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CN118098503A - 蒙特卡罗计算的优化方法及中子捕获治疗系统 - Google Patents

蒙特卡罗计算的优化方法及中子捕获治疗系统 Download PDF

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CN118098503A
CN118098503A CN202311580219.9A CN202311580219A CN118098503A CN 118098503 A CN118098503 A CN 118098503A CN 202311580219 A CN202311580219 A CN 202311580219A CN 118098503 A CN118098503 A CN 118098503A
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Abstract

一种的蒙特卡罗计算的优化方法及中子捕获治系统，至少包括：用输运计算方法模拟粒子输运过程；用剂量计数方法统计粒子的剂量期望值；基于每个粒子的剂量期望值计算体素网格的平均剂量期望值。通过优化模拟粒子输运过程或者剂量计数方法，从而优化蒙特卡罗计算，缩短治疗计划制定时间。

Description

蒙特卡罗计算的优化方法及中子捕获治疗系统
技术领域
本发明涉及一种放射治疗系统及方法，尤其涉及一种蒙特卡罗计算的优化方法及中子捕获治疗系统。
背景技术
随着原子科学的发展，例如钴六十、直线加速器、电子射束等放射线治疗已成为癌症治疗的主要手段之一。然而传统光子或电子治疗受到放射线本身物理条件的限制，在杀死肿瘤细胞的同时，也会对射束途径上大量的正常组织造成伤害；另外由于肿瘤细胞对放射线敏感程度的不同，传统放射治疗对于较具抗辐射性的恶性肿瘤(如：多行性胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme)、黑色素细胞瘤(melanoma))的治疗成效往往不佳。
为了减少肿瘤周边正常组织的辐射伤害，化学治疗(chemotherapy)中的标靶治疗概念便被应用于放射线治疗中；而针对高抗辐射性的肿瘤细胞，目前也积极发展具有高相对生物效应(relative biological effectiveness,RBE)的辐射源，如质子治疗、重粒子治疗、中子捕获治疗等。其中，中子捕获治疗便是结合上述两种概念，如硼中子捕获治疗(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)，借由含硼药物在肿瘤细胞的特异性集聚，配合精准的射束调控，提供比传统放射线更好的癌症治疗选择。
硼中子捕获治疗是利用含硼(10B)药物对热中子具有高捕获截面的特性，借由10B(n,α)7Li中子捕获及核分裂反应产生4He和7Li两个重荷电粒子，两粒子的总射程约相当于一个细胞大小，因此对于生物体造成的辐射伤害能局限在细胞层级，当含硼药物选择性地聚集在肿瘤细胞中，搭配适当的中子射源，便能在不对正常组织造成太大伤害的前提下，达到局部杀死肿瘤细胞的目的。
为使辐射粒子尽可能多地杀死癌细胞的同时减少对正常细胞的损伤，通常在对病人治疗之前进行CT或者PET的影像扫描，根据扫描结果得到人体的组织材料信息，根据材料信息和辐射源建立计算模型，模拟出辐射粒子在人体中的输运过程，最终得到辐射粒子在人体中的剂量分布，然后选择对病人剂量分布最优的方案作为病人治疗的方案。
