CN113608252A - 一种核医学受检者周围辐射剂量率确定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种核医学受检者周围辐射剂量率确定方法及系统。该方法包括：获取受检者的人体模型参数以及目标图像的灰度值；目标图像包括受检者的PET/CT图像或PET图像；使用周围辐射剂量率时空分布预测模型，根据受检者的人体模型参数以及灰度值，确定受检者周围辐射剂量率的时空分布；其中，周围辐射剂量率时空分布预测模型根据灰度放射性比活度关系以及人体模型确定，灰度放射性比活度关系包括灰度与对应人体结构单位放射性比活度之间的关系。本发明实施例实现了对受检者周围辐射剂量率时空分布的确定。
Description
技术领域
本发明涉及核医学辐射领域，特别是涉及一种核医学受检者周围辐射剂量 率确定方法及系统。
背景技术
PET/CT技术将PET(Positron Emission Tomography，正电子发射断层扫描) 与CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)结合为一体进行扫描成像。 在进行扫描成像之前，PET/CT受检者需注射放射性药物(例如氟代脱氧葡萄 糖)。
注射了放射性药物之后，受检者就成为一个可以“自主运动”的放射源：一 方面受检者自身(包括各组织和器官)会受到一定的辐射损伤，另一方面受检 者周边会形成了一个动态变化的辐射场。该辐射场会对与体内带有放射性药物 受检者有所接触的人员产生不必要的照射。这些人员可能涉及主治医生、护士 等职业照射人员，以及，陪护人员、家属等公众照射人员。
为保护上述人员的健康，首先应确定受检者周围辐射剂量率分布，因此， 目前亟需能够对核医学受检者周围辐射剂量率分布进行测量的技术方案。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种核医学受检者周围辐射剂量率确定方法 及系统。
为实现上述目的，本发明实施例提供了如下方案：
一种核医学受检者周围辐射剂量率确定方法，包括：
获取受检者的人体模型参数以及目标图像的灰度值；所述目标图像包括所 述受检者的PET/CT图像或PET图像；
使用周围辐射剂量率时空分布预测模型，根据所述受检者的人体模型参数 以及所述灰度值，确定所述受检者周围辐射剂量率的时空分布；其中，所述周 围辐射剂量率时空分布预测模型根据灰度放射性比活度关系以及人体模型确 定，所述灰度放射性比活度关系包括灰度与对应人体结构单位放射性比活度之 间的关系。
可选的，所述核医学受检者周围辐射剂量率确定方法，还包括：
构建人体模型；
其中，所述人体模型包括多个圆柱体模型，任一所述圆柱体模型用于表示 人体的一结构单位，所述人体模型参数包括各所述圆柱体模型的尺寸。
可选的，所述周围辐射剂量率时空分布预测模型的构建过程包括：
根据放射性衰变与时间的关系、灰度放射性比活度关系和任一所述圆柱体 模型中微元的灰度，对任一所述圆柱体模型中微元对人体模型外同一空间位置 的辐射剂量率进行体积积分，得到任一所述圆柱体模型的周围辐射剂量率时空 分布；
将各所述圆柱体模型的周围辐射剂量率时空分布进行对应叠加，得到所述 周围辐射剂量率时空分布预测模型。
可选的，所述多个圆柱体模型包括：头部圆柱体模型、躯干圆柱体模型、 腿部圆柱体模型、心脏圆柱体模型以及膀胱圆柱体模型。
可选的，任一所述圆柱体模型中微元的灰度包括：任一所述圆柱体模型在 PET/CT图像或PET图像上所对应的人体结构单位的平均灰度。
可选的，在构建所述周围辐射剂量率时空分布预测模型之前，还包括：
在不排尿状态下，根据第一计算公式计算所述灰度放射性比活度关系k；
所述第一计算公式为：
其中，
D0为 受试者体内的放射性核素的初始活度值，λ为放射性核素的自身放射性衰变系 数，t1为以向人体注射放射性元素时刻计时，拍摄PET/CT图像或PET图像的 时刻，k为放射性核素活度数值与图像灰度数值之间的比例系数，h1为受检者 头部圆柱体模型的高度，h2为受检者躯干圆柱体模型的高度，h3为受检者腿部 圆柱体模型的高度，h4为心脏圆柱体模型的高度，h5为膀胱圆柱体模型的高度，R1为受检者头部圆柱体模型的半径，R2为躯干圆柱体模型的等效半径，R3为 受检者腿部圆柱体模型的半径，R4为心脏圆柱体模型的半径，R5为膀胱圆柱体模型的半径，
表示PET/CT图像或PET图像上所述头部圆柱体模型中微 元的灰度，
表示PET/CT图像或PET图像上所述躯干圆柱体模型中微元的 灰度，
表示PET/CT图像或PET图像上所述心脏圆柱体模型中微元的灰度， 
表示PET/CT图像或PET图像上所述膀胱圆柱体模型中微元的灰度，
表 示PET/CT图像或PET图像上所述腿部圆柱体模型中微元的灰度。
可选的，在构建所述周围辐射剂量率时空分布预测模型之前，还包括：
在尿排空状态下，根据第二计算公式计算所述灰度放射性比活度关系k；
所述第二计算公式为：
其中，
D0为受试者体内的放射性核素的初始活度值，λ1为放射性核素的自身放射性衰变系数，λ2为体内 脏器内生物代谢的变化系数，t1为以向人体注射放射性元素时刻计时，拍摄 PET/CT图像或PET图像的时刻，k为放射性核素活度数值与图像灰度数值之 间的比例系数，h1为受检者头部圆柱体模型的高度，h2为受检者躯干圆柱体模 型的高度，h3为受检者腿部圆柱体模型的高度，h4为心脏圆柱体模型的高度， R1为受检者头部圆柱体模型的半径，R2为躯干圆柱体模型的等效半径，R3为 受检者腿部圆柱体模型的半径，R4为心脏圆柱体模型的半径，
表示PET/CT 图像或PET图像上所述头部圆柱体模型中微元的灰度，
表示PET/CT图像 或PET图像上所述躯干圆柱体模型中微元的灰度，
表示PET/CT图像或PET 图像上所述心脏圆柱体模型中微元的灰度，
表示PET/CT图像或PET图像 上所述腿部圆柱体模型中微元的灰度。
可选的，所述周围辐射剂量率时空分布预测模型包括剂量率修定因子，所 述剂量率修定因子由周围辐射剂量率时空分布的实际测量值确定。
