RU2840334C2 - Radioactive irradiation system and method of its control - Google Patents
Radioactive irradiation system and method of its control Download PDFInfo
- Publication number
- RU2840334C2 RU2840334C2 RU2024115213A RU2024115213A RU2840334C2 RU 2840334 C2 RU2840334 C2 RU 2840334C2 RU 2024115213 A RU2024115213 A RU 2024115213A RU 2024115213 A RU2024115213 A RU 2024115213A RU 2840334 C2 RU2840334 C2 RU 2840334C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- neutron
- treatment plan
- radiation
- elements
- calculation
- Prior art date
Links
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИAREA OF TECHNOLOGY
[0001] Один аспект изобретения относится к системе облучения радиоактивными лучами, а другой аспект изобретения - к способу управления системой облучения радиоактивными лучами.[0001] One aspect of the invention relates to a radioactive beam irradiation system, and another aspect of the invention relates to a method for controlling the radioactive beam irradiation system.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
[0002] С развитием ядерных технологий радиотерапия, такая как линейный ускоритель, электронный пучок или тому подобное, стала одним из основных средств лечения рака. Однако традиционная фотонная или электронная терапия ограничена физическими условиями самих радиоактивных лучей, и, таким образом, также будет наносить вред большому количеству нормальных тканей на пути луча при уничтожении опухолевых клеток. При этом из-за различной чувствительности опухолевых клеток к радиоактивным лучам, традиционная лучевая терапия обычно оказывает слабый лечебный эффект на радиорезистентные злокачественные опухоли (например, мультиформную глиобластому и меланому) с радиорезистентностью.[0002] With the development of nuclear technology, radiotherapy such as linear accelerator, electron beam or the like, has become one of the main means of cancer treatment. However, traditional photon or electron therapy is limited by the physical conditions of the radioactive rays themselves, and thus will also harm a large number of normal tissues along the path of the beam when destroying tumor cells. In addition, due to the different sensitivity of tumor cells to radioactive rays, traditional radiation therapy usually has a weak curative effect on radioresistant malignant tumors (such as glioblastoma multiforme and melanoma) with radioresistance.
[0003] Для уменьшения радиационного поражения нормальных тканей вокруг опухолей, концепция целевой терапии в химиотерапии применяется к лучевой терапии. Что касается опухолевых клеток с высокой радиорезистентностью, в настоящее время также активно разрабатываются источники излучения с высокой относительной биологической эффективностью (RBE), такие как протонная терапия, терапия тяжелыми частицами, нейтронозахватная терапия и т.п. Здесь нейтронозахватная терапия сочетает в себе два вышеупомянутых понятия, например, бор-нейтронозахватная терапия (BNCT), обеспечивает лучший выбор лечения рака, чем традиционные радиоактивные лучи, путем специфической агрегации борсодержащих лекарств в опухолевых клетках в сочетании с точной регуляцией и контролем пучка.[0003] In order to reduce the radiation damage to normal tissues around tumors, the concept of targeted therapy in chemotherapy is applied to radiotherapy. As for tumor cells with high radioresistance, radiation sources with high relative biological effectiveness (RBE), such as proton therapy, heavy particle therapy, neutron capture therapy, etc., are also being actively developed. Here, neutron capture therapy combines the above two concepts, such as boron neutron capture therapy (BNCT), provides a better choice for cancer treatment than traditional radioactive rays by specifically aggregating boron-containing drugs in tumor cells in combination with precise beam regulation and control.
