一种磁场中质子放射剂量的计算方法

本发明涉及核医学影像，特别涉及磁场中质子放射剂量的计算方法。

背景技术：

1、质子治疗是一种使用高能质子束进行癌症治疗的新型放射治疗方法。它具有相对较低的入射剂量和锐利的剂量衰减等优势，能够准确地将剂量传递至靶区并减少对周围正常组织的损伤。然而，由于质子射程的不确定性、定位误差和组织运动等因素，物理师需要在放疗计划靶区周围增加边界，这限制了质子治疗的高剂量梯度优势。

2、磁共振成像(mri)具有实时成像和高软组织对比度等优势，而且无电离辐射，特别适用于运动软组织肿瘤的放疗引导。通过实时mri引导，质子治疗的靶向精度，特别是对于运动的软组织肿瘤，可以得到改善。然而，到目前为止，临床上尚未实现mri引导的质子治疗(mrgpt)。在剂量计算、优化和传递过程中，磁场效应(即洛伦兹力)对质子束的剂量畸变是实现mrgpt的许多障碍之一。

3、wolf和bortfeld首次推导了在横向均匀磁场中质子束偏转轨迹的解析解。他们的方法基于小角度近似，因此当质子偏转角度较大时，误差会增大；此外，在相对论情况下，他们的方法没有闭式解。schellhammer和hoffmann引入了一种解析迭代方法，该方法在60至250mev能量范围内的轨迹计算结果与蒙特卡洛模拟结果非常吻合。然而，该方法的适用性仅限于磁场垂直于质子束的情况，且不适用于体素化体模。padilla-cabal提出的数值迭代方法将质子束在水中的能量沉积值沿轨迹存储到查找表中。对于非水材料，该方法通过查找表确定水等效深度，并使用特定材料的校正因子进行缩放。然而，校正因子不能准确描述高密度材料(如骨骼)的性质，导致在这些材料中的剂量分布出现偏差。蒙特卡洛模拟提供了高精度的模拟，但计算速度较慢，限制了其在实时mrgpt中的应用。因此，需要一种高效且相对准确的剂量计算算法，来更好实现mrgpt中的放射剂量计算。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种磁场中质子放射剂量的计算方法，以实现高效且相对准确的质子放射剂量的确定。

2、作为本发明的第一方面，提供了一种磁场中质子放射剂量的计算方法，其中，质子束自出射源出射并进入磁场中，所述质子束在所述磁场中运动，并进入位于所述磁场的体模中，以向所述体模放射质子，所述质子束包括多个笔形束，所述方法包括：

3、确定所述出射源的位置以及所述出射源处所述笔形束的速度和能量；

4、在所述质子束自所述出射源出射后，根据所述出射源的位置、所述出射源处所述笔形束的速度和能量、以及所述磁场的信息按时序确定多个候选盒，并依次计算所述笔形束与每个候选盒表面的交点的位置和所述笔形束在每个所述交点处的速度和能量，将所述交点的位置位于所述体模外或者所述交点处的能量等于零时对应的候选盒最为最后一个候选盒，其中，在相邻的两个候选盒中，后设置的候选盒根据所述笔形束与先设置的候选盒的交点的位置和所述笔形束在所述交点处的速度确定；

5、在所述体模内部的候选盒中，选择多个交点作为采样点，将所有采样点进行连线，得到所述笔形束在所述体模中的实际运动轨迹；

6、根据所述实际运动轨迹和笔形束算法得到所述笔形束传递至所述体模中的任意体素中的质子剂量，进而得到所述质子束放射至所述体模中的任意体素中的质子剂量。

7、根据本发明的实施例，在所述质子束自所述出射源出射后，根据所述出射源的位置、所述出射源处所述笔形束的速度和能量，以及所述磁场的信息按时序确定多个候选盒，并依次计算所述笔形束与每个候选盒表面的交点的位置和所述笔形束在每个所述交点处的速度和能量，包括：