可选的，所述躯干圆柱体模型的等效半径的确定方法包括：
根据
计算所述躯干圆柱体模型的等效半径R2，其 中，Mg为人体体重、H为人体身高、V为人体体积、h1为人体头部的高度、 h2为人体躯干的高度、h3为人体腿部的高度、R1为人体头部的半径、R3为人 体腿部的半径，ρ为人体平均密度。
本发明还提供了一种核医学受检者周围辐射剂量率确定系统，包括：
获取模块，用于获取受检者的人体模型参数以及目标图像的灰度值；所述 目标图像包括所述受检者的PET/CT图像或PET图像；
预测模块，用于使用周围辐射剂量率时空分布预测模型，根据所述受检者 的人体模型参数以及所述灰度值，确定所述受检者周围辐射剂量率的时空分布； 其中，所述周围辐射剂量率时空分布预测模型根据灰度放射性比活度关系以及 人体模型确定，所述灰度放射性比活度关系包括灰度与对应人体结构单位放射 性比活度之间的关系。
可选的，所述核医学受检者周围辐射剂量率确定系统，还包括：
人体模型构建模块，用于构建人体模型；其中，所述人体模型包括多个圆 柱体模型，任一所述圆柱体模型用于表示人体的一结构单位，所述人体模型参 数包括各所述圆柱体模型的尺寸。
可选的，所述核医学受检者周围辐射剂量率确定系统还包括：预测模型构 建模块，所述预测模型构建模块包括第一单元和第二单元；
所述第一单元用于根据放射性衰变与时间的关系、灰度放射性比活度关系 和任一所述圆柱体模型中微元的灰度，对任一所述圆柱体模型中微元对人体模 型外同一空间位置的辐射剂量率进行体积积分，得到任一所述圆柱体模型的周 围辐射剂量率时空分布；
所述第二单元用于将各所述圆柱体模型的周围辐射剂量率时空分布进行 对应叠加，得到所述周围辐射剂量率时空分布预测模型。
根据本发明提供的具体实施例，公开了以下技术效果：本发明实施例提供 的核医学受检者周围辐射剂量率确定方法及系统，根据PET/CT图像灰度值或 PET图像灰度值与对应人体结构单位放射性比活度之间的关系以及受检者的 人体模型，确定受检者的周围辐射剂量率时空分布预测模型，并以所获取的人 体模型参数及图像灰度值为输入数据，使用周围辐射剂量率时空分布预测模型， 实现了对受检者周围辐射剂量率的时空分布的确定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性 的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的核医学受检者周围辐射剂量率确定方法的流 程示意图；
图2a为本发明实施例中受检者人体几何参数图，图2b为本发明实施例中 受检者人体的“圆柱体叠加”物理模型的站立状态示意图；
图3为本发明实施例中坐标变换示意图；
图4为本发明实施例中“线源”EF上的“微元”MN示意图；
图5为本发明实施例中对薄平面ABCD进行面积分(以线段EF为微元) 的示意图，图5(a)为线微元图，图(b)为P点与平面ABCD的位置关系图， 图5(c)为图5(b)旋转图；
图6为本发明实施例中以薄面ABCD为“微元”进行圆柱体的体积分示意 图；
图7为本发明实施例中头部圆柱体模型积分原理示意图；
图8为本发明实施例中头部圆柱体模型在XOY平面的投影图；
图9a为本发明实施例中hp-h<0时夹角θ2的确定原理图，图9b为本发 明实施例中hp-h>0时夹角θ2的确定原理图；
图10为本发明实施例中头部圆柱体模型右半圆柱体的体积分原理图
图11为本发明实施例中头部圆柱体模型左半圆柱体的体积分原理图；
图12为本发明实施例中18F-FDG的全身动态图；
图13为本发明实施例中受检者PET/CT或PET图像灰度值与对应部位放 射性比活度示意图；
图14为本发明实施例提供的核医学受检者周围辐射剂量率确定系统的结 构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种核医学受检者周围辐射剂量率确定方法及核医 学受检者周围辐射剂量率确定系统(简称系统)。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和 具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
先介绍核医学受检者周围辐射剂量率确定方法及系统所基于的核心思想：
核医学受检者在注射放射性药物后，便成为一个放射源，在其周边形成一 个随时空动态变化的辐射场。从空间维度上讲，在该辐射场中，不同位置因与 放射源(核医学受检者)的距离不同辐射强度(辐射剂量率)不同；从时间维 度上讲，该辐射场中各位置的辐射强度随时间的推移而衰减。
为了确定受检者周围辐射剂量率的时空分布，可采用周围辐射剂量率时空 分布预测模型(简称预测模型)从时间与空间两个维度预测放射源(核医学受 检者)产生的辐射场中各位置处的辐射强度。
该周围辐射剂量率时空分布预测模型基于灰度放射性比活度关系(灰度与 对应人体结构单位放射性比活度之间的关系)以及人体模型建立。
在预测过程中，可将获取的受检者人体模型参数以及目标图像(受检者 PET/CT图像或PET图像)的灰度值输入周围辐射剂量率时空分布预测模型， 便可得到该受检者周围的辐射剂量率时空分布。
参见图1，基于上述核心思想，在正式预测时，由上述系统执行的核医学 受检者周围辐射剂量率确定方法包括以下步骤：
步骤101：获取受检者的人体模型参数以及目标图像的灰度值；
上述目标图像包括受检者的PET/CT图像或PET图像。
步骤102：使用周围辐射剂量率时空分布预测模型(简称预测模型)，根 据上述受检者的人体模型参数以及上述灰度值，确定上述受检者周围辐射剂量 率的时空分布；
具体的，可将在步骤101中获取到的受检者人体模型参数以及目标图像的 灰度值输入预测模型，可得到该受检者周围的辐射剂量率时空分布。
可见，在本发明实施例中，可根据PET/CT图像灰度值或PET图像灰度值 与对应人体结构单位放射性比活度之间的关系以及受检者的人体模型，确定受 检者的周围辐射剂量率时空分布预测模型，并以所获取的人体模型参数及图像 灰度值为输入数据，使用周围辐射剂量率时空分布预测模型对受检者周围辐射 剂量率的时空分布进行确定。
