CN107041999A - 存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型构建方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种存在遮挡材料的放射剂量计算方法，且根据此方法建立三维剂量分布模型，并将三维剂量分布模型作为辅助肿瘤近距离放射治疗计划制定的应用。本发明提供了一种放射剂量计算方法，该方法能够较为精确的得出遮挡材料后方任意一点的放射剂量；通过具有遮挡材料的放射剂量计算方法，构建存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型，该三维剂量贡献分布模型能够精确表示放射源在遮挡材料后方的辐射范围和辐射强度，能够被应用的范围更加广泛；保护构建存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型在于放射治疗中的应用，其能够大大提高了近距离计划制定的精准程度，为使用单管近距离施源器治疗的病人带来的福音。

Description

存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型构建方法及其应用

技术领域

本发明涉及腔内放射性治疗技术领域，具体是指存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型构建方法及其应用。

背景技术

放射性是指元素从不稳定的原子核自发地放出射线，(如α射线、β射线、γ射线等)而衰变形成稳定的元素而停止放射(衰变产物)，这种现象称为放射性。放射能够应用的领域有很多，如工业上的核能发电、消除静电，农业方面了解肥料的吸收以及流失灭虫，考古方面能够应用于鉴定古物所属的年代，其中最为重要应用在于医学方面，用于肿瘤的治疗。

肿瘤放射治疗是利用放射线治疗肿瘤的一种局部治疗方法，主要用于恶性肿瘤，与手术治疗、化学药物治疗组成了肿瘤三大治疗手段。统计数字表明，约有50％-70％的癌症患者需要不同程度地接收放射治疗。放射治疗的基本目的是提高放射治疗的治疗增益比，即最大限度地将放射线的剂量集中到靶区内，杀灭肿瘤细胞，而使周围正常组织少受或免受不必要的照射。

三维腔内近距离治疗是放射治疗的一种形式，可以将放射源精准的放置于恶性肿瘤之内或附近，利用高能射线对肿瘤细胞进行杀伤，具有直接杀伤肿瘤、治疗效果好、复发率低的优点，广泛应用于临床肿瘤的治疗。由于患者的不同其肿瘤的大小、位置与形状也有不同，目前的施源器只能通过优化驻留点位置与时间形成包饶肿瘤的处方剂量曲线，但是对于肿瘤三维空间分布变化较大时会造成剂量线包绕不全肿瘤区，或如果剂量线包绕全肿瘤区则会造成周围正常组织超过限制剂量，引起放射性并发症。

现有近距离施源器，包括一种三管施源器，一种插值针施源器，三管施源器可获得等剂量曲线呈正扁梨型分布，前后方剂量比两侧低，这样就有效保护了正常组织，减少患者放射治疗后的放射并发症，然而，三管施源器设计较为复杂，体积较大，在使用其为病人进行治疗时，病人需要承受较大痛苦；插值针施源器，对于较大肿瘤需要插入较多插值针施源器，才能得到理想的剂量分布，但多根插值针植入时间长、病人难以忍受。后经发现，可以通过采用遮挡材料遮挡放射线的方式，使用单管或较少插值针施源器也能够实现三管或多插值针施源器的效果，即可以改变等剂量曲线的分布形状，能够根据需求，减少放射过程中，射线对正常组织的剂量，避免正常组织因放射引起的并发症，而单管施源器只有一个根施源管，在使用和操作时都较为容易，病人在治疗过程中，基本没有痛苦。

但是传统的近距离治疗系统中，构建的三维剂量分布模型，针对的是未经过遮挡的放射源，由于放射源经过遮挡材料的遮挡，射线会被遮挡材料吸收，并发生散射等，再使用原有的三维剂量分布模型，则在近距离治疗系统中会出现较大误差，导致整个放疗近距离计划的不准确，因此有必要根据新的有遮挡材料的施源器，构建一个新的三维剂量分布模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种存在遮挡材料的放射剂量贡献的计算方法。

