对象技术编写的一个大型的蒙特卡罗通用开发程序包。GEANT程序能够模拟基本粒子穿过物质的过程。最初设计用于高能物理实验，目前还应用于如医学、生物科学、辐射防护和航空航天等领域。

可视化中国人与高分辨人体结构数据集

随着数字人计划的进行，基于人体断层切削彩色照相技术获取的图像数据被认为较CT和MRI成像方法更为准确。数字人计划源于1989年由美国国立医学图书馆发起的“可视人计划”(visible human project.VHP)。1994年VHP成功获取一例西方男性解剖结构数据集，1995年发布了西方女性解剖结构数据集。韩国于2000年也开始了“韩国可视人”研究的5年计划(visible korean human，VKH)，并于次年获取了第一例韩国可视人数据。

2005年，四川大学人机研究所对大量中国成年人的各项参数进行统计后研制出能代表大多数中国成年人的中国人辐照仿真人体模型(anthropomorphic phantom)，是用与人体组织对射线散射和吸收相似的“组织等效材料”制成的具有骨骼、肌肉、脏器的人体模型。由于人体模型与真人相比满足几何形状、元素组成、组织等效性及内部结构相似，当模拟照射条件即立体角、能谱、照射时间相似时，仿真人体模型跟活体真人满足几何形状、元素组成、组织等效以及内部结构相似，因此仿真人体模型质量单元剂量也相似于人体活体质量单元剂量。所以可使用辐照仿真体模进行放射治。

2008年，在国家863“可视中国人”项目的支持下，基于南方医科大学的人体断层图片集，华中科技大学完成构建了国际上分辨率最高的人体三维解剖结构数据集(体素0.1mm、0.1mm、0.2mm)，实现了人体运动、消化、呼吸、泌尿生殖、循环、神经、内分泌等生理系统的260个器官和组织的精细分割和三维重建。高分辨率的人体三维解剖结构数据集为构建高质量放射学剂量模拟与仿真模型提供了基础。这三种数据集的比较如表1所示。

表1 各国数字人体数据集比较

比较类别	数字美国人	数字韩国人	数字中国人
				标本质量	有病史	有病史	有病史
切片数量	1878	9000	9215
				体素大小	0.33mm×0.33mm×1mm	0.2mm×0.2mm×0.2mm	0.1mm×0.1mm×0.2mm
数据处理量	15GB	158GB	565GB
				图像空间配准	无	无	有
分割颜色校正	无	无	有
				三维建模	整体生理系统	局部器官	整体生理系统

基于中国数字化可视人的中国数字化辐射体素模型以及放射模拟系统的构建主要包括以下几个步骤：图像数据的获取、图像分割与标识、三维重建与可视化、模型的导入与实现。中国数字化可视人已实现了模型的图像获取、分割标识和三维可视化，在此基础上，定义人体三维体素矩阵、对器官和组织对应的每个体素赋以物理化学属性，形成蒙特卡罗代码，最终实现模拟的导入和构建。

2011年，CIRS公司开发出ATOM人体可视化模型，该模型按照年龄和大小分为六个，它们分别为1岁、5岁、10岁的小孩模型以及成年男性和成年女性模型。每一个模型分层设计，每层厚度为25mm。ATOM模型使用通用的组织等效环氧树脂材料，可用于ATOM模型中设计了21种人体器官模型，在每种器官中可放置TLD，用于研究器官受量，全省有效剂量以及验证放射治疗剂量。

以上的体模都是基于层析结构或软件模拟所制作出的人体辐射可视化模型，但是在放射治疗中，每一位患者的身高，体重，头、胸、腹各部分的几何尺寸不一样，各种脏器的位置与大小都各不一样，无法做到个体化验证放射治疗剂量的准确性。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模，利用材料做出每个体素模型，分为软组织、骨骼和肺组织三种等效材料；利用接受放射治疗的患者的CT影像资料知道各个组织的位置与大小，然后用体素模型材料搭建成个体化的患者可视化模型。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模，根据患者自身内部CT影像数据，由如下一种或者几种材料的体素模块搭建而成：