在本发明其他实施例中，在采用周围辐射剂量率时空分布预测模型对某一 具体的受检者进行周围辐射剂量率时空分布的预测前，还需要进行周围辐射剂 量率时空分布预测模型的构建工作，其构建过程，可以包括以下内容：
(1)构建人体模型
对人体的人体结构单位(即器官与部位等)进行等效，得到人体相应的等 效模型，即本文所述的人体模型。
示例性的，参见图2a，可将人体的人体结构单位均等效为圆柱体，这样， 整个人体可以等效为由多个圆柱体模型构成的人体模型。基于此，上文所述的 人体模型参数即包括构成该人体模型的各圆柱体模型的尺寸。
具体的，结构单位可包括人体器官(心脏、膀胱等)或部位(头部、躯干、 腿部等)。
参见图2b，上述的多个圆柱体模型则可相应包括：头部圆柱体模型、躯 干圆柱体模型、腿部圆柱体模型、心脏圆柱体模型以及膀胱圆柱体模型。当然， 在其他的实施例中，人体模型也可以包括表示其他不同人体部位或器官的圆柱 体模型。
在另一个示例中，可在同一坐标系下建立上述人体物理模型，也即令各圆 柱体模型处于同一坐标系下。
(2)构建周围辐射剂量率时空分布预测模型
在获得人体模型的基础上，根据任一圆柱体模型中微元的灰度、灰度放射 性比活度关系(前述已介绍)以及放射性衰变与时间的关系，对任一圆柱体模 型中微元对人体模型外同一空间位置(比如P点)的辐射剂量率进行体积积分， 得到了任一圆柱体模型对人体模型外P点的辐射剂量率的时间分布。
同理，对人体模型外的其他空间位置，也采用同样的方式进行体积积分， 得到圆柱体模型对其他空间位置的辐射剂量率的时间分布。某一圆柱体模型对 应的周围辐射剂量率的时空分布包括：该圆柱体模型对体外各空间位置的辐射 剂量率的时间分布。
之后，将各圆柱体模型对应的周围辐射剂量率时空分布进行对应叠加，便 得到了上述的周围辐射剂量率时空分布预测模型。
在一个示例中，放射性比活度k可以理解为放射性核素活度数值与图像灰 度数值之间的比例系数，具体的计算过程可如下所示：
(1)在不排尿状态下，可以根据第一计算公式计算k。
不排尿状态即为人体在注射放射性核素后，在进行PET/CT图像或PET 图像拍摄前，人体没有排尿。
第一计算公式为：
其中，
D0为 受试者体内的放射性核素的初始活度值，λ1为放射性核素的自身放射性衰变系 数，h1为受检者头部圆柱体模型的高度，h2为受检者躯干圆柱体模型的高度， h3为受检者腿部圆柱体模型的高度，h4为心脏圆柱体模型的高度，h5为膀胱圆 柱体模型的高度，R1为受检者头部圆柱体模型的半径，R2为躯干圆柱体模型 的等效半径，R3为受检者腿部圆柱体模型的半径，R4为心脏圆柱体模型的半 径，R5为膀胱圆柱体模型的半径。
(2)在尿排空状态下，根据第二计算公式计算k。
尿排空状态指：人体在注射放射性核素后，在进行PET/CT图像或PET 图像拍摄前，人体进行了排尿。
第二计算公式为：
其中，其中，
D0为受试者 体内的放射性核素的初始活度值，λ1为放射性核素的自身放射性衰变系数，λ2为体内脏器内生物代谢的变化系数，t1为以向人体注射放射性元素时刻计时， 拍摄PET/CT图像或PET图像的时刻，k为放射性核素活度数值与图像灰度数 值之间的比例系数，h1为受检者头部圆柱体模型的高度，h2为受检者躯干圆柱 体模型的高度，h3为受检者腿部圆柱体模型的高度，h4为心脏圆柱体模型的高 度，R1为受检者头部圆柱体模型的半径，R2为躯干圆柱体模型的等效半径， R3为受检者腿部圆柱体模型的半径，R4为心脏圆柱体模型的半径，
表示 PET/CT图像或PET图像上所述头部圆柱体模型中微元的灰度，
表示 PET/CT图像或PET图像上所述躯干圆柱体模型中微元的灰度，
表示 PET/CT图像或PET图像上所述心脏圆柱体模型中微元的灰度，
表示 PET/CT图像或PET图像上所述腿部圆柱体模型中微元的灰度。
上述第一计算公式和第二计算公式的原理介绍将在下文进行介绍。
在一个示例中，周围辐射剂量率时空分布预测模型的具体表达形式为：
公式中的相加，体现的是上述的“对应叠加”。其中，ω为修正因子，M表 示周围辐射剂量率时空分布预测模型。
上述模型中各圆柱体模型的对应的周围辐射剂量率时空分布求解模型具 体推导过程如下：
请参见图2和图3，可将不覆盖坐标系原点的圆柱体模型，移动到坐标系 原点，周围空间某一被辐射点P的坐标位置也要随同圆柱体模型的移动而移动。 请参见图3，经移动后，原辐射点P移动到P’点，其余圆柱体模型在原点时对 点P’的积分便相当于其在原来位置对点P的积分。
本发明实施例采用多步骤的“点微元”的线积分、“线微元”的面积分、“面 微元”的圆柱体积分形式。本发明实施例在方法上创新的显著特点就是通过数 学积分予以推导。在这里所采用积分方法就是直接积分形式，就是非离散化的 积分形式。其积分方式如下：
①首先给出线源上的“微元”示意图，如图4所示。在EF线段的线性源上取 “微元”MN，点状放射源在空间任一点(假定与其距离为r)处所产生的辐射剂 量率，可以公式(1)求出。
根据甘业福发表的《典型γ辐射剂量计算方法》(2017年21期的《科技创 新与应用》)，该文章给出了各向同性点源γ剂量率计算公式：
在上式中，A为某一点状源的活度，也即前述的时间变化模型，单位为Bq； 
为距离点状源R处的γ剂量率，单位为Gy/h；Г为源相应放射性核素的Г常数， 单位Gy.m2/(h.Bq)；R为距离点状源的距离，单位m。
对于Г常数的定义：放射性同位素的Г常数表示从1mCi点源释放出的未经 屏蔽的γ射线在距源1cm处所造成的剂量率(R/h)。Г常数分为微分Г常数和总Г 常数。对于某一给定放射性同位素的某一单能γ射线，计算所用的Г常数为微分 Г常数，以Гi表示；放射性同位素的总Г常数，简称Г常数，等于Гi之和。
上式可简化为:
②在完成上述线积分的基础上，对“线微元”EF实施薄平面ABCD上的面积 分计算。如图5所示。
在完成上述面积分的基础上，对“面微元”ABCD实施圆柱体的体积分计算。 如图6所示。
.