目前治疗计划系统中的剂量计算模块主要是采用蒙特卡洛方法对辐射粒子进行模拟得到。对于传统放疗需要模拟光子、电子的运动过程，对于BNCT治疗则需要模拟中子、光子的运动过程。蒙特卡罗法能够准确建模并真实模拟辐射粒子在人体中的随机游走，因而具有很高的准确度。然而蒙特卡罗法收敛速度慢，计算时间长，限制了其使用。因此需要针对蒙特卡罗法剂量计算这一过程进行优化加速，使得物理师能更快地得到剂量分布结果。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明第一方面提供一种蒙特卡罗计算的优化方法，至少包括：用输运计算方法模拟粒子输运过程；用剂量计数方法统计粒子的剂量期望值；基于每个粒子的剂量期望值计算体素网格的平均剂量期望值。通过优化模拟粒子输运过程或者剂量计数方法，从而优化蒙特卡罗计算，缩短治疗计划制定时间。
其中，输运计算方法至少包括：获取粒子信息；根据粒子信息计算宏观截面值；基于宏观截面值获取粒子下一个输运点或者碰撞点；判断粒子存活状态。进一步地，基于宏观截面值获取粒子下一个输运点或者碰撞点包括：抽样粒子的下一个输运点或者碰撞点，更新粒子信息。
进一步地，判断粒子存活状态至少包括：若粒子为存活状态，则判断是否重新计算宏观截面值；若粒子为非存活状态，则停止模拟粒子输运。
其中，粒子信息至少包括：所述粒子的位置信息、方向信息和能量信息。
进一步地，基于所述粒子的位置信息和方向信息确定所述粒子所处体素网格的材料，基于所述粒子的能量信息和所述粒子所处体素网格的材料计算宏观截面值。
进一步地，判断是否重新计算宏观截面值至少包括：判断粒子能量是否变化；判断粒子所处体素网格材料是否变化；若粒子能量或者所处体素网格的材料变化，则根据粒子的能量和所处体素网格的材料重新计算宏观截面值；若粒子能量和体素网格的材料未变化，则基于宏观截面值获取粒子的下一个输运点或者碰撞点。当粒子所处的体素网格材料未变化，能量也没有变化，则可以沿用上一步的宏观界面计算结果，直接基于宏观截面值获取粒子的下一输运点或者碰撞点，减少宏观截面值的计算次数，从而降低运算时间。
其中，剂量计数方法至少包括：统计每个粒子在各个体素网格内的径迹长度；基于每个粒子的径迹长度和对应宏观截面值计算粒子在每个体素网格中的剂量期望值；计算体素网格的平均剂量期望值。
进一步地，所述计算体素网格的平均剂量期望值包括：采用公式(1)进行计算：
其中，i为粒子编号，ti为体素网格中粒子i的剂量期望值，N为总粒子数。
进一步地，一个粒子两次穿过所述体素网格，所述粒子的剂量期望值统计为两次，且所述总粒子数N不变。通过省去合并同一个粒子两次穿越相同体素网格的剂量期望值，直接当做独立的两个粒子计算，总粒子数N不变，保证剂量计算结果准确度的同事，减少剂量计算时间，从而降低运算时间。进一步地，剂量计数方法至少还包括，计算体素网格的剂量误差。
进一步地，所述计算体素网格的剂量误差包括：采用公式(2)进行计算：
其中，i为粒子编号，ti为体素网格中粒子i的剂量期望值，N为总粒子数。
进一步地，一个粒子两次穿过所述体素网格，所述粒子的剂量期望值统计为两次，且所述总粒子数N不变。
进一步地，所述粒子包括中子和光子。
本发明另一方面提供一种中子捕获治疗系统，包括：影像获取模块，用于获取被照射体的医学影像；治疗计划模块，用于基于医学影像建立三维体素模型并制定治疗计划；其中，所述治疗计划模块至少包括输运计算单元和剂量计数单元，所述输运计算单元用于模拟粒子输运过程，所述剂量计数单元用于统计所述粒子的剂量期望值，并基于每个所述粒子的剂量期望值计算体素网格的平均剂量期望值。
进一步地，中子捕获治疗系统还包括剂量计算单元，所述剂量计算单元用于基于体素网格的平均剂量期望值计算组织剂量值，所述治疗计划模块还用于基于所述组织剂量值制定治疗计划。
本发明提供的中子捕获治疗系统，通过优化模拟粒子输运过程或者剂量计数方法，从而优化蒙特卡罗计算，缩短治疗计划制定时间。
附图说明
图1是本发明蒙特卡罗计算的流程图。
图2是本发明模拟粒子输运过程的流程图。
图3是本发明统计粒子的剂量期望值的流程图。
图4是本发明了具体地统计粒子的剂量期望值的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