8、使用{i|0≤i≤h}对按时序确定的多个候选盒和多个交点进行编号；以所述体模作为第0候选盒，所述出射源位置作为第0交点；

9、根据所述体模的ct图像数据、所述第i交点的位置所述笔形束在所述第i交点的速度和能量，以及所述磁场的信息确定第i候选盒，并计算所述笔形束与第i候选盒的第i+1交点的位置和所述笔形束在第i+1交点的能量和速度，其中，当i＝h时，所述第h交点位于所述体模外，或者所述笔形束在所述第h交点的速度为零，不再计算i+1交点。

10、根据本发明的实施例，所述笔形束速度方向与所述磁场方向的夹角为θ，且θ∈[0,π]；

11、所述笔形束与所述第i候选盒表面相交的第i+1交点的位置的计算方法，包括：

12、根据所述第i交点的位置、所述笔形束在所述第i交点的速度、所述磁场的信息，确定所述笔形束自所述第i交点起的理论运动轨迹；

13、根据所述笔形束自第i交点起的理论运动轨迹与所述第i候选盒的边界条件得到所述第i+1交点的位置。

14、根据本发明的实施例，所述理论运动轨迹为螺旋轨迹，

15、根据所述第i交点的位置、所述笔形束在所述第i交点的速度、所述磁场的信息，确定所述笔形束自所述第i交点起的理论运动轨迹，包括：

16、根据所述第i交点的位置得到所述笔形束自第i交点起的螺旋轨迹的初始相位角；

17、根据所述第i交点的位置处所述笔形束的速度、所述磁场方向的信息、所述第i交点的位置处所述笔形束的能量确定所述笔形束自第i交点起的螺旋轨迹的半径和螺距；

18、根据所述笔形束自第i交点起的螺旋轨迹的初始相位角、半径和螺距得到所述笔形束自所述第i交点起的理论运动轨迹。

19、根据本发明的实施例，在所述磁场内的每个交点处，利用坐标基矩阵对所述笔形束的速度进行校正。

20、根据本发明的实施例，所述笔形束在第i+1交点的能量和速度的确定方法包括：

21、根据所述体模的ct图像数据得到所述体模中第i候选盒的bragg-kleeman参数；

22、根据所述第i候选盒的bragg-kleeman参数、所述笔形束在第i交点的速度和能量，确定所笔形束在第i+1交点的能量和速度。

23、根据本发明的实施例，根据所述体模的ct图像数据得到所述体模中第i候选盒的bragg-kleeman参数包括：

24、使所述ct图像的体素与所述第i候选盒的大小相同，其中i>0；

25、根据所述ct图像中的体素的hu值在bragg-kleeman参数查找表中提取所述第i候选盒的bragg-kleeman参数；

26、根据本发明的实施例，所述磁场为匀强磁场，根据所述笔形束自第i交点起的螺旋轨迹的初始相位角、半径和螺距得到所述笔形束自第i交点起的理论运动轨迹，包括：

27、利用所述笔形束自第i交点起的螺旋轨迹的初始相位角、半径和螺距在局域坐标系中建立所述笔形束自第i交点起的螺旋参数方程；

28、将所述笔形束自第i交点起的螺旋参数方程转换到全局坐标系下，得到所述全局坐标系下的笔形束自第i交点起的螺旋参数方程，所述全局坐标系下的笔形束自第i交点起的螺旋参数方程用于描述所述笔形束自第i交点起的理论运动轨迹。

29、根据本发明的实施例，根据所述笔形束自第i交点起的理论运动轨迹与所述第i候选盒的边界条件得到所述第i+1交点的位置，包括：

30、以所述第i候选盒中与所述笔形束存在相交几率的三个平面作为候选平面；

31、将三个候选平面的边界条件带入所述全局坐标系下的笔形束自第i交点起的螺旋参数方程，得到唯一有效解；

32、将所述有效解代回所述全局坐标系下的笔形束自第i交点起的螺旋参数方程，得到第i+1交点的位置。

33、根据本发明的实施例，所述体模的几何中心与所述磁场的几何中心重合。

34、根据本发明的实施例，通过设置多个候选盒，并计算笔形束与每个候选盒表面的交点实现了笔形束在体模中的实际运动轨迹的确定，并结合实际运动轨迹和笔形束算法得到笔形束传递至体模中的任意体素中的质子剂量，实现了磁场中质子放射剂量的确定。本发明实施例提供的方法精度较高。本发明的方法可以用于实现对患者进行磁共振引导的质子治疗。