CN112587808B - 粒子支架剂量分布计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种粒子支架剂量分布计算方法，包括：建立粒子支架的三维模型，在三维模型中预置若干放射性粒子的安装位置；利用蒙特卡罗仿真，计算单个放射性粒子在包含粒子支架三维模型时水模空间中的剂量分布；利用蒙特卡罗仿真，计算单个放射性粒子在无粒子支架三维模型时的水模空间中剂量分布；利用TG‑43方法计算单个放射性粒子在水模中剂量分布；计算单个放射性粒子在水模中的剂量分布修正值。相比于现有技术，本发明技术方案根据粒子支架三维模型进行蒙特卡罗仿真，比简化模型具有更高的精度；通过引入修正值，对TG‑43方法计算得到的剂量分布进行优化，得到了更为准确的粒子支架剂量分布。

Description

粒子支架剂量分布计算方法
技术领域
本发明涉及放射治疗技术领域，特别是涉及一种粒子支架剂量分布计算方法。
背景技术
粒子支架是一种携带放射性粒子的支架，在放射治疗技术领域，粒子支架植入人体能够缓解恶性肿瘤造成的梗阻，粒子支架所携带的放射性粒子能够对肿瘤细胞进行持续的放疗灭活。实践表明，在治疗门静脉癌栓、胆道梗阻、恶性气道梗阻与食管癌等腔内肿瘤时，粒子支架植入方法都具有显著的治疗效果。放射治疗计划制定的优劣直接影响到放疗效果，在制定放射治疗计划时，需要根据放射性粒子产生的剂量分布来评估治疗效果，并以此来调整粒子数量、粒子排列方式、位置、粒子活度以达到更优的治疗效果。因此，放射性粒子剂量分布计算是放射治疗计划制定的关键。
在现有技术中，计算放射性粒子剂量分布，通常采用美国医学物理学家协会TG-43报告所推荐的计算公式及参数。TG-43报告提供的公式及参数是将放射性粒子放在水模中测得的，未考虑粒子支架等非均匀介质对放射性粒子剂量分布的影响。
在现有技术中，计算粒子支架对放射性粒子剂量分布的影响时，直接采用蒙特卡罗方法进行仿真实验，以评估粒子支架造成的影响。在工程实践中，粒子支架的网状结构较为复杂，在仿真建模时需要简化支架模型，会导致最终的剂量仿真结果与真实粒子支架剂量分布相比产生偏差。另一方面，直接采用蒙特卡罗仿真所需时间较长，难以直接在临床实践中应用。
鉴于此，本发明提出一种粒子支架剂量分布计算方法，采用类比修正的技术手段，以缓解现有技术的不足。
发明内容
本发明提供了一种粒子支架剂量分布计算方法，粒子支架携带放射性粒子，包括：建立粒子支架的三维模型，在三维模型中预置若干放射性粒子的安装位置；单个放射性粒子设置在预置的安装位置,利用蒙特卡罗仿真，计算单个放射性粒子在包含粒子支架三维模型时水模空间中的剂量分布Ds(x,y,z)，其中x,y,z为水模空间的坐标值，坐标原点位于单个放射性粒子中心，z轴与单个放射性粒子纵轴重合；利用蒙特卡罗仿真，计算单个放射性粒子在无粒子支架三维模型时的水模空间中剂量分布Dw(x,y,z)；利用TG-43方法计算单个放射性粒子在水模中剂量分布
Figure GDA0003469699060000021
计算单个放射性粒子在水模中的剂量分布修正值
Figure GDA0003469699060000022
根据粒子支架的结构，利用线性插值计算放射性粒子在预置安装位置的修正系数Ds(x,y,z)/Dw(x,y,z)，具体计算方式为，由于粒子支架相对于其纵轴上的中心截面具有对称性，纵轴方向上关于中心截面对称的两个预置安装位置处的放射性粒子修正系数Ds(x,y,z)/Dw(x,y,z)是一致的，所以通过计算中心截面一侧间隔一定距离处放射性粒子修正系数，然后获得已计算修正系数的预置安装位置关于中心截面对称位置的修正系数，进而基于线性插值获得放射性粒子纵轴方向上任意位置处的修正系数Ds(x,y,z)/Dw(x,y,z)；
