具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供的用于粒子治疗中正电子核素活动分布的计算方法，通过建立基于卷积的数学模型，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，便于研究入射束流的剂量分布与正电子核素活度的关联关系。且实现方法简单，易于建立数学模型，并减少了计算量，能够描述整个治疗过程乃至治疗结束后完整的活度变化情况。

本发明的基本原理为：在粒子治疗中，患者通常需要几个照射疗程。在每次照射过程中，束流由同步加速器周期性引出，经真空膜窗、电离室等打入患者体内。依据放疗计划，将一定数量的粒子(几十到几百个脉冲)即合适的剂量入射到靶区内。在束流和靶体相互作用的过程中，经融合削去反应生成正电子核素，因此正电子核素只在照射的过程中产生，而任意时刻都在以指数形式衰减。这是一个衰减的指数函数在产生函数上的加权叠加，这是卷积的显著特征。对于该过程，其作用效果满足两个原理：线性原理和叠加原理。线性原理是指，若一瞬间产生的正电子核素的数量为n个，则经过了t时间后正电子核素的数量为若一瞬间产生的正电子核素的数量为 2n个，则经过了t时间后正电子核素的数量为个；叠加原理是指，任意时刻正电子核素的活度都与之前正电子核素的产生情况有关。基于此，可以计算得到照射过程中每一种正电子核素的产生情况。

对于某种确定的靶体，在相同的照射条件下，正电子核素产生的速度是相对固定的。设某种正电子核素i的衰变常量为λ_i，其产生的速度随时间的变化关系为函数f，则在τ时刻，该正电子核素i产生的速度为f(τ)，则在时间微元dτ内产生了f(τ)dτ个正电子核素。在时刻T，时间微元dτ内产生的正电子核素经过了时长为(T-τ)的指数衰减，此刻这部分正电子核素的数目应为：

那么在0～T时刻内产生的所有正电子核素在时刻T的数目之和应为：

根据公式(2)可得到时刻T，该正电子核素i的活度为：

令为g(T-τ)，上式可以写为：

A_i，T＝λ_i(f*g)(τ) (5)

A_T＝∑λ_i(f*g)(τ) (6)

可以看出，在任意时刻T，对于正电子核素i，其活度可以表示为其产生速度随时间变化的函数f与指数衰减函数g的卷积，其活度为衰变常量λ_i与此卷积的乘积。由此，我们可以得到任意时刻某种正电子核素的活度大小。

对于正电子核素空间分布的变化，也可以参考上文的计算思想，即靶区是由许多微小的像素点构成的，对于每个像素点，其活度大小也能够表示成产生和衰减速率的卷积。

对于某种正电子核素活度的空间分布，可表示为其三维位置(x，y，z)的函数： A_i，T(x，y，z),其大小为：

A_i，T(x，y，z)＝λ_i[f_i(x，y，z)*g_i(x，y，z)](τ) (7)

其所有正电子核素活度的空间分布为：

A_T(x，y，z)＝∑λ_i[f_i(x，y，z)*g_i(x，y，z)](τ) (8)

实施例1

基于上述原理分析，本实施例提供一种正电子核素活度分布计算方法，包括以下步骤：

1)根据放射治疗计划确定初始粒子数，在确定的初始粒子数条件下，设置束流打靶设定参数。

其中，确定初始粒子数时，根据放射治疗计划确定，例如若放射治疗计划中，计划轰击100次，每次轰击10⁸个粒子，完整的计算需要全部计算100个周期，本发明只需要少于等于1个周期的初始粒子数，只要能够计算出正电子核素产额即可。

设置束流打靶设定参数时，主要包括束流参数、靶体参数和系统采集扫描时间。其中，束流参数包括束流的流强、周期、能散和发射度等；靶体参数包括靶体的相对位置、三维几何参数和材料等。

2)基于设置的束流打靶设定参数，获取正电子核素产物在靶体中的空间分布，得到靶区内初步的正电子核素产物的三维分布矩阵。

3)基于靶区内初步的正电子核素产物的三维分布矩阵，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。

具体的，包括以下步骤：

3.1)针对某一像素点上的每种正电子核素产物，分别计算其产生速度和衰减速度。

计算某种正电子核素产物的产生速度的方法为：根据其产额和流强计算得到该种正电子核素产物在该像素点上的产生速度。其中，某种正电子核素的产额，定义为单位入射粒子数所产生的正电子核素产物数目。

