本發(fā)明涉及核醫(yī)學影像，特別涉及磁場中質子放射劑量的計算方法。

背景技術：

1、質子治療是一種使用高能質子束進行癌癥治療的新型放射治療方法。它具有相對較低的入射劑量和銳利的劑量衰減等優(yōu)勢，能夠準確地將劑量傳遞至靶區(qū)并減少對周圍正常組織的損傷。然而，由于質子射程的不確定性、定位誤差和組織運動等因素，物理師需要在放療計劃靶區(qū)周圍增加邊界，這限制了質子治療的高劑量梯度優(yōu)勢。

2、磁共振成像(mri)具有實時成像和高軟組織對比度等優(yōu)勢，而且無電離輻射，特別適用于運動軟組織腫瘤的放療引導。通過實時mri引導，質子治療的靶向精度，特別是對于運動的軟組織腫瘤，可以得到改善。然而，到目前為止，臨床上尚未實現mri引導的質子治療(mrgpt)。在劑量計算、優(yōu)化和傳遞過程中，磁場效應(即洛倫茲力)對質子束的劑量畸變是實現mrgpt的許多障礙之一。

3、wolf和bortfeld首次推導了在橫向均勻磁場中質子束偏轉軌跡的解析解。他們的方法基于小角度近似，因此當質子偏轉角度較大時，誤差會增大；此外，在相對論情況下，他們的方法沒有閉式解。schellhammer和hoffmann引入了一種解析迭代方法，該方法在60至250mev能量范圍內的軌跡計算結果與蒙特卡洛模擬結果非常吻合。然而，該方法的適用性僅限于磁場垂直于質子束的情況，且不適用于體素化體模。padilla-cabal提出的數值迭代方法將質子束在水中的能量沉積值沿軌跡存儲到查找表中。對于非水材料，該方法通過查找表確定水等效深度，并使用特定材料的校正因子進行縮放。然而，校正因子不能準確描述高密度材料(如骨骼)的性質，導致在這些材料中的劑量分布出現偏差。蒙特卡洛模擬提供了高精度的模擬，但計算速度較慢，限制了其在實時mrgpt中的應用。因此，需要一種高效且相對準確的劑量計算算法，來更好實現mrgpt中的放射劑量計算。

技術實現思路

1、鑒于上述問題，本發(fā)明提供了一種磁場中質子放射劑量的計算方法，以實現高效且相對準確的質子放射劑量的確定。

2、作為本發(fā)明的第一方面，提供了一種磁場中質子放射劑量的計算方法，其中，質子束自出射源出射并進入磁場中，所述質子束在所述磁場中運動，并進入位于所述磁場的體模中，以向所述體模放射質子，所述質子束包括多個筆形束，所述方法包括：

3、確定所述出射源的位置以及所述出射源處所述筆形束的速度和能量；

4、在所述質子束自所述出射源出射后，根據所述出射源的位置、所述出射源處所述筆形束的速度和能量、以及所述磁場的信息按時序確定多個候選盒，并依次計算所述筆形束與每個候選盒表面的交點的位置和所述筆形束在每個所述交點處的速度和能量，將所述交點的位置位于所述體模外或者所述交點處的能量等于零時對應的候選盒最為最后一個候選盒，其中，在相鄰的兩個候選盒中，后設置的候選盒根據所述筆形束與先設置的候選盒的交點的位置和所述筆形束在所述交點處的速度確定；

5、在所述體模內部的候選盒中，選擇多個交點作為采樣點，將所有采樣點進行連線，得到所述筆形束在所述體模中的實際運動軌跡；

6、根據所述實際運動軌跡和筆形束算法得到所述筆形束傳遞至所述體模中的任意體素中的質子劑量，進而得到所述質子束放射至所述體模中的任意體素中的質子劑量。

7、根據本發(fā)明的實施例，在所述質子束自所述出射源出射后，根據所述出射源的位置、所述出射源處所述筆形束的速度和能量，以及所述磁場的信息按時序確定多個候選盒，并依次計算所述筆形束與每個候選盒表面的交點的位置和所述筆形束在每個所述交點處的速度和能量，包括：