本发明的另一个目的一种更为精准，方便放疗近距离治疗计划制定的存在遮挡材料的三维剂量分布模型构建方法。

本发明的还有一个目的在于提供该存在遮挡材料的三维剂量分布模型的具体应用。

本发明通过下述技术方案实现：一种放射剂量贡献的计算方法，放射源j 与目标点i之间存在遮挡材料，计算目标点i处放射剂量贡献的方法，具体包括以下步骤：

(1)获得计算参数，包括以下内容：

设放射源j为坐标的原点，即放射源j坐标为j(0，0，0)，则目标点i 相对于放射源j的坐标为i(r_i，θ_i，)；

放射时间t作为放射剂量贡献的自变量；

遮挡材料厚度L_i，根据遮挡材料实际情况得出；

遮挡材料对于放射源的平均衰减系数根据遮挡材料和放射源性质得出；

射线的散射比n，根据放射源性质得出；

(2)利用下列公式进行计算：

其中：S_k为空气比释动能强度；∧为剂量率常数；G(r，θ)为几何因子； g(r_i，θ_i)为径向剂量函数；F(r_i，θ_i)为方向性函数；以上均能够通过裂隙放射源的放射治疗剂量公式(TG43)得出，d_i则为放射源j在目标点i处的放射剂量贡献。

该放射剂量贡献计算方法的原理为，以裂隙放射源的放射治疗剂量公式 TG43公式为基础，结合射线强度衰减规律，得到存在遮挡材料的剂量贡献公式。

一种存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型构建方法，包括以下步骤：

(A)设放射源j坐标为(r_j，θ_j，)，则目标点i相对于放射源j的坐标为(r_ij，θ_ij，)；

(B)设放射源j所在三维空间内存在m个目标点i，则第m个目标点i 的坐标为(r_ijm，θ_ijm，)；

(C)根据权利要求1提供的放射剂量贡献的计算方法，得出放射源j在第m个目标点i处的放射剂量贡献：

其中：S_k为空气比释动能强度；∧为剂量率常数；G(r，θ)为几何因子； g(r_im，θ_im)为径向剂量函数；F(r_im，θ_im)为方向性函数；以上均能够通过裂隙放射源的放射治疗剂量公式(TG43)得出，d_im则为放射源j在第m个目标点i处的放射剂量贡献，即存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型；

所有目标点的总放射剂量贡献D_i为：

该存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型构建方法的原理为，以存在遮挡材料的剂量贡献公式为基础，构建存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型，该三维剂量贡献分布模型能够精确表示放射源在遮挡材料后方的辐射范围和辐射强度，能够被应用的范围更加广泛。

存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型作为辅助肿瘤放射治疗近距离计划制定的应用。

为了更好的实现其应用，进一步地，其应用具体过程包括以下步骤：

(a)选择合适的放射源和遮挡材料，并获取患者近距离放射治疗时的断层图像；

(b)根据放射源、遮挡材料、断层图像的具体情况，确定放射源的驻留点、以及放射源在驻留点的放射时间；

(c)将权利要求2所构建的存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型输入商业数学软件，通过商业数学软件结合放射源的驻留点和放射时间，模拟出整体放疗过程中三维剂量贡献分布模型；

(d)对模拟出存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型进行实体验证；

(e)将存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型导入近距离治疗计划系统中，通过近距离治疗计划系统配合肿瘤放射治疗近距离计划的制定。

为了更好的实现其应用，进一步地，所述步骤(a)中，患者的断层图像采用CT机扫描获取。

为了更好的实现其应用，进一步地，所述步骤(a)中，选择的遮挡材料为铅或钨合金。

为了更好的实现其应用，进一步地，所述步骤(a)中，选择的放射源为 Ir192。

为了更好的实现其应用，进一步地，所述商业数学软件为Matlab软件。

为了更好的实现其应用，进一步地，所述步骤(d)中，对三维剂量分布模型的验证过程为，将放射源置于模拟的人体内环境中，使用商业数学软件得出显示剂量分布的模型，检测区域空间内的实际放射剂量，然后将实际测得的放射剂量与模型显示的剂量进行比较。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明提供了一种放射剂量计算方法，该方法能够较为精确的得出遮挡材料后方任意一点的放射剂量；

(2)本发明通过具有遮挡材料的放射剂量计算方法，构建存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型，该三维剂量贡献分布模型能够精确表示放射源在遮挡材料后方的辐射范围和辐射强度，能够被应用的范围更加广泛；

(3)本发明保护构建存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型在于放射治疗中的应用，其能够大大提高了近距离计划制定的精准程度，为使用单管施源器与插值针治疗的病人带来的福音。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：

图1为等剂量曲线三维全景图；

图2为等剂量曲线三维矢状面图；

图3为等剂量曲线三维冠状面图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明。此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本实施例的公开放射源j与目标点i之间存在遮挡材料时，计算目标点i 处放射剂量贡献的方法，具体包括以下步骤：

