[发明专利]正电子核素活度分布计算方法、系统、设备和存储介质

说明书

本发明涉及一种正电子核素活度分布计算方法、系统、设备和存储介质，包括：基于放射治疗计划确定初始粒子数，并计算得到任意时刻靶区内各种正电子核素总活度的三维分布矩阵；基于任意时刻靶区内各种正电子核素总活度的三维分布矩阵，计算得到系统采集扫描时间内正电子湮灭的位置分布；对得到的系统采集扫描时间内正电子湮灭次数的位置分布进行高斯平滑滤波，得到正电子核素射程和活度的预测分布图像。本发明通过建立基于卷积的数学模型，能够快速、完整描述碳离子、质子等粒子治疗过程中、结束后的正电子核素活度分布。本发明可以广泛应用于粒子治疗技术领域。

技术领域

本发明涉及一种粒子治疗中基于正电子发射计算机断层成像的监控和模拟计算领域，具体涉及一种粒子治疗中正电子核素活度分布计算方法、系统、设备和存储介质，属于粒子治疗技术领域。

背景技术

对于重离子和质子的粒子治疗，可采用在束PET(positron emissiontomography, PET)技术实现治疗过程中粒子沉积的剂量分布的在线影像监测，以评价治疗效果并对后续治疗计划进行改进。其原理是通过符合探测治疗产生的正电子湮灭产生的γ光子对，以重建出正电子的分布，其活度的大小影响探测的符合事件数量；其空间的分布则反映了入射束流的射程和剂量分布。但是实际入射束流的剂量分布与正电子核素活度有一定的差别。

如图1(a)和图1(b)所示，目前常用的正电子核素计算方法是基于蒙特卡洛模拟仿真¹²C或者质子轰击靶体，统计¹¹C、¹⁵O等正电子核素的空间分布。在求得第一个束流轰击结束的起始活度后，周期内的剩余时间则按照指数衰减。如此求得第一个周期内完全结束时(即第二个周期的束流即将到来时)正电子核素的活度，作为第二个周期所建立的微分方程的初始条件，即初值，再次建立微分方程，并再次求解微分方程，如此循环往复，不断迭代，最终求得束流轰击过程时的正电子核素活度。然而，该方法计算量过大，建模复杂，通常只描绘每个周期内的一个时间点的一个活度，不能够描述治疗时间和治疗结束后完整的时间分布。

目前，在碳离子治疗和质子等粒子治疗过程中对于正电子核素的已有相关算法所需的计算资源较多，需要庞大的集群计算才能应用于临床计算；其计算时间较长，动辄需要几天以上的计算时间，现有算法和模型的计算成本大和计算时间长限制了应用便捷性。因此，其不足主要表现为：

1、难以建立数学模型：微分方程和衰减方程的结果互相影响，建立的数学模型比较复杂；

2、计算量庞大：由于需要不断往复地求解微分方程，在多个束流周期的条件下计算量十分大；

3、对活度的描述有限：只能描述离散时间点的活度大小；由于计算量较大，通常只能够求解第一个微分方程，后续的正电子核素活度通过累加求和得到部分时间点的活度大小；

4、应用范围窄：只能够在周期性的束流条件下求解；应对实际治疗过程的点扫描，其微分方程将不再是一阶线性微分方程，求解难度加大，计算量更大，并且无法给出数学表达式；

5、维度单一：描述三维空间分布的变化较为困难。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种粒子治疗中正电子核素活度分布计算方法、系统、设备和存储介质，能够快速定量计算正电子核素活度的空间分布和大小变化情况。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一个方面，是提供一种正电子核素活度分布计算方法，其包括以下步骤：

基于放射治疗计划确定初始粒子数和束流打靶设定参数，并计算得到任意时刻靶区内各种正电子核素总活度的三维分布矩阵；

基于任意时刻靶区内各种正电子核素总活度的三维分布矩阵，计算得到系统采集扫描时间内正电子湮灭的位置分布；