下面以头部圆柱体模型对应的周围辐射剂量率时空分布M头部的求解为 例，对圆柱体模型对点P的积分进行具体介绍。
参见图7，设EF到PH的距离为hF，即FH这段距离。
设EF与PF的夹角为θ1，FE的延长线与PE的夹角为θ2，设FN与NP的 夹角为θ。
(1)头部线积分：
(在Z轴上进行线积分，乘以dz)
其中D0、
Гδ、t、λ都是常数，Γδ表示微元δ相应放射性核素的Γ常数，t1表示以向人体注射放射性元素时刻计时，拍摄PET/CT图像或PET图像的时刻， t为以拍摄PET/CT图像或PET图像的时刻开始计的时间表示，λ表示放射性 元素的衰减系数，
表示PET/CT图像或PET图像上所述头部圆柱体模型中 微元的灰度，e-λt体现的是放射性衰变与时间的关系，r为“点微元”到体外空间 某一点P的距离。
“点微元”到P点的连线与Z轴平行线之间的夹角为θ，“点微元”所在的垂 直线与AD、BC分别相交于E、F两点，则
与
所成的夹角为θ2，
与
所成的夹角为θ1。
的高度为hP，
的长度为hF。
设
的高度为h，
参见图8，
m2＝x2+Hp 2 (5)
参见图9，
当hp-h＞0时，
当hp-h＜0时，
则
因此，
(2)头部的竖直薄平面面积分：
参见图7，
(3)头部体积分：
右半圆柱体的体积分：
参见图10，dx与圆点O的连线与Y轴形成夹角
∠COQ＝β，
l＝Rcosβ
因为x＞0，y＞0时，
则y＞0部分的右半圆柱体对P辐射剂量率的表达式，用G右表示：
参见图11，左半圆柱体的体积分：
当x＞0，y＜0时，
则左半圆柱体体积分为：
因此，圆柱体对P辐射剂量率的表达式，用G左表示：
至此，便完成了对头部圆柱体模型对应周围辐射剂量率时空分布计算，其 他圆柱体模型(心脏圆柱体模型、腿部左腿圆柱体模型、右腿圆柱体模型、膀 胱圆柱体模型以及躯干圆柱体模型)对应的周围辐射剂量率时空分布的计算原 理与头部圆柱体模型对应的周围辐射剂量率时空分布相同，无非就是圆柱体模 型参数(比如圆柱体模型的高度、半径)、物理参数(如灰度大小)以及积分 过程中与P点相关的夹角不同而已。
需要注意的是，由于心脏圆柱体模型、腿部左腿圆柱体模型和右腿圆柱体 模型的中心轴与Z坐标轴不重合，因此，需要对其进行移动，以使其中心轴与 Z坐标轴重合，具体移动方式可参见图3，即将关于中心轴不与Z坐标轴重合 的心脏圆柱体模型和腿部圆柱体模型移动到与Z坐标轴重合的位置，在移动过 程中，点P也随之移动到点P’，此时P’相当于P，之后再针对P’点采用与上述 头部圆柱体模型对应周围辐射剂量率时空分布的计算原理相同的方法计算心 脏圆柱体模型和腿部圆柱体模型对应的周围辐射剂量率时空分布，无非就是圆 柱体模型参数(比如圆柱体模型的高度、半径)、物理参数(如灰度值大小) 以及积分过程中与P点相关的夹角不同而已。
需要说明的是，在计算受检者周围辐射剂量率时，因为每个人生理代谢差 不多，因此，对于t1(在实际中可以将时间数值固定)时刻的检测，对于前5 人分别要做t1的PET或PET_CT图像之外，对于其后面的人员周围辐射剂量 率的求证，只要是t1固定，就不需要再检测做t1的PET或PET_CT图像，具 体的，可以将前5人t1的PET或PET_CT灰度求出后，计算出他们各自的k 数值，而在之后其他的应用中，将前5人的k数值求平均值，作为其他应用中的k就好，当然，对前面做t1时刻检测的人数越多，其平均求出的k数值对后 面检测分析的人员周围辐射剂量率求证的应用越精确。根据估算，先前对前5 人开展t1时刻的PET或PET_CT检测就可以了。对于第6之后的人员可以不 做t1的PET或PET_CT灰度检测。
在一个示例中，任一圆柱体模型中微元的灰度为PET/CT图像或PET图像 上该圆柱体模型所对应的人体结构单位的平均灰度。举例来讲，头部圆柱体中 微元的灰度，为PET/CT图像或PET图像上头部的平均灰度；躯干圆柱体模型 中微元的灰度，为PET/CT图像或PET图像上躯干的平均灰度；心脏圆柱体模 型中微元的灰度，为PET/CT图像或PET图像上心脏的平均灰度，以此类推， 不作赘述。
在一个示例中，在进行周围辐射剂量率时空分布预测模型建立过程中，还 需要对躯干圆柱体模型的等效半径进行求取。具体的求取方式可以如下：
根据
计算躯干圆柱体模型的等效半径R2，其中， Mg为人体的体重、H为人体的身高、V为人体的体积、h1为人体头部的高度、 h2为人体躯干的高度、h3为人体腿部的高度、R1为人体头部的半径、R3为人 体腿部的半径，ρ为人体平均密度。
对于上述公式中涉及到的人体的体积，可以通过人体完全进入水中所测定。
上述公式中除躯干圆柱体模型的等效半径外，其余参数均可通过实际的测 量得到。
上述公式是计算躯干圆柱体模型的等效半径的计算模板，在对具体的受检 者的周围辐射剂量率时空分布进行预测时，可将其他各参数的具体取值代入， 对受检者躯干圆柱体模型的等效半径进行现场求取。
在本发明其他实施例中，上述周围辐射剂量率时空分布预测模型还可包括 剂量率修定因子，剂量率修定因子用于修正时空分布预测模型。
假定以F(t,d)表示周围辐射剂量率时空分布预测模型，以ω表示剂量率修 定因子，则修正后的周围辐射剂量率时空分布预测模型为F'(t,d)＝F(t,d)+ω。
上述剂量率修定因子可由周围辐射剂量率时空分布的实际测量值确定，本 文后续将进行详细介绍。
下面将介绍周围辐射剂量率时空分布预测模型更为详细的构建方式，其可 包括如下阶段：