放射性治疗时目前癌症治疗的常见手段，而目前中子捕获治疗作为一种有效的治疗癌症的手段近年来的应用逐渐增加，其中以硼中子捕获治疗最为常见，供应硼中子捕获治疗的中子可以由核反应堆或加速器供应。硼中子捕获治疗(Boron Neutron CaptureTherapy,BNCT)是利用含硼(10B)药物对热中子具有高捕获截面的特性，借由10B(n,α)7Li中子捕获及核分裂反应产生4He和7Li两种重荷电粒子。参照图1和图2，其分别示出了硼中子捕获反应的示意图和10B(n,α)7Li中子捕获核反应方程式，两种重荷电粒子的平均能量约为2.33MeV，具有高线性转移(Linear Energy Transfer,LET)和短射程的特征，α粒子的线性能量与射程分别为150keV/μm、8μm，而7Li重荷粒子则为175keV/μm、5μm，两种粒子的总射程约相当于一个细胞大小，因此对于生物体造成的辐射伤害能局限在细胞层级。当含硼药物选择性地聚集在肿瘤细胞中时，搭配适当的中子射源，便能在不对正常组织造成太大伤害的前提下，达到精准杀死肿瘤细胞的目的。
无论硼中子捕获治疗的中子源来自核反应堆或带电粒子与靶材的核反应，产生的皆为混合辐射场，即射束包含了低能至高能的中子、光子；对于深部肿瘤的硼中子捕获治疗，除了超热中子外，其余的辐射线含量越多，造成正常组织非选择性剂量沉积的比例越大，因此这些会造成不必要剂量沉积的辐射应尽量降低。为更了解中子在人体中的剂量分布，除了空气射束品质因素之外，本发明的实施例中使用人体头部组织假体进行剂量分布计算，并以假体射束品质因素来作为中子射束的设计参考。
国际原子能机构(IAEA)针对临床硼中子捕获治疗用的中子源，给定了五项空气射束品质因素建议，此五项建议可用于比较不同中子源的优劣，并供以作为挑选中子产生途径、设计射束整形体时的参考依据。这五项建议分别如下：
超热中子射束通量Epithermal neutron flux>1x 109n/cm2s
快中子污染Fast neutron contamination<2x 10-13Gy-cm2/n
光子污染Photon contamination<2x 10-13Gy-cm2/n
热中子与超热中子通量比值thermal to epithermal neutron flux ratio<0.05
中子电流与通量比值epithermal neutron current to flux ratio>0.7
注：超热中子能区在0.5eV到40keV之间，热中子能区小于0.5eV，快中子能区大于40keV。
为了能够最大限度的杀死癌细胞、同时减少辐射线对正常组织的伤害，中子捕获治疗中治疗计划制定时非常关键的，而目前用于制定治疗计划的蒙特卡罗法收敛速度慢，计算时间长，限制了其使用。因此本发明提出了能够提高计算速度的蒙特卡罗计算的优化方法。下面将结合具体实施例说明：
如图1所示，本发明第一方面提供一种能够提高计算速度的蒙特卡罗计算的优化方法，至少包括用输运计算方法模拟粒子输运过程；用剂量计数方法统计粒子的剂量期望值；基于每个粒子的剂量期望值计算体素网格的平均剂量期望值。通过优化模拟粒子输运过程或者剂量计数方法，从而优化剂量计算方法，实现降低治疗计划制定时间。蒙特卡罗法计算剂量的原理就是模拟每一个辐射粒子在人体或介质中的随机运动，在运动过程中统计粒子的剂量贡献。传统蒙特卡罗算法模拟一个粒子运动的过程中，首先对源粒子的初始属性进行随机抽样，计算粒子在介质中的宏观截面值，用于计算碰撞概率，基于宏观截面值计算下一个输运点或者碰撞点。如果碰撞后粒子死亡(如被吸收或者被截断)，则停止计算，也就是停止模拟粒子运动。如果粒子仍然存活，则重复上述步骤。为了保证剂量计算的准确度，剂量计算采用的体素模型特点是网格数量很大(如百万量级)，尺寸小(如1mm)。因此相同网格有较大概率填充的是相同的材料。当粒子能量不变时，运动到相邻的材料相同的网格时，计算的宏观截面值是不会发生改变的。
如图2所示，本发明提供的蒙特卡罗计算的优化方法中，输运计算方法至少包括：获取粒子信息；
根据粒子信息计算宏观截面值；
基于宏观截面值获取粒子下一个输运点或者碰撞点；