材料A，质量组份为：11％的氧，73.2％的碳，9.8％的氢以及6％的氮；

材料B，质量组份为：9.77％的氧，64.58％的碳，9.78％的氢，5％的氮以及0.27％的硫；

材料C，质量组份为：26.04％的氧，58.43％的碳，9.77％的氢，4.28％的氮以及0.46％的硫；

材料D，质量组份为：30.74％的氧，53.82％的碳，9.76％的氢，3.75％的氮以及0.61％的硫；

材料E，质量组份为：34.4％的氧，50.22％的碳，9.76％的氢，3.33％的氮以及0.72％的硫；

材料F，质量组份为：37.32％的氧，47.35％的碳，9.75％的氢，3％的氮以及0.81％的硫；

其中，体素模块为立方体结构，根据不同部位选择相应材料的体素模块搭建成患者体素模型。

在所述体素模块间，设置有辐射探测器。

所述体素模块的尺寸为2.5cm×2.5cm×0.8cm。

所述材料A用于搭建脂肪组织，材料B用于搭建肺组织，材料C用于搭建肿瘤组织，材料D用于搭建软组织，材料E用于搭建骨髓组织，材料F用于搭建骨组织。

所述肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模的建立方法，包括如下步骤：

步骤1，根据患者肿瘤定位CT影像资料，获取其体内肿瘤和正常组织的分布结构；

步骤2，将患者肿瘤定位CT影像资料按照体素模块的尺寸大小分割，然后根据患者体内肿瘤和正常组织分布结构，用体素模块搭建成患者体素模型。

具体地，将A、B、C、D、E、F六种材料放入CT机下扫描，得到这六种材料的灰度和电子密度；然后将患者肿瘤定位CT影像导入Matlab软件；再利用Matlab软件将患者肿瘤定位CT影像资料按照2.5cm×2.5cm×0.8cm的尺寸大小分割；读取分割出来的体素模块灰度值，按照步骤1中六种材料灰度和电子密度值关系，分别赋予每个体素模块对应的材料；最后按照每个体素模块的结构位置搭建肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模。

所述肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模的应用，包括如下步骤：

步骤1，将患者体素模型置于肿瘤定位大孔径CT机下进行扫描；

步骤2，将模型CT扫描图像传输至治疗计划系统；

步骤3，通过治疗计划系统将患者的治疗计划移植到患者体素模型，确定肿瘤和正常组织剂量；

步骤4，将患者的治疗计划传输至加速器；

步骤5，将患者体素模型置于加速器治疗床上，按照治疗计划实行照射；

步骤6，照射结束后，检测患者体素模型中的吸收剂量，与计划的吸收剂量对比；如果剂量误差在3％以内，表明患者可接受该治疗计划；如果剂量误差在3％以外，表明患者不可接受治疗计划，需根据误差，对治疗计划进行调整并重新返回至步骤2。

所述步骤1中，扫描参数为：头颈部，120KV，300mAs/Slice；胸腹部，120KV，400mAs/Slice。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

目前，我国放射治疗中，仅能通过“标准人模型”估算个体承受的辐射剂量是否与计划给予肿瘤和正常器官的剂量相同。但是每一位患者身高、体重、性别各不相同，目前国际上没有一种方法可以得到个体化的验证模型。本发明通过收照患者的CT影像资料，利用设计的人体等效体素模型材料搭建成个体化验证模型，更加准确地评估放射治疗患者肿瘤和正常组织受照剂量是否与计划给予的剂量相符。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的实施方式。

随着计算机断层技术的发展，CT成像能够产生精确的数字形式的三维人体内部影像。这些影像数据经过分割转化为体素形式，实现人体的三维数字化重建。在体素分割技术中，可以将图像分割为任意大小体素模型图像。

本发明采用的等效体素模块几何尺寸为2.5cm×2.5cm×0.8cm。模型中任意模块可被替代为其他材料，并且可在任意位置布置辐射探测器例如TLD探测器进行辐射测量。

本发明提供的一系列人体组织替代材料，该材料的相关物理参数(密度、CT值、组份含量等)均同人体真实组份较为接近，通过调整元素配比，可用于后期模型的搭建工作，材料如下所示：