8、使用{i|0≤i≤h}對按時序確定的多個候選盒和多個交點進行編號；以所述體模作為第0候選盒，所述出射源位置作為第0交點；

9、根據所述體模的ct圖像數據、所述第i交點的位置所述筆形束在所述第i交點的速度和能量，以及所述磁場的信息確定第i候選盒，并計算所述筆形束與第i候選盒的第i+1交點的位置和所述筆形束在第i+1交點的能量和速度，其中，當i＝h時，所述第h交點位于所述體模外，或者所述筆形束在所述第h交點的速度為零，不再計算i+1交點。

10、根據本發(fā)明的實施例，所述筆形束速度方向與所述磁場方向的夾角為θ，且θ∈[0,π]；

11、所述筆形束與所述第i候選盒表面相交的第i+1交點的位置的計算方法，包括：

12、根據所述第i交點的位置、所述筆形束在所述第i交點的速度、所述磁場的信息，確定所述筆形束自所述第i交點起的理論運動軌跡；

13、根據所述筆形束自第i交點起的理論運動軌跡與所述第i候選盒的邊界條件得到所述第i+1交點的位置。

14、根據本發(fā)明的實施例，所述理論運動軌跡為螺旋軌跡，

15、根據所述第i交點的位置、所述筆形束在所述第i交點的速度、所述磁場的信息，確定所述筆形束自所述第i交點起的理論運動軌跡，包括：

16、根據所述第i交點的位置得到所述筆形束自第i交點起的螺旋軌跡的初始相位角；

17、根據所述第i交點的位置處所述筆形束的速度、所述磁場方向的信息、所述第i交點的位置處所述筆形束的能量確定所述筆形束自第i交點起的螺旋軌跡的半徑和螺距；

18、根據所述筆形束自第i交點起的螺旋軌跡的初始相位角、半徑和螺距得到所述筆形束自所述第i交點起的理論運動軌跡。

19、根據本發(fā)明的實施例，在所述磁場內的每個交點處，利用坐標基矩陣對所述筆形束的速度進行校正。

20、根據本發(fā)明的實施例，所述筆形束在第i+1交點的能量和速度的確定方法包括：

21、根據所述體模的ct圖像數據得到所述體模中第i候選盒的bragg-kleeman參數；

22、根據所述第i候選盒的bragg-kleeman參數、所述筆形束在第i交點的速度和能量，確定所筆形束在第i+1交點的能量和速度。

23、根據本發(fā)明的實施例，根據所述體模的ct圖像數據得到所述體模中第i候選盒的bragg-kleeman參數包括：

24、使所述ct圖像的體素與所述第i候選盒的大小相同，其中i>0；

25、根據所述ct圖像中的體素的hu值在bragg-kleeman參數查找表中提取所述第i候選盒的bragg-kleeman參數；

26、根據本發(fā)明的實施例，所述磁場為勻強磁場，根據所述筆形束自第i交點起的螺旋軌跡的初始相位角、半徑和螺距得到所述筆形束自第i交點起的理論運動軌跡，包括：

27、利用所述筆形束自第i交點起的螺旋軌跡的初始相位角、半徑和螺距在局域坐標系中建立所述筆形束自第i交點起的螺旋參數方程；

28、將所述筆形束自第i交點起的螺旋參數方程轉換到全局坐標系下，得到所述全局坐標系下的筆形束自第i交點起的螺旋參數方程，所述全局坐標系下的筆形束自第i交點起的螺旋參數方程用于描述所述筆形束自第i交點起的理論運動軌跡。

29、根據本發(fā)明的實施例，根據所述筆形束自第i交點起的理論運動軌跡與所述第i候選盒的邊界條件得到所述第i+1交點的位置，包括：

30、以所述第i候選盒中與所述筆形束存在相交幾率的三個平面作為候選平面；

31、將三個候選平面的邊界條件帶入所述全局坐標系下的筆形束自第i交點起的螺旋參數方程，得到唯一有效解；

32、將所述有效解代回所述全局坐標系下的筆形束自第i交點起的螺旋參數方程，得到第i+1交點的位置。

33、根據本發(fā)明的實施例，所述體模的幾何中心與所述磁場的幾何中心重合。

34、根據本發(fā)明的實施例，通過設置多個候選盒，并計算筆形束與每個候選盒表面的交點實現了筆形束在體模中的實際運動軌跡的確定，并結合實際運動軌跡和筆形束算法得到筆形束傳遞至體模中的任意體素中的質子劑量，實現了磁場中質子放射劑量的確定。本發(fā)明實施例提供的方法精度較高。本發(fā)明的方法可以用于實現對患者進行磁共振引導的質子治療。