[发明专利]基于GPU蒙特卡洛算法的磁场下质子和重离子剂量计算方法

说明书

本发明公开了一种基于GPU蒙特卡洛算法的磁场下质子和重离子剂量计算方法，包括：1、采集数据；2、确定GPU的最优线程数和输运任务批次；3、利用蒙特卡洛算法计算每个批次在磁场作用下的质子和重离子辐射剂量；4、利用蒙特卡洛算法计算每个批次在磁场作用下的次级粒子的辐射剂量；5、基于GPU快速原子加法统计剂量结果。本发明能快速且准确的计算出磁场作用下质子和重离子的辐射剂量，可用于磁共振实时引导质子和重离子治疗计划系统的剂量计算，进而提高治疗计划系统中剂量计算的准确性与速度，改善放射治疗的效果。

技术领域

本发明属于计算机信息技术在核技术领域的应用，涉及到肿瘤放射治疗技术，具体是基于GPU蒙特卡洛算法的磁场下质子和重离子剂量计算方法，可用于传统以及磁共振实时引导质子与重离子放射治疗计划系统的剂量计算。

背景技术

放射治疗的目的是在最大程度杀灭肿瘤的同时保护周围危及器官。为了实现这个目的，可从影像技术与选用合适的辐射源类型的两个方面考虑。

一方面医生需要借助影像技术清晰地定位肿瘤和周围危及器官的位置。目前大多采用CT确定位置，但是CT对软组织成像分辨率不高，且在CT扫描过程中，患者需要承担放射治疗以外的电离辐射。另外当采用CT定位运动器官位置时，一般需要在患者体内植入标记物，而很多患者都不愿意或者不适合接受外部植入标记物。核磁共振成像(MRI)能实时跟踪肿瘤位置的变化，无电离辐射、不需外部植入标记物，所以国际上提出用磁共振实时引导放射治疗，在治疗前、治疗中通过MRI来引导整个放射治疗的过程。

另一方面，目前临床上选用治疗的辐射源类型多为光子和电子。电子主要适用于浅表肿瘤治疗。光子治疗时，对于较深处的肿瘤，在杀灭肿瘤的同时也极大地损伤了周围健康的组织器官。质子或重离子放射治疗是目前最为先进的放疗技术之一，它充分利用了质子或重离子剂量分布的布拉格峰特性，将绝大部分辐射剂量沉积在肿瘤靶区，同时极大地降低了肿瘤后部正常细胞或敏感器官受到的辐射损伤。

充分考虑以上两个方面，若采用磁共振实时引导的质子放射治疗或者磁共振实时引导的重离子放射治疗，不仅能给出肿瘤和周围危及器官，包括运动器官的清晰图像，同时也能极大地降低对正常组织的损伤。但当质子和重离子处于MRI磁场中时，由于其带电，磁场将影响质子或重离子的运动轨迹，从而改变其在患者体内的剂量分布，因此在设计相应治疗计划的同时需要考虑磁场这一因素。对于某些运动器官的肿瘤或是儿童患者，若能采用磁共振实时引导的质子和重离子精确放射治疗，将能进一步提升放射治疗的效果，改善病人生存质量。

目前大多医院在实施临床放射治疗时，治疗计划系统中的辐射剂量计算都是采用解析算法来得到的，主要就是笔形束卷积叠加算法。但对于一些密度差别较大的非均匀组织，笔形束算法计算得到的剂量结果并不准确，这可能会导致靶区欠剂量而周围危及器官剂量过高的现象。而对于磁场作用下的质子和重离子辐射剂量，目前还无法根据现有的笔形束算法准确获得质子和重离子剂量的分布情况。