肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模及其建立和应用的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】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】
[0001] 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】
[0002] 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：
[0003] 1.程式化数学模型（tylized mathematical model)
[0004] 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 dose committee,MIRD) 〇 这个 MIRD 模型是基于（international commission on radiologieal protection) 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 2.层析模型（Tomographie model)
[0009] 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。
[0010] 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K0RMAN。 toon] 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，分辨率为〇. 33mmX0. 33mmX 1mm，并用于多粒子外源、内源放射计量模拟。
[0012] 3. Monte Carlo 计算方法
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] Monte Carlo N · Particle (MCNP)是由美国阿拉莫斯国家实验室（10s alamos national 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。
[0016] Electron Gamma Shower Version (EGS)是 1985 年由斯坦福线型加速器中心（the Stanford 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。
[0017] 可视化中国人与高分辨人体结构数据集
[0018] 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。
[0019] 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福照仿真人体模型（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。
[0020] 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. lmm、0. lmm、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。
[0021] 表1各国数字人体数据集比较
[0022]
【权利要求】
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。
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. 5cmX 2. 5cmX0. 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，其特征在于,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。
5. 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。
6. 根据权利要求5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1，将患者肿瘤定位CT影像导入Mat lab软件； 步骤2,利用Matlab软件将患者肿瘤定位CT影像资料按照2. 5cmX2. 5cmX0. 8cm的尺 寸大小分割； 步骤3,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4,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。
7. 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应用，其特征在于， 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。
8.根据权利要求7所述肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模的应用，其特征在于， 所述步骤1中，扫描参数为：头颈部，1201^，30011^8/51。6;胸腹部，1201^，40011^8/51。6。
【文档编号】A61N5/00GK104258505SQ201410482624
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】高莹, 李毅, 马瑾璐 申请人:西安交通大学医学院第一附属医院