一、建立人体几何参数与圆柱体模型之间的对应关系。
人体各个部位和器官内的放射性活度可以视为具有均匀等值的特点，在一 个空间内对人体不同部位建立同一个坐标系，对同一圆柱体模型要在“点微元”、 “线微元”和“面微元”三个层面完成各自积分。因此，视为均匀的“圆柱体结构” 就成了人体各个部位和器官物理模型的雏形。
对于受检者来说，人体的几何参数，如人体身高、体重、头部尺寸、胸部 尺寸、双腿尺寸、大脑尺寸、心脏尺寸、膀胱尺寸、人体质量和体密度等，都 应在人体“圆柱体”模型中具有一一对应关系，且需要满足身高和体重均不变的 基本要求。因此，需要建立受检者的人体几何参数与圆柱体模型之间的契合关 系，进而建立两者都相吻合的物理模型。若两者不能吻合或差别较大，就难以 模拟现实中受检者人体及放射性核素在体内分布等问题。
建立人体几何参数与圆柱体模型之间的对应关系具体包括如下过程：
(1)圆柱体的叠加
可根据中国成年人人体尺寸(GB10000-88)中区分年龄、性别、站姿等 情况，将受检者的人体几何参数转变为人体“圆柱体叠加”的物理模型，并且受 检者与其人体“圆柱体叠加”模型之间应有的如下的对等关系，具体内容如下：
①身高不变；②体重不变；③头部和颈部的纵向高度不变；④躯干的纵向 高度不变；⑤腿部的高度不变；⑥头部在水平面上的平均直径不变；⑦躯干在 水平面上的平均直径不变；⑧两腿成为圆柱状且在不同高度上的圆柱直径相等； ⑨以人体站立姿势为标准，其头部、躯干(包括上肢)和两腿的密度视为一个 常数；⑩人体各个脏器在人体和物理模型中的位置参数几乎不变。受检者人体 几何参数及圆柱体模型(站立状态)示意图，如图2a所示。
躯干圆柱体模型的等效半径的确定方法可参见前述记载，在此不作赘述。
(2)在同一坐标系进行人体圆柱体的叠加。
后续在受检者周围辐射剂量率时空分布计算时，受检者体内任何一个部位 的计算，都需要在同一坐标系进行。因此，可在同一坐标系下对人体圆柱体模 型进行叠加。
在一个示例中，可建立膀胱的圆柱体下地面圆心为柱坐标的O点，以它 与人体头部圆柱体模型的下底面圆心O′连线为Z轴，在O O′的垂直水平面上 做出距离和角度的坐标线。如图2b所示。
二、建立“PET/CT或PET图像灰度值与对应部位放射性比活度”之间内在 关系。
在做PET/CT或PET检查时，核医学科工作人员要给受检者注射18F-FDG 药物。应注射的放射性活度值主要取决于受检者的体重等实际参数。
由图12可知，在放射性药物注射之初，18F-FDG主要分布在心脏和一条 大血管部位。随着时间的延长，大约在注射18F-FDG后的第30秒，18F-FDG 几乎扩散到人体各个部位。在注射该药物后的350秒左右，18F-FDG的分布主 要集中在大脑、心脏、肿瘤部位和膀胱这四个部位，可形成图13的A处的人 体PET图像。如果受检者体内无肿瘤，18F-FDG主要分布在大脑、心脏、膀胱 这三个部位，而人体内其他部位的18F-FDG可视为均匀分布，如图12中第360秒之后的图像。
放射性药物18F-FDG在受检者体内，既有放射性衰变，也存在生物代谢和 在脏器间的“再扩散分配”，即人体内的药物动力学问题。因此，拟建立18F-FDG 在体内初期的放射性总活度与扩散后各个部位中放射性比活度总和之间的内 在关系，必须对上述三种因素予以考虑，且对生物代谢和放射性衰变予以修正。 基于受检者体内各个部位的放射性比活度与那一时刻(或者近似那一时刻) PET/CT或PET图像中所对应部位的灰度值之间具有一一对应关系，就可建立 它们之间的等式或等比的数学表达式。这是解决该问题的基本思路与工作原理。
具体的，以图13所示人体PET图像为例，根据放射性药物分布的等效原 则(在成像瞬间可不考虑其放射性衰变的微小改变量)，B处图像可认为是A 处PET灰度图像相对应的放射性比活度示意图。同理，D处图像可认为是C 处PET灰度图像相对应的放射性比活度示意图；F处图像可认为是E处PET 灰度图像相对应的放射性比活度示意图。
根据图13可知，C、E两处的PET图像成像时间分别在放射性药物注射 后的1770sec-1800sec、3480sec-3600sec。
在这里要设定B、D、F处人体各个部位的放射性比活度数值。假定受检 者只做心肌情况的PET-CT/PET检测，而不存在图8中所显示的肿瘤处聚有放 射性药物的情况。在此前提下，以D、F处体内各个部位放射性比活度图示为 例，设定头部放射性比活度数值为a1，设定躯干放射性比活度数值为a2，设定 心脏放射性比活度数值为a3，设定膀胱放射性比活度数值为a4，设定双腿放射 性比活度数值为a5。
为建立“受检者PET/CT或PET图像灰度值与对应部位放射性比活度”之间 的内在关系，先设定注射到体内的18F-FDG初始活度值为D0Bq，设18F-FDG 自身放射性衰变系数为
，在体内某脏器内生物代谢的变化系数为
(膀胱除 外)。由于膀胱功能的特殊性，对于膀胱内18F-FDG，只考虑其物理性放射性 衰变，不再考虑18F-FDG在膀胱内的生物代谢问题。在这里，将心脏和膀胱也 进行“柱状”模型化，设定心脏“柱状”半径为R4、高度为h4；设定膀胱“柱状” 半径为R5、高度为h5。同时假定放射性核素活度数值与图像灰度数值之间的 比例系数为k。根据上述人体“柱状叠加”模型，建立受检者体内比活度变化的 物理模型与数学表达式，进而得到前述的时间变化模型。