继续计算三维模型中其它安装位置单个粒子的剂量分布，累加所有安装位置单个粒子的剂量分布。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：通过建立粒子支架的三维模型，据此三维模型进行蒙特卡罗仿真，比简化模型具有更高的精度；通过引入修正值，对TG-43方法计算得到的剂量分布进行优化，得到了更为准确的粒子支架剂量分布。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种粒子支架剂量分布计算方法流程示意图；
图2为本发明实施例粒子支架携带单个放射性粒子示意图；
图3为本发明实施例粒子支架结构示意图；
图4为图3的局部放大图。
图中：(a)四阵列十六粒子支架模型；(b)内部网状支架；(c)外部支架；(d)内部网状支架模型。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要进行说明的是，粒子支架有各种不同尺寸，放射性粒子也有多种类型。粒子支架携带的放射性粒子可呈不同的排列结构，在放射治疗时需要根据具体情况选用支架、放射性粒子以及排列方式。如图2和图3所示，本实施例以直径12mm长度60mm的强生S.M.A.R.TControl粒子支架，16个6711型125I放射性粒子以四阵列的方式排列在支架周围为例阐述。对于不同的粒子支架、放射性粒子以及排列方式，本发明方法同样适用。
图1是本发明实施例一种粒子支架剂量分布计算方法流程示意图，如图1所示，该方法包括如下五个步骤。
步骤S101：建立粒子支架三维模型，并在三维模型中预置若干放射性粒子的安装位置。
在一个可选的实施例中，利用三维建模软件建立粒子支架三维模型，并以STL格式导出，以用于蒙特卡罗仿真模拟。
需要进行说明的是，如图3所示，粒子支架由内部网状支架和外部支架两部分组成，内部网状支架为直径12mm长度60mm的强生S.M.A.R.T Control支架；外部支架由镍钛合金丝和聚对苯二甲酸乙二醇酯胶囊构成。如图2和图3所示，放射性粒子可置于内部网状支架表面的任意位置，但在具体工程实践中，设置放射性粒子的安装位置，即设置放射性粒子的排列方式，例如图3中(a)的四阵列十六粒子的排列方式。
步骤S102：计算单个放射性粒子在包含粒子支架时的剂量分布。具体地，将单个放射性粒子设置在预置的安装位置，利用蒙特卡罗仿真，计算单个放射性粒子在包含粒子支架三维模型时水模空间中的剂量分布Ds(x,y,z)，其中x,y,z为水模空间的坐标值，坐标原点位于单个放射性粒子中心，z轴与单个放射性粒子纵轴重合。
在一个具体的实施例中，采用蒙特卡罗仿真软件GATE导入S101中建立的三维模型，在软件中配置粒子支架的材料组成。如图2所示，在软件中配置完成后进行蒙特卡罗仿真，得到单个放射性粒子在包含粒子支架三维模型时水模空间中的剂量分布Ds(x,y,z)。
步骤S103：计算单个放射性粒子在无粒子支架时的剂量分布。具体地，利用蒙特卡罗仿真，计算单个放射性粒子在无粒子支架三维模型时的水模空间中剂量分布Dw(x,y,z)。
在一个具体的实施例中，在蒙特卡罗仿真软件GATE中移除粒子支架的三维模型，在只剩下单个放射性粒子放置在水模之中的情况下进行仿真，得到单个放射性粒子在无粒子支架三维模型时的水模空间中剂量分布Dw(x,y,z)。
步骤S104：计算单个放射性粒子剂量分布修正值。具体地，利用TG-43方法计算单个放射性粒子在水模中剂量分布
Figure GDA0003469699060000041
计算单个放射性粒子在水模中的剂量分布修正值
Figure GDA0003469699060000042