(1)获得计算参数，包括以下内容：

设放射源j为坐标的原点，即放射源j坐标为j(0，0，0)，则目标点i 相对于放射源j的坐标为i(r_i，θ_i，)；

放射时间t作为放射剂量贡献的自变量；

遮挡材料厚度L_i，根据遮挡材料实际情况得出；

遮挡材料对于放射源的平均衰减系数根据遮挡材料和放射源性质得出；

射线的散射比n，根据放射源性质得出；

(2)利用下列公式进行计算：

其中：S_k为空气比释动能强度；∧为剂量率常数；G(r，θ)为几何因子； g(r_i，θ_i)为径向剂量函数；F(r_i，θ_i)为方向性函数；以上均能够通过裂隙放射源的放射治疗剂量公式(TG43)得出，d_i则为放射源j在目标点i处的放射剂量贡献。

实施例2：

本实施公开一种存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型构建方法，包括以下步骤：

(A)设放射源j坐标为(r_j，θ_j，)，则目标点i相对于放射源j的坐标为(r_ij，θ_ij，)；

(B)设放射源j所在三维空间内存在m个目标点i，则第m个目标点i 的坐标为(r_ijm，θ_ijm，)；

(C)根据权利要求1提供的放射剂量贡献的计算方法，得出放射源j在第m个目标点i处的放射剂量贡献：

其中：S_k为空气比释动能强度；∧为剂量率常数；G(r，θ)为几何因子G (r，θ)；g(r_im，θ_im)为径向剂量函数；F(r_im，θ_im)为方向性函数；以上均能够通过裂隙放射源的放射治疗剂量公式(TG43)得出，d_im则为放射源j在第m个目标点i处的放射剂量贡献，即存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型；

所有目标点的总放射剂量贡献D_i为：

实施例3：

本实施例公开存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型作为辅助肿瘤近距离放射治疗计划制定的应用，具体如下：

使用单管后装施源器作为宫颈癌后装放射治疗计划的主体治疗装置，并选择铅作为单管后装施源器的遮挡材料，Ir192作为放射源，并使用Matlab软件来模拟单管后装施源器三维剂量分布模型。

通过普通后装放疗计划，得出12个驻留点，分别是：

x＝-8:0.25:8；y＝x；z＝x；

[x,y,z]＝meshgrid(x)；

x_lr1＝0，y_lr1＝0，z_lr1＝0.5；

x_lr2＝0，y_lr2＝0，z_lr2＝1；

x_lr3＝0，y_lr3＝0，z_lr3＝1.5；

x_lr4＝0，y_lr4＝0，z_lr4＝2；

x_lr5＝0，y_lr5＝0，z_lr5＝2.5；

x_lr6＝0，y_lr6＝0，z_lr6＝3；

x_lr7＝0，y_lr7＝0，z_lr7＝3.5；

x_lr8＝0，y_lr8＝0，z_lr8＝4；

x_lr9＝0，y_lr9＝0，z_lr9＝4.5；

x_lr10＝0，y_lr10＝0，z_lr10＝5；

x_lr11＝0，y_lr11＝0，z_lr11＝5.5；

x_lr12＝0，y_lr12＝0，z_lr12＝6；

以及驻留时间t_n，即

t₁＝60.93s，

t₂＝53.25s，

t₃＝36.20，

t₄＝42.02，

t₅＝21.45，

t₆＝9.64，

t₇＝11.84，

t₈＝34.84，

t₉＝76.68，

t₁₀＝126.17，

t₁₁＝165.05，

t₁₂＝194.51；

然后通过Matlab软件结合放射源的驻留点、放射时间、以及放射源的遮挡情况，即

q＝Heng_withblockzlg(x，y，z，x_lr1，y_lr1，z_lr1，t₁)+Heng_withblockzlg(x，y， z，x_lr2，y_lr2，z_lr2，t₂)+Heng_withblockzlg(x，y，z，x_lr3，y_lr3，z_lr3， t₃)+Heng_withblockzlg(x，y，z，x_lr4，y_lr4，z_lr4，t₄)+Heng_withblockzlg(x，y，z， x_lr5，y_lr5，z_lr5，t₅)+Heng_withblockzlg(x，y，z，x_lr6，y_lr6，z_lr6，t6)+Heng_withblockzlg(x， y，z，x_lr7，y_lr7，z_lr7，t₇)+Heng_withblockzlg(x，y，z，x_lr8，y_lr8，z_lr8， t₈)+Heng_withblockzlg(x，y，z，x_lr9，y_lr9，z_lr9，t₉)+Heng_withblockzlg(x，y，z， x_lr10，y_lr10，z_lr10，t₁₀)+Heng_withblockzlg(x，y，z，x_lr11，y_lr11，z_lr11， t₁₁)+Heng_withblockzlg(x，y，z，x_lr12，y_lr12，z_lr12，t₁₂)；