在实际场景中，受检者可能处于不同的生理状态下，例如，尿排空的状态 (或称为排尿状态)、未排尿状态。
前述灰度放射性比活度关系k的第一计算公式和第二计算公式的原理如 下：
在患者不排尿的状态下，受检者体内比活度变化的物理模型与数学表达式 如下：
在患者排尿的状态下，受检者体内比活度变化的物理模型与数学表达式如 下：
上述公式中，除k参数外，其余均为已知参数。
通过上述(6)和(7)式，可推导得出第一计算公式以及第二计算公式：
其中，
对于上述公式中涉及到的心脏和膀胱的体积，可以根据以下方式获取：
一个人的心脏与本人的拳头大小相近，可以通过将自己的手深入盛有水的 烧杯中求出一个心脏的体积Vheart；通过个人常规的排尿量可以计算出膀胱的 体积VBladder。因此，可列出如下两等式：
三、修正人体模型的周围辐射剂量率时空分布。
前述提及了使用剂量率修定因子用于修正时空分布预测模型，剂量率修定 因子可由周围辐射剂量率时空分布的实际测量值确定。
具体的，以首都医科大学附属北京安贞医院或北京大学肿瘤医院的核医学 科为辐射剂量率实测场所，在他们候诊室或病房内，利用校正过的FH40G伽 马剂量率仪进行辐射剂量率的测定，将所测定的辐射剂量率结果与预测模型的 计算值相对比，进而对该预测模型中的“剂量率修定因子”ω进行修正。
基于上述技术，可以设计PET-CT或PET受检者周围辐射剂量率分布的软件 系统来实现上述确定方法。该软件系统拟在Windows操作系统下，采用C++语 言开发。
该软件系统主要涉及受检者活动空间快速构建(主要涉及候诊室、病房的 三维空间构建)、人体“圆柱体叠加”物理模型的交互式构建、基于圆柱体为核 心的三重计算(包括“点微元”、线微元”和“面微元”三个层面的积分计算)， 以及在同一坐标下多个圆柱体的三重体积分叠加计算等。此外，利用可视化技 术把计算结果转变成直观的二维和三维可视化结果，有效帮助工作人员分析与 掌握候诊室或病房内的辐射剂量率分布情况。
本发明实施例还提供了一种核医学受检者周围辐射剂量率确定系统，请参 见图14，该系统示例性的包括：
数据获取模块1401，用于获取受检者的人体模型参数以及目标图像的灰 度值；上述目标图像包括上述受检者的PET/CT图像或PET图像；
周围辐射时空分布确定模块1402，用于使用周围辐射剂量率时空分布预 测模型，根据上述受检者的人体模型参数以及上述灰度值，确定上述受检者周 围辐射剂量率的时空分布；其中，上述周围辐射剂量率时空分布预测模型根据 灰度放射性比活度关系以及人体模型确定，上述灰度放射性比活度关系包括灰 度与对应人体结构单位放射性比活度之间的关系。
在一个示例中，数据获取模块1401和周围辐射时空分布确定模块1402 的功能可由计算机软件形式实现，也即，计算机通过运行软件来至少实现获取 目标图像和受检者人体模型参数，以及，使用预测模型确定受检者周围的辐射 剂量率时空分布。
此外，数据获取模块1401和周围辐射时空分布确定模块1402也可以硬件 形式实现，例如，上述围辐射时空分布确定模块1402可为计算机设备的控制 器/处理器，而数据获取模块1401可为计算机设备的输入输出接口。
控制器/处理器可通过加载程序代码，通过输入输出接口获取上述目标图 像和受检者人体模型参数，并使用预测模型确定受检者周围的辐射剂量率时空 分布。
或者，数据获取模块1401可包括：输入输出接口、图像获取装置，以及 灰度值处理装置。
其中，输入输出接口用于接收输入的人体模型参数，灰度值处理装置用于 对图像获取装置获取的目标图像处理为灰度图，并得到灰度值。
进一步的，图像获取装置具体可为与PET/CT设备或PET设备相连接的数 据传输接口，可从PET/CT设备或PET设备处获取目标图像。
在本发明其他实施例中，上述所有实施例中的核医学受检者周围辐射剂量 率确定系统还可包括：预测模型构建模块和人体模型构建模块。
其中，预测模型构建模块，用于根据放射性衰变与时间的关系、灰度放射 性比活度关系和任一所述圆柱体模型中微元的灰度，对任一所述圆柱体模型中 微元对人体模型外同一空间位置的辐射剂量率进行体积积分，得到任一所述圆 柱体模型的周围辐射剂量率时空分布；将各所述圆柱体模型的周围辐射剂量率 时空分布进行对应叠加，得到所述周围辐射剂量率时空分布预测模型。
人体模型构建模块，用于构建人体模型；其中，所述人体模型包括多个圆 柱体模型，任一所述圆柱体模型用于表示人体的一结构单位，所述人体模型参 数包括各所述圆柱体模型的尺寸。
与数据获取模块1401和周围辐射时空分布确定模块1402相类似，预测模 型构建模块和人体模型构建模块的功能可由计算机软件形式实现，也可硬件形 式实现。
在以硬件形式实现时，例如，预测模型构建模块和人体模型构建模块可分 别为独立的计算机设备，也可为计算机设备中具有的预测模型构建、人体模型 构建的硬件器件，例如控制器/处理器。
预测模型、人体模型构建的具体方式请参见本文前述记载，在此不作赘述。
在本发明其他实施例中，上述所有实施例中的周围辐射剂量率时空分布预 测模型还可包括剂量率修定因子，上述剂量率修定因子由周围辐射剂量率时空 分布的实际测量值确定。可由预测模型构建模块使用剂量率修定因子对预测模 型进行修正，得到修正后的预测模型。