计算某种正电子核素产物的衰减速度的方法为：将该正电子核素产物的衰减常数代入到其衰减指数函数，得到该种正电子核素产物在单位时间内的衰减量，即衰减速度。

3.2)分别对该像素点上的每种正电子核素产物的产生速度和衰减速度进行卷积运算，得到每种正电子核素的活度大小随时间的分布。

3.3)重复步骤3.1)～步骤3.2)，得到任意时刻，各个像素点上每种正电子核素活度大小的三维分布矩阵。

3.4)将靶区内各个像素点上每种正电子核素活度大小随时间的变化进行累加，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。

4)对任意时刻靶区内各种正电子核素总活度的三维分布矩阵进行三维滤波，得到任意时刻，靶区内所有正电子核素衰变的正电子湮灭的位置分布。

对于某种正电子核素i，其正电子射程影响在线影像监测系统的空间分辨率。由于正电子是4π角发射，这种“模糊”的效果可以通过将正电子核素活度的空间分布与平均正电子射程的三维高斯卷积核进行卷积运算来模拟得到，其作用相当于对正电子核素活度的空间分布进行了三维滤波。即某种正电子核素衰变的正电子湮灭的位置分布为：

所有正电子湮灭的位置分布为：

5)对得到的任意时刻靶区内所有正电子核素衰变的正电子湮灭的位置分布进行时间域的积分，得到系统采集扫描时间内正电子湮灭的位置分布。

具体的，对所有的正电子核素衰变的正电子湮灭的位置分布累加，并对累加的结果在时域上按照系统采集扫描时间进行定积分时，其计算公式为：

D(x，y，z)＝∫P_T(x，y，z)dt (11)

式中，D(x，y，z)为扫描时间内正电子湮灭的位置分布；P_T(x，y，z)为任意时刻所有正电子湮灭的位置分布。

6)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。

实施例2

上述实施例1提供了正电子核素活动分布计算方法，与之相对应地，本实施例提供一种正电子核素活动分布计算系统。本实施例提供的识别系统可以实施实施例1的正电子核素活动分布计算方法，该计算系统可以通过软件、硬件或软硬结合的方式来实现。例如，该识别系统可以包括集成的或分开的功能模块或功能单元来执行实施例 1各方法中的对应步骤。由于本实施例的识别系统基本相似于方法实施例，所以本实施例描述过程比较简单，相关之处可以参见实施例1的部分说明即可，本实施例的识别系统的实施例仅仅是示意性的。

本实施例提供一种正电子核素活动分布计算系统，其包括：

正电子核素活度分布计算模块，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；

正电子核素湮灭位置分布计算模块，用于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；

图像预测模块，用于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。

实施例3

本实施例提供一种与本实施例1所提供的正电子核素活度分布计算方法对应的处理设备，处理设备可以是用于客户端的处理设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例1的识别方法。

所述处理设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行本实施例1所提供的正电子核素活度分布计算方法。

在一些实现中，存储器可以是高速随机存取存储器(RAM：Random AccessMemory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

在另一些实现中，处理器可以为中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)等各种类型通用处理器，在此不做限定。

实施例4

本实施例1的一种正电子核素活度分布计算方法可被具体实现为一种计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本实施例1 所述的正电子核素活度分布计算方法的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。

需要说明的是，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。

实施例5

本实施例通过具体案例对本发明做进一步说明。

本实施例中通过蒙特卡洛软件Geant4/GATE得到统计的产额和三维分布矩阵，初始粒子数为10⁶个，束流周期为8s，共43个周期，每个周期内分为2s的出束和6s的停束，出束的流强是175000。靶体为单一材质均匀分布(PMMA)长方体，大小为 (100*200*300mm³)。在计算软件MATLAB上进行卷积的运算并得到结果。

如图3所示，为正电子核素活度大小计算结果示意图。

如图4(a)～图4(b)所示，为正电子核素活度大小的空间分布计算效果图。其中，图4(a)为靶体吸收的物理剂量二维分布；图4(b)是轰击结束的时候，正电子核素活度的二维分布；图4(c)和图4(d)分别是轰击结束30s和120s时，正电子核素活度的二维分布。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。