[p，v]＝isosurface(x，y，z，q，600)；％用isosurface得到函数f＝0图形的点和面patch('faces'，p，'vertices'，v，'facevertexcdata'，jet(size(v，1))，'facecolor'， 'w'，'edgecolor'，'flat')；％用patch绘制三角网格图并设定色彩view(3)；grid on； axisequal。

模拟出整体放疗过程中三维剂量贡献分布模型，模拟后的图像如图1，图 2，图3所示。

然后对模拟出单管后装施源器三维剂量分布模型进行实体验证；再将单管后装施源器三维剂量分布模型导入后装治疗计划系统中，通过后装治疗计划系统辅助放射治疗宫颈癌后装计划的制定。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤(a)中，患者的断层图像采用CT机扫描获取。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤(d)中，对三维剂量分布模型的验证过程为，将放射源置于模拟的人体内环境中，使用商业数学软件得出显示剂量分布的模型，检测区域空间内的实际放射剂量，然后将实际测得的放射剂量与模型显示的剂量进行比较。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种放射剂量贡献的计算方法，其特征在于，放射源j与目标点i之间存在遮挡材料，计算目标点i处放射剂量贡献的方法，具体包括以下步骤：

(1)获得计算参数，包括以下内容：

设放射源j为坐标的原点，即放射源j坐标为j(0，0，0)，则目标点i相对于放射源j的坐标为

放射时间t作为放射剂量贡献的自变量；

遮挡材料厚度L_i，根据遮挡材料实际情况得出；

遮挡材料对于放射源的平均衰减系数根据遮挡材料和放射源性质得出；

射线的散射比n，根据放射源性质得出；

(2)利用下列公式进行计算：

其中：S_k为空气比释动能强度；∧为剂量率常数；G(r，θ)为几何因子；g(r_i，θ_i)为径向剂量函数；F(r_i，θ_i)为方向性函数；以上均能够通过裂隙放射源的放射治疗剂量公式(TG43)得出，d_i则为放射源j在目标点i处的放射剂量贡献。

2.一种存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

(A)设放射源j坐标为则目标点i相对于放射源j的坐标为

(B)设放射源j所在三维空间内存在m个目标点i，则第m个目标点i的坐标为

(C)根据权利要求1提供的放射剂量贡献的计算方法，得出放射源j在第m个目标点i处的放射剂量贡献：

其中：S_k为空气比释动能强度；∧为剂量率常数；G(r，θ)为几何因子；g(r_im，θ_im)为径向剂量函数；F(r_im，θ_im)为方向性函数；以上均能够通过裂隙放射源的放射治疗剂量公式(TG43)得出，d_im则为放射源j在第m个目标点i处的放射剂量贡献，即存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型；

所有目标点的总放射剂量贡献D_i为：

3.存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型作为辅助肿瘤近距离放射治疗计划制定的应用。

4.根据权利要求3所述存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型的应用，其应用具体过程包括以下步骤：

(a)选择合适的放射源和遮挡材料，并获取患者近距离放射治疗时的断层图像；

(b)根据放射源、遮挡材料、断层图像的具体情况，确定放射源的驻留点、以及放射源在驻留点的放射时间；

(c)将权利要求2所构建的存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型输入商业数学软件，通过商业数学软件结合放射源的驻留点和放射时间，模拟出整体放疗过程中三维剂量贡献分布模型；

(d)对模拟出存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型进行实体验证；

(e)将存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型导入近距离治疗计划系统中，通过近距离治疗计划系统配合肿瘤近距离放射治疗计划的制定。

5.根据权利要求4所述的存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型的应用，其特征在于，所述步骤(a)中，患者的断层图像采用CT机扫描获取。

6.根据权利要求4或5所述的存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型的应用，其特征在于，所述步骤(a)中，选择的遮挡材料为铅或钨合金。

7.根据权利要求4或5所述的存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型的应用，其特征在于，所述步骤(a)中，选择的放射源为Ir192。

8.根据权利要求4或5所述的存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型的应用，其特征在于，所述商业数学软件为Matlab软件。

9.根据权利要求4或5所述的存在遮挡材料的三维剂量贡献分布模型的应用，其特征在于，所述步骤(d)中，对三维剂量分布模型的验证过程为，将放射源置于模拟的人体内环境中，使用商业数学软件得出显示剂量分布的模型，检测区域空间内的实际放射剂量，然后将实际测得的放射剂量与模型显示的剂量进行比较。