具体描述请参见本文前述记载，在此不作赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是 与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于 实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较 简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理及实施方式进行了阐述，以 上实施例的说明只是用于帮助理解本发明实施例的方法及其核心思想；同时， 对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应 用范围上均会有改变之处。综上上述，本说明书内容不应理解为对本发明实施 例的限制。
Claims (12)
1.一种核医学受检者周围辐射剂量率确定方法，其特征在于，包括：
获取受检者的人体模型参数以及目标图像的灰度值；所述目标图像包括所述受检者的PET/CT图像或PET图像；
使用周围辐射剂量率时空分布预测模型，根据所述受检者的人体模型参数以及所述灰度值，确定受检者周围辐射剂量率的时空分布；其中，所述周围辐射剂量率时空分布预测模型根据灰度放射性比活度关系以及人体模型确定，所述灰度放射性比活度关系包括灰度与对应人体结构单位放射性比活度之间的关系。
2.根据权利要求1所述的核医学受检者周围辐射剂量率确定方法，其特征在于，所述核医学受检者周围辐射剂量率确定方法，还包括：
构建人体模型；
其中，所述人体模型包括多个圆柱体模型，任一所述圆柱体模型用于表示人体的一结构单位，所述人体模型参数包括各所述圆柱体模型的尺寸。
3.根据权利要求2所述的核医学受检者周围辐射剂量率确定方法，其特征在于，所述周围辐射剂量率时空分布预测模型的构建过程包括：
根据放射性衰变与时间的关系、灰度放射性比活度关系和任一所述圆柱体模型中微元的灰度，对任一所述圆柱体模型中微元对人体模型外同一空间位置的辐射剂量率进行体积积分，得到任一所述圆柱体模型的周围辐射剂量率时空分布；
将各所述圆柱体模型的周围辐射剂量率时空分布进行对应叠加，得到所述周围辐射剂量率时空分布预测模型。
4.根据权利要求2所述的核医学受检者周围辐射剂量率确定方法，其特征在于，所述多个圆柱体模型包括：头部圆柱体模型、躯干圆柱体模型、腿部圆柱体模型、心脏圆柱体模型以及膀胱圆柱体模型。
5.根据权利要求3所述的核医学受检者周围辐射剂量率确定方法，其特征在于，任一所述圆柱体模型中微元的灰度包括：任一所述圆柱体模型在PET/CT图像或PET图像上所对应的人体结构单位的平均灰度。
6.根据权利要求3所述的核医学受检者周围辐射剂量率确定方法，其特征在于，在构建所述周围辐射剂量率时空分布预测模型之前，还包括：
在不排尿状态下，根据第一计算公式计算所述灰度放射性比活度关系k；
所述第一计算公式为：
其中，
D0为受试者体内的放射性核素的初始活度值，λ为放射性核素的自身放射性衰变系数，t1为以向人体注射放射性元素时刻计时，拍摄PET/CT图像或PET图像的时刻，k为放射性核素活度数值与图像灰度数值之间的比例系数，h1为受检者头部圆柱体模型的高度，h2为受检者躯干圆柱体模型的高度，h3为受检者腿部圆柱体模型的高度，h4为心脏圆柱体模型的高度，h5为膀胱圆柱体模型的高度，R1为受检者头部圆柱体模型的半径，R2为躯干圆柱体模型的等效半径，R3为受检者腿部圆柱体模型的半径，R4为心脏圆柱体模型的半径，R5为膀胱圆柱体模型的半径，
表示PET/CT图像或PET图像上所述头部圆柱体模型中微元的灰度，
表示PET/CT图像或PET图像上所述躯干圆柱体模型中微元的灰度，
表示PET/CT图像或PET图像上所述心脏圆柱体模型中微元的灰度，
表示PET/CT图像或PET图像上所述膀胱圆柱体模型中微元的灰度，
表示PET/CT图像或PET图像上所述腿部圆柱体模型中微元的灰度。
7.根据权利要求3所述的核医学受检者周围辐射剂量率确定方法，其特征在于，在构建所述周围辐射剂量率时空分布预测模型之前，还包括：
在尿排空状态下，根据第二计算公式计算所述灰度放射性比活度关系k；
所述第二计算公式为：
其中，
D0为受试者体内的放射性核素的初始活度值，λ1为放射性核素的自身放射性衰变系数，λ2为体内脏器内生物代谢的变化系数，t1为以向人体注射放射性元素时刻计时，拍摄PET/CT图像或PET图像的时刻，k为放射性核素活度数值与图像灰度数值之间的比例系数，h1为受检者头部圆柱体模型的高度，h2为受检者躯干圆柱体模型的高度，h3为受检者腿部圆柱体模型的高度，h4为心脏圆柱体模型的高度，R1为受检者头部圆柱体模型的半径，R2为躯干圆柱体模型的等效半径，R3为受检者腿部圆柱体模型的半径，R4为心脏圆柱体模型的半径，
表示PET/CT图像或PET图像上所述头部圆柱体模型中微元的灰度，
表示PET/CT图像或PET图像上所述躯干圆柱体模型中微元的灰度，
表示PET/CT图像或PET图像上所述心脏圆柱体模型中微元的灰度，
表示PET/CT图像或PET图像上所述腿部圆柱体模型中微元的灰度。
8.根据权利要求1-4任一项所述的核医学受检者周围辐射剂量率确定方法，其特征在于，所述周围辐射剂量率时空分布预测模型包括剂量率修定因子，所述剂量率修定因子由周围辐射剂量率时空分布的实际测量值确定。
9.根据权利要求6或7所述的核医学受检者周围辐射剂量率确定方法，其特征在于，所述躯干圆柱体模型的等效半径的确定方法包括：
根据