Figure GDA0003469699060000043
需要进行说明的是，TG-43方法为公知常识，在近似条件下，TG-43方法计算得到单粒子在水模中的剂量分布：
Figure GDA0003469699060000044
Figure GDA0003469699060000045
Figure GDA0003469699060000046
其中Sk为粒子源空气比释动能强度，Λ为剂量率常数，GL粒子源几何函数，gL径向剂量函数，F为各向异性函数，这些值均由放射性粒子生产商家及TG-43报告给出。
采用类比的技术手段，使用蒙特卡罗仿真结果对
Figure GDA0003469699060000047
进行修正，修正系数为Ds(x,y,z)/Dw(x,y,z)。
在一个可选的实施例中，根据粒子支架的结构，利用线性插值计算放射性粒子在预置安装位置的Ds(x,y,z)/Dw(x,y,z)。如图2所示，z0表示粒子支架边缘到放射性粒子中心的纵向间距。当粒子源与支架边缘的距离即z0变化时，放射性粒子在支架影响下产生的剂量分布也会随之变化，这也导致了修正系数的变化。具体地，计算并存储z0取0mm、5mm、10mm、20mm、30mm的修正系数，由于粒子支架相对于中心横截面具有近似对称性，且粒子支架长度为60mm。因此可以通过对称特征得到z0取40mm、50mm、55mm和60mm时的修正系数，其后通过线性插值我们可以得到z0取0-60mm范围内任意值时的修正系数Ds(x,y,z)/Dw(x,y,z)。需要进行说明的是，蒙特卡罗仿真需要消耗大量的时间，通过结构对称特征和线性插值，可以快速得到结果，以降低计算时间。
步骤S105：累加单个放射性粒子剂量分布。具体地，继续计算三维模型中其它安装位置单个粒子的剂量分布，累加所有安装位置单个粒子的剂量分布。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种粒子支架剂量分布计算方法，所述粒子支架携带放射性粒子，其特征在于，包括：
建立所述粒子支架的三维模型，在所述三维模型中预置若干放射性粒子的安装位置；
将单个放射性粒子设置在预置的安装位置，利用蒙特卡罗仿真，计算所述单个放射性粒子在包含粒子支架三维模型时水模空间中的剂量分布Ds(x，y，z)，其中x，y，z为所述水模空间的坐标值，坐标原点位于所述单个放射性粒子中心，z轴与所述单个放射性粒子纵轴重合；
利用蒙特卡罗仿真，计算所述单个放射性粒子在无粒子支架三维模型时的水模空间中剂量分布Dw(x，y，z)；
利用TG-43方法计算所述单个放射性粒子在水模中剂量分布
Figure FDA0003469699050000011
计算所述单个放射性粒子在水模中的剂量分布修正值
Figure FDA0003469699050000012
Figure FDA0003469699050000013
根据所述粒子支架的结构，利用线性插值计算放射性粒子在预置安装位置的修正系数Ds(x，y，z)/Dw(x，y，z)，具体计算方式为，由于所述粒子支架相对于其纵轴上的中心截面具有对称性，所述纵轴方向上关于中心截面对称的两个预置安装位置处的放射性粒子修正系数Ds(x，y，z)/Dw(x，y，z)是一致的，所以通过计算所述中心截面一侧间隔一定距离处放射性粒子修正系数，然后获得已计算所述修正系数的预置安装位置关于中心截面对称位置的修正系数，进而基于线性插值获得所述放射性粒子纵轴方向上任意位置处的修正系数Ds(x，y，z)/Dw(x，y，z)；
继续计算所述三维模型中其它安装位置单个粒子的剂量分布，累加所有所述安装位置单个粒子的剂量分布。
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