判断粒子存活状态。获取粒子信息的步骤：
每一个辐射粒子在人体或介质中的随机运动，模拟粒子的输运过程就需要获取粒子信息，其中，粒子的信息至少包括位置、方向和能量。在可选的实施方式中，由于治疗过程中中子和光子都会对人体造成辐射，所以治疗计划制定时，模拟输运过程的粒子包括中子和光子。
根据粒子信息计算宏观截面值的步骤：
粒子的宏观界面值与粒子的能量和所处的体素网格的组织材料相关，获取粒子信息之后，基于所述粒子的位置信息和方向信息确定所述粒子所处体素网格的材料，基于所述粒子的能量信息和所述粒子所处体素网格的材料计算宏观截面值。
基于宏观截面值获取粒子下一个输运点或者碰撞点的步骤：
基于宏观截面值计算碰撞概率，抽样粒子的下一个输运点或者碰撞点，由于抽样出粒子的下一个输运点或者碰撞点，粒子的位置或者方向或者能量会发生改变，需要更新粒子信息。
判断粒子存活状态的步骤：
粒子在输运过程中，可能会发生碰撞死亡，也有可能会运动出我们的模拟空间范围内，比如在三维体素模型之外，这种情况我们就不需要对粒子继续模拟，我们只对三维体术模型内存活的粒子进行输运模拟。
基于宏观截面值抽样粒子的下一个碰撞点或者输运点后，需要判断粒子的存活状态。
如图3所示，在一个可选的实施方式中，若粒子为存活状态，则判断是否重新计算宏观截面值；若粒子为非存活状态，则停止模拟粒子输运。
更具体地，判断是否重新计算宏观截面值至少包括：判断粒子能量是否变化；判断粒子所处体素网格材料是否变化；若粒子能量或者所处体素网格的材料变化，则根据粒子的能量和所处体素网格的材料重新计算宏观截面值；若粒子能量和体素网格的材料未变化，则基于宏观截面值获取粒子的下一个输运点或者碰撞点。当粒子所处的体素网格材料未变化，能量也没有变化，则可以沿用上一步的宏观界面计算结果，直接基于宏观截面值获取粒子的下一输运点或者碰撞点，减少宏观截面值的计算次数，从而降低运算时间。
如图4所示，本发明提供的蒙特卡罗计算的优化方法中，剂量计数方法至少包括：
统计每个粒子在各个体素网格内的径迹长度；基于每个粒子的径迹长度和对应宏观截面值计算粒子在每个体素网格中的剂量期望值；计算体素网格的平均剂量期望值。
蒙特卡罗法统计剂量往往采用径迹长度估计的方式统计剂量。粒子在网格中的每一次运动，都会留下径迹，根据径迹长度以及宏观截面值，可以计算出粒子在网格中的碰撞概率，再乘以粒子每次碰撞的平均能量沉积，即可得到该段径迹的能量沉积。将所有粒子在某个网格的能量沉积累加起来，归一化后即可得到该网格的剂量期望值。传统的剂量计数方法，先模拟每个粒子的径迹，用两个数组记录下径迹长度和所穿过网格的编号，根据径迹长度以及宏观截面计算出每个网格的剂量期望值。如果粒子有重复穿过某个网格，即网格编号数组中存在相同的编号，则将相同编号的剂量期望值合并，最后再将这个粒子的剂量期望值累加至总剂量中。由于粒子穿过的网格数目巨大，合并相同网格的剂量期望值这一步耗时较大。本发明提出的剂量技数方法省掉了合并同一个粒子两次穿过同一个体素网格的剂量的过程，从而大大节省了剂量计算的时间。计算体素网格的平均剂量期望值的步骤:
采用公式(1)进行计算：
其中，i为粒子编号，ti为体素网格中粒子i的剂量期望值，N为总粒子数。
其中，一个粒子两次穿过体素网格，粒子的剂量期望值统计为两次，且总粒子数N不变。通过省去合并同一个粒子两次穿越相同体素网格的剂量期望值，直接当做独立的两个粒子计算，总粒子数N不变，保证剂量计算结果准确度的同事，减少剂量计算时间，从而降低运算时间。假设第i个粒子在该网格穿过两次，留下的剂量期望值是t1和t2，则ti＝t1+t2。如果不去合并相同粒子的剂量，而是当做独立的两个粒子计算，ti的结果仍然是不变的。也就是并不影响剂量计算的精确度，但是有效的节省了剂量计算的时间。
在其他可选的实施方式中，剂量计算方法至少还包括，计算体素网格的剂量误差。
计算体素网格的剂量误差包括：采用公式(2)进行计算：
其中，i为粒子编号，ti为体素网格中粒子i的剂量期望值，N为总粒子数。
其中，一个粒子两次穿过体素网格，粒子的剂量期望值统计为两次，且所述总粒子数N不变。