计算所述躯干圆柱体模型的等效半径R2，其中，Mg为人体体重、H为人体身高、V为人体体积、h1为人体头部的高度、h2为人体躯干的高度、h3为人体腿部的高度、R1为人体头部的半径、R3为人体腿部的半径，ρ为人体平均密度。
10.一种核医学受检者周围辐射剂量率确定系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取受检者的人体模型参数以及目标图像的灰度值；所述目标图像包括所述受检者的PET/CT图像或PET图像；
预测模块，用于使用周围辐射剂量率时空分布预测模型，根据所述受检者的人体模型参数以及所述灰度值，确定受检者周围辐射剂量率的时空分布；其中，所述周围辐射剂量率时空分布预测模型根据灰度放射性比活度关系以及人体模型确定，所述灰度放射性比活度关系包括灰度与对应人体结构单位放射性比活度之间的关系。
11.根据权利要求10所述的核医学受检者周围辐射剂量率确定系统，其特征在于，所述核医学受检者周围辐射剂量率确定系统，还包括：
人体模型构建模块，用于构建人体模型；其中，所述人体模型包括多个圆柱体模型，任一所述圆柱体模型用于表示人体的一结构单位，所述人体模型参数包括各所述圆柱体模型的尺寸。
12.根据权利要求11所述的核医学受检者周围辐射剂量率确定系统，其特征在于，所述核医学受检者周围辐射剂量率确定系统还包括：预测模型构建模块，所述预测模型构建模块包括第一单元和第二单元；
所述第一单元用于根据放射性衰变与时间的关系、灰度放射性比活度关系和任一所述圆柱体模型中微元的灰度，对任一所述圆柱体模型中微元对人体模型外同一空间位置的辐射剂量率进行体积积分，得到任一所述圆柱体模型的周围辐射剂量率时空分布；
所述第二单元用于将各所述圆柱体模型的周围辐射剂量率时空分布进行对应叠加，得到所述周围辐射剂量率时空分布预测模型。
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| CN202110644610.5A Pending CN113608252A (zh) | 2021-06-09 | 2021-06-09 | 一种核医学受检者周围辐射剂量率确定方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113608252A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114707416A (zh) * | 2022-04-18 | 2022-07-05 | 成都理工大学 | 一种人体内照射剂量检测方法、装置、系统及计算机设备 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130137975A1 (en) * | 2010-02-09 | 2013-05-30 | OSI Pharmaceuticals, LLC | Pet imaging |
| CN106999726A (zh) * | 2014-08-04 | 2017-08-01 | 斯特拉斯堡大学 | 用于估计辐射剂量危害性的空间分布的方法 |
| CN108463270A (zh) * | 2015-08-13 | 2018-08-28 | 西里斯医疗公司 | 结果驱动的辐射疗法处理计划 |
| CN110110456A (zh) * | 2019-05-13 | 2019-08-09 | 哈尔滨工程大学 | 一种核设施退役人体受照剂量评估方法 |
| CN111035403A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-21 | 上海联影医疗科技有限公司 | 一种扫描时机确定方法、装置、设备及存储介质 |
-
2021
- 2021-06-09 CN CN202110644610.5A patent/CN113608252A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20130137975A1 (en) * | 2010-02-09 | 2013-05-30 | OSI Pharmaceuticals, LLC | Pet imaging |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 沈青;纪灏;吴烨青;崔茜;李琳;陈飙;易艳玲;: "核医学诊断检查中患者周围密切接触者辐射安全性研究", 中国辐射卫生, vol. 26, no. 4, pages 464 - 468 * |
| 黄亚萍;: "某医院PET-CT中心电离辐射环境影响评价", 海峡科学, pages 58 - 59 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114707416A (zh) * | 2022-04-18 | 2022-07-05 | 成都理工大学 | 一种人体内照射剂量检测方法、装置、系统及计算机设备 |
| CN114707416B (zh) * | 2022-04-18 | 2023-04-07 | 成都理工大学 | 一种人体内照射剂量检测方法、装置、系统及计算机设备 |
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