[0004] В BNCT две сильно заряженные частицы 4Не и 7Li получают с использованием характеристики лекарственного средства, содержащего бор (10В), имеющего высокую секцию захвата для теплового нейтрона, и посредством захвата нейтрона 10В (n, α) 7Li и реакции ядерного деления, и эти две частицы имеют общий диапазон, приблизительно эквивалентный размеру клетки, так что радиационное повреждение организма может быть ограничено уровнем клетки, и когда лекарственное средство, содержащее бор, селективно агрегируется в опухолевой клетке, цель локального уничтожения опухолевой клетки может быть достигнута при условии не индуцирования слишком большого повреждения нормальных тканей, в сочетании с подходящим источником нейтронного излучения.[0004] In BNCT, two highly charged particles of 4 He and 7 Li are produced by using the characteristic of a boron-containing drug ( 10 B) having a high capture section for a thermal neutron, and by means of neutron capture of 10 B (n, α) 7 Li and a nuclear fission reaction, and these two particles have a total range approximately equivalent to the size of a cell, so that radiation damage to the body can be limited to the cell level, and when the boron-containing drug is selectively aggregated in the tumor cell, the purpose of locally killing the tumor cell can be achieved under the condition of not inducing too much damage to normal tissues, in combination with a suitable neutron radiation source.
[0005] Для того, чтобы радиационные частицы убивали раковые клетки как можно больше и уменьшали повреждение нормальных клеток, перед лечением пациента обычно проводят КТ или ПЭТ-сканирование, получают материальную информацию тканей человеческого тела по результату сканирования, устанавливают модель расчета в соответствии с материальной информацией и источником излучения, моделируют процесс транспортировки радиационных частиц в организме человека, окончательно получают распределение дозы радиационных частиц в организме человека, после чего в качестве схемы терапии пациента выбирают схему с оптимальным распределением дозы на пациента.[0005] In order for radiation particles to kill cancer cells as much as possible and reduce damage to normal cells, CT or PET scanning is usually performed before treating a patient, the material information of human body tissues is obtained from the scanning result, a calculation model is established according to the material information and the radiation source, the process of transporting radiation particles in the human body is simulated, the distribution of the dose of radiation particles in the human body is finally obtained, and then a scheme with the optimal dose distribution to the patient is selected as the treatment regimen for the patient.
[0006] В настоящее время модуль расчета дозы в системе плана лучевой терапии получает распределение дозы главным образом путем моделирования частиц излучения с использованием метода Монте-Карло. Процессы движения фотонов и электронов должны быть смоделированы для традиционной лучевой терапии, а процессы движения нейтронов и фотонов должны быть смоделированы для терапии радиоактивным излучением. В настоящее время метод Монте-Карло является наиболее точным методом расчета дозы, однако он потребляет очень много времени для расчета и имеет большое потребление памяти.[0006] At present, the dose calculation module in the radiation therapy plan system obtains the dose distribution mainly by simulating radiation particles using the Monte Carlo method. The photon and electron motion processes need to be simulated for conventional radiation therapy, and the neutron and photon motion processes need to be simulated for radiation therapy. At present, the Monte Carlo method is the most accurate dose calculation method, but it takes a long time to calculate and has a large memory consumption.
[0007] В настоящее время для расчета в лучевой терапии чаще всего используются универсальные программы Монте-Карло, такие как MCNP и Geant 4, здесь MCNP первоначально используется для проектирования и расчета реактора, Geant 4 первоначально используется для высокоэнергетического физического расчета. Эти программы не учитывают физические сцены лучевой терапии в начале их разработки и, следовательно, не выполняют специальную оптимизацию в отношении области расчета лучевой терапии. Составление плана лучевой терапии обычно должно быть завершено в течение определенного времени, например, лучевая терапия требует, чтобы система плана лучевой терапии давала схему терапии в течение одного часа, здесь процесс расчета дозы занимает большую часть времени, сформулированного планом лучевой терапии. Поэтому необходимо оптимизировать метод расчета дозы, чтобы сократить время, указанное в плане лучевой терапии.[0007] At present, the most commonly used general Monte Carlo programs for calculation in radiation therapy are MCNP and Geant 4, here MCNP is primarily used for reactor design and calculation, Geant 4 is primarily used for high-energy physical calculation. These programs do not take into account the physical scenes of radiation therapy at the beginning of their development, and therefore do not perform special optimization with respect to the calculation area of radiation therapy. The preparation of a radiation therapy plan usually needs to be completed within a certain time, for example, radiation therapy requires the radiation therapy plan system to give a treatment plan within one hour, here the dose calculation process takes up most of