本发明另一方面提供一种中子捕获治疗系统，包括：影像获取模块，用于获取被照射体的医学影像；治疗计划模块，用于基于医学影像建立三维体素模型并制定治疗计划；其中，治疗计划模块至少包括输运计算单元和剂量计数单元，输运计算单元用于模拟粒子输运过程，剂量计数单元用于统计粒子的剂量期望值，并基于每个粒子的剂量期望值计算体素网格的平均剂量期望值。
在其他可选的实施方式中，中子捕获治疗系统还包括剂量计算单元，所述剂量计算单元用于基于体素网格的平均剂量期望值计算组织剂量值，治疗计划模块还用于基于组织剂量值制定治疗计划。
本发明提供的中子捕获治疗系统，通过优化模拟粒子输运过程或者剂量计数方法，从而优化蒙特卡罗计算，缩短治疗计划制定时间。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，都在本发明要求保护的范围之内。

Claims (12)

1.一种蒙特卡罗计算的优化方法，其特征在于，至少包括：
用输运计算方法模拟粒子输运过程；
用剂量计数方法统计粒子的剂量期望值；
基于每个粒子的剂量期望值计算体素网格的平均剂量期望值。
2.根据权利要求1所述的蒙特卡罗计算的优化方法，其特征在于，所述输运计算方法至少包括：
获取粒子信息；
根据粒子信息计算宏观截面值；
基于宏观截面值获取粒子下一个输运点或者碰撞点；
判断粒子存活状态。
3.根据权利要求2所述的蒙特卡罗计算的优化方法，其特征在于，所述基于宏观截面值获取粒子下一个输运点或者碰撞点包括：
抽样粒子的下一个输运点或者碰撞点，更新粒子信息。
4.根据权利要求2所述的蒙特卡罗计算的优化方法，其特征在于，所述判断粒子存活状态至少包括：
若粒子为存活状态，则判断是否重新计算宏观截面值；
若粒子为非存活状态，则停止模拟粒子输运。
5.根据权利要求4所述的蒙特卡罗计算的优化方法，其特征在于，所述粒子信息至少包括：所述粒子的位置信息、方向信息和能量信息。
6.根据权利要求5所述的蒙特卡罗计算的优化方法，其特征在于，基于所述粒子的位置信息和方向信息确定所述粒子所处体素网格的材料，基于所述粒子的能量信息和所述粒子所处体素网格的材料计算宏观截面值。
7.根据权利要求6所述的蒙特卡罗计算的优化方法，其特征在于，所述判断是否重新计算宏观截面值至少包括：
判断粒子能量是否变化；
判断粒子所处体素网格材料是否变化；
若粒子能量或者所处体素网格的材料变化，则根据粒子的能量和所处体素网格的材料重新计算宏观截面值；
若粒子能量和体素网格的材料未变化，则基于宏观截面值获取粒子的下一个输运点或者碰撞点。
8.根据权利要求1所述的蒙特卡罗计算的优化方法，其特征在于，所述剂量计数方法至少包括：
统计每个粒子在各个体素网格内的径迹长度；
基于每个粒子的径迹长度和对应宏观截面值计算粒子在每个体素网格中的剂量期望值；
计算体素网格的平均剂量期望值。
9.根据权利要求8所述的蒙特卡罗计算的优化方法，其特征在于，所述计算体素网格的平均剂量期望值包括：
采用公式(1)进行计算：
其中，i为粒子编号，ti为体素网格中粒子i的剂量期望值，N为总粒子数。
10.根据权利要求1所述的蒙特卡罗计算的优化方法，其特征在于，所述粒子包括中子和光子。
11.一种中子捕获治疗系统，其特征在于，包括：
影像获取模块，用于获取被照射体的医学影像；
治疗计划模块，用于基于医学影像建立三维体素模型并制定治疗计划；
其中，所述治疗计划模块至少包括输运计算单元和剂量计数单元，所述输运计算单元用于模拟粒子输运过程，所述剂量计数单元用于统计所述粒子的剂量期望值，并基于每个所述粒子的剂量期望值计算体素网格的平均剂量期望值。
12.根据权利要求11所述的中子捕获治疗系统，其特征在于，还包括剂量计算单元，所述剂量计算单元用于基于体素网格的平均剂量期望值计算组织剂量值，所述治疗计划模块还用于基于所述组织剂量值制定治疗计划。
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