A用于搭建脂肪组织，材料B用于搭建肺组织，材料C用于搭建肿瘤组织，材料D用于搭建软组织，材料E用于搭建骨髓组织，材料F用于搭建骨组织

材料A，质量组份为：11％的氧，73.2％的碳，9.8％的氢以及6％的氮，主要用于搭建脂肪组织。

材料B，质量组份为：9.77％的氧，64.58％的碳，9.78％的氢，5％的氮以及0.27％的硫，主要用于搭建肺组织。

材料C，质量组份为：26.04％的氧，58.43％的碳，9.77％的氢，4.28％的氮以及0.46％的硫，主要用于搭建肿瘤组织。

材料D，质量组份为：30.74％的氧，53.82％的碳，9.76％的氢，3.75％的氮以及0.61％的硫，主要用于搭建软组织。

材料E，质量组份为：34.4％的氧，50.22％的碳，9.76％的氢，3.33％的氮以及0.72％的硫，主要用于搭建骨髓组织。

材料F，质量组份为：37.32％的氧，47.35％的碳，9.75％的氢，3％的氮以及0.81％的硫，主要用于搭建骨组织。

体素模块采用立方体结构形式，以下实施例均基于上述技术。

实施例1

头颈部肿瘤(腮腺癌)：

患者基本资料：男，56岁，腮腺量癌，身高170cm，体重65kg，处方剂量：60Gy/30f，单次剂量200cGy，处方剂包绕95％的肿瘤靶区。

患者进行philips big bore肿瘤定位大孔径CT扫描，扫描参数：头颈部，120KV，300mAs/Slice，将扫描图像传输至放射治疗计划系统Pinnalce中，物理剂量师利用治疗计划系统制作好该患者的放射治疗计划。利用Matlab软件将该患者的CT影像按照体素模块尺寸大小2.5cm×2.5cm×0.8cm分割，根据患者体内肿瘤和正常组织分布位置，用体素模块搭建成患者体素模型，在一些部位布置TLD探测器，这些部位至少包括相应的肿瘤、软组织和脊髓位置。用材料C搭建肿瘤组织，用材料D搭建软组织，用材料F搭建椎骨组织，用材料D搭建骨髓组织。

构建模型后，将患者体素模型进行philips big bore肿瘤定位大孔径CT扫描，扫描参数：120KV，300mAs/Slice。将模型CT扫描图像通过DICOM接口传输至治疗计划系统Pinnalce，通过治疗计划系统将患者的治疗计划移植到体素模型上，计算肿瘤和正常组织剂量并记录。然后将治疗计划再传输至Synergy加速器，将模型置于加速器治疗床上，按照治疗计划实行照射。照射结束后，将TLD探测器取出并在机器上读出吸收剂量。将实际测量的吸收剂量与计划的吸收剂量对比，对比结果如表2，由表2可得，该患者肿瘤和脊髓的平均剂量、最大剂量的误差都在3％以内，测量的软组织平均剂量和最大剂量均高于计划给予剂量，软组织平均剂量的误差超出3％，但是经过计算一次软组织平均剂量超出5.93cGy，软组织总的平均剂量177.9cGy，在临床可接受范围内。所以制作的放射治疗计划可用于患者治疗。

表2 腮腺癌剂量验证结果

实施例2

胸部肿瘤(肺癌)：

患者基本资料：女，55岁，肺癌，身高160cm，体重55kg，处方剂量：60Gy/30f，单次剂量200cGy，处方剂量包绕95％的肿瘤靶区。

患者进行Phlips big bore肿瘤定位大孔径CT扫描，扫描参数：胸腹部，120KV，400mAs/Slice，将扫描图像传输至放射治疗计划系统Pinnalce中，物理剂量师利用治疗计划系统制作好该患者的放射治疗计划。利用Matlab软件将该患者的CT影像按照验证模体尺寸大小2.5cm×2.5cm×0.8cm分割，根据患者体内肿瘤和正常组织分布位置，用体素模型搭建成患者体素模型。在一些部位布置TLD探测器，这些部位至少包括相应的肿瘤、肺、软组织和脊髓位置。用材料B搭建肺组织，用材料C搭建肺叶肿瘤组织，用材料D搭建软组织，用材料F搭建椎骨组织，用材料D搭建骨髓组织。

构建模型后，将患者体素模型进行philips big bore肿瘤定位大孔径CT扫描，扫描参数：120KV，400mAs/Slice。将模型CT扫描图像通过DICOM接口传输至治疗计划系统Pinnalce，通过治疗计划系统将患者的治疗计划移植到体素模型上，计算肿瘤和正常组织剂量并记录。然后将治疗计划再传输至Synergy加速器，将模型置于加速器治疗床上，按照治疗计划实行照射。照射结束后，将TLD探测器取出并在机器上读出吸收剂量。将实际测量的吸收剂量与计划的吸收剂量对比，对比结果如表3，由表3可得，该患者肿瘤、软组织、脊髓和肺的平均剂量、最大剂量的误差都在3％以内，制作的放射治疗计划可用于患者治疗。

