[发明专利]中子剂量快速确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种中子剂量的确定方法，具体涉及中子剂量快速确定方法。

背景技术

为了实现硼中子俘获治疗，除了必要的热中子照射设备外，快速准确评估热中子辐照后在人体中的剂量分布也是一个关键环节。迄今为止，硼中子俘获治疗肿瘤的方法已有70多年历史，尽管方法先进、有效，但一直未能取得临床应用的突破，主要技术瓶颈为三个方面：制造适用于医院大产额中子源的困难；研制富集于人体含硼药物的困难；热中子辐照剂量的准确快速确定的困难。硼中子俘获治疗在对一些肿瘤的临床试治中都出现过因辐照过量导致正常组织坏死的情况，也出现了在患部辐照剂量不足形成日后肿瘤的复发的情况。这些情况反映了实施辐照剂量与处方辐照剂量的差距。

目前国际上辐照剂量计算软件有:美国的SERA，2000年，由Seppal T，Kankaanranta L，Se.T等人在日本大阪举行的第九届中子俘获治疗癌症国际研讨会上发表；美国的Mac NCTPlan，2002年，由Santa Cruz S J，Kiger W III等人在德国埃森市举行的第十届中子俘获治疗癌症国际研讨会上发表；日本的JCDS，2004年，由Kumada H，Yamamoto K，Matsumura A在Phys.Med.Biol.杂志第49卷上发表。

上述软件主体计算均采用蒙特卡罗程序MCNP模拟，硼中子俘获治疗的单一网格模型结构简单，由完全相同的立方体网格(或长方体网格)组成，排列有序，随着网格尺寸的变小，网格数多达几十万，蒙特卡罗程序MCNP在模拟硼中子俘获治疗模型时计算粒子射线与网格面的交点要花费大量时间，除此以外，材料的质量密度、原子密度以及网格的六个面号等都是网格编号的函数，这些数组很庞大，搜索时间相当长。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中确定硼中子俘获的三维辐照剂量的时间较长、准确率不高的问题，提供一种解决上述问题的中子剂量快速确定方法。

本发明通过下述技术方案实现：

中子剂量快速确定方法，包括：

1)在CPU平台上形成中子辐照的体模数据，进行体模数据的离散化，形成计算体元，并确定三维空间上每个计算体元的体元标号；所述计算体元包括大小成正倍数的关系的辐照区体元和非辐照区体元，辐照区体元小于非辐照区体元，计算体元均为立方体；

2)选定用于确定中子束剂量的GPU平台，通过CPU平台向GPU平台传送计算数据；

3)在GPU上利用蒙特卡罗程序并行计算三维辐照剂量矩阵D的每个单元的剂量，GPU平台向CPU平台返回辐照剂量矩阵数据D。

虽然在GPU平台上并行计算的方式在其它领域有类似的应用，但是在中子辐射治疗中尚未见报道。在现有技术中，通常是仅仅在CPU平台上采用蒙特卡罗程序进行中子辐照剂量的计算，该方式由于计算的数据量庞大，导致计算速率较低。本发明将现有的计算过程搬入GPU中进行，采用GPU平台对蒙特卡罗程序并行运算，由于GPU本身的特性，可以使计算速率得到极大地提高。

由于在采用现有技术所述的蒙特卡罗程序进行计算时，因为计算规则的限制，导致现有技术中的蒙特卡罗程序并不能完全适用于GPU与CPU中并行计算，因而，本发明优化了辐照的几何位置对应于计算体元中体元点的算法，通过该算法的优化设置，进而使蒙特卡罗程序能在GPU中运行时极大提高计算速率，并且有效保证计算的精度。

本发明中采用的蒙特卡罗程序中除辐照的几何位置与计算体元中体元点的对应计算方式以外，其余均为现有技术，因此下面着重阐述辐照的几何位置与计算体元中体元点的对应计算方式，其他计算过程不再赘述。

蒙特卡罗程序中，该辐照的几何位置对应于计算体元中体元点的算法如下：

假设粒子所在空间点坐标为P(X,Y,Z)，计算I＝X/dX，J＝Y/dY，K＝Z/dZ，然后再利用IX、IY和IZ所确定的对应关系得到点P在三维辐照剂量矩阵D中对应的体元标号。

其中，I、J、K分别为P点在数组IX、IY和IZ中的体元标号，dX为计算体元在X方向上的大小，dY为计算体元在Y方向上的大小，dZ为计算体元在Z方向上的大小；IX是在X方向上按dX大小进行离散化所形成的体元与计算体元在X方向的对应关系；IY是在Y方向上按dY大小进行离散化所形成的体元与计算体元在Y方向的对应关系；IZ是在Z方向上按dZ大小进行离散化所形成的体元与计算体元在Z方向的对应关系。

进一步，本发明的具体实现方法如下：