表3 肺癌剂量验证结果

实施例3

腹部肿瘤(软组织肿瘤)：

患者基本资料：男，36岁，软组织肿瘤，身高175cm，体重80kg，处方剂量：30Gy/10f，单次剂量200cGy，处方剂量包绕95％的肿瘤靶区。

患者进行Phlips big bore肿瘤定位大孔径CT扫描，扫描参数：胸腹部，120KV，400mAs/Slice，将扫描图像传输至放射治疗计划系统Pinnalce中，物理剂量师利用治疗计划系统制作好该患者的放射治疗计划。利用Matlab软件将该患者的CT影像按照验证模体尺寸大小2.5cm×2.5cm×0.8cm分割，根据患者体内肿瘤和正常组织分布位置，用体素模型搭建成患者体素模型。在一些部位布置TLD探测器，这些部位至少包括相应的肿瘤、软组织和脊髓位置。用材料C搭建肿瘤组织，用材料D搭建软组织，用材料F搭建椎骨组织，用材料D搭建骨髓组织。

构建模型后，将患者体素模型进行philips big bore肿瘤定位大孔径CT扫描，扫描参数：120KV，400mAs/Slice。将模型CT扫描图像通过DICOM接口传输至治疗计划系统Pinnalce，通过治疗计划系统将患者的治疗计划移植到体素模型上，计算肿瘤和正常组织剂量并记录。然后将治疗计划再传输至Synergy加速器，将模型置于加速器治疗床上，按照治疗计划实行照射。照射结束后，将TLD探测器取出并在机器上读出吸收剂量。将实际测量的吸收剂量与计划的吸收剂量对比，对比结果如表4，由表4可得，该患者肿瘤、和脊髓的平均剂量、最大剂量的误差都在3％以内。所以制作的放射治疗计划可用于患者治疗。

表4 软组织肿瘤剂量验证结果

基于以上实施例可得，在肿瘤放射治疗中，人体器官接收的剂量与计划给予的剂量不同，而且并非所有器官的测量剂量与计划剂量的误差满足临床要求。对于误差超过临床的接受范围时，根据临床要求，做出是否执行计划的决定。这也体现了模型测量的必要性。

Claims (5)

1.一种肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模，其特征在于，根据患者自身内部CT影像数据，由如下一种或者几种材料的体素模块搭建而成：

材料A，质量组份为：11％的氧，73.2％的碳，9.8％的氢以及6％的氮；

材料B，质量组份为：9.77％的氧，64.58％的碳，9.78％的氢，5％的氮以及0.27％的硫；

材料C，质量组份为：26.04％的氧，58.43％的碳，9.77％的氢，4.28％的氮以及0.46％的硫；

材料D，质量组份为：30.74％的氧，53.82％的碳，9.76％的氢，3.75％的氮以及0.61％的硫；

材料E，质量组份为：34.4％的氧，50.22％的碳，9.76％的氢，3.33％的氮以及0.72％的硫；

材料F，质量组份为：37.32％的氧，47.35％的碳，9.75％的氢，3％的氮以及0.81％的硫；

其中，体素模块为立方体结构，根据不同部位选择相应材料的体素模块搭建成患者体素模型，所述材料A用于搭建脂肪组织，材料B用于搭建肺组织，材料C用于搭建肿瘤组织，材料D用于搭建软组织，材料E用于搭建骨髓组织，材料F用于搭建骨组织。

2.根据权利要求1所述肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模，其特征在于，在所述体素模块间，设置有辐射探测器。

3.根据权利要求1所述肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模，其特征在于，所述体素模块的尺寸为2.5cm×2.5cm×0.8cm。

4.根据权利要求1所述肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模的建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据患者肿瘤定位CT影像资料，获取其体内肿瘤和正常组织的分布结构；

步骤2，将患者肿瘤定位CT影像资料按照体素模块的尺寸大小分割，然后根据患者体内肿瘤和正常组织分布结构，用体素模块搭建成患者体素模型。

5.根据权利要求4所述肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将A、B、C、D、E、F六种材料放入CT机下扫描，得到这六种材料的灰度和电子密度；

步骤2，将患者肿瘤定位CT影像导入Matlab软件；

步骤3，利用Matlab软件将患者肿瘤定位CT影像资料按照2.5cm×2.5cm×0.8cm的尺寸大小分割；

步骤4，读取分割出来的体素模块灰度值，按照步骤1中六种材料灰度和电子密度值关系，分别赋予每个体素模块对应的材料；

步骤5，按照每个体素模块的结构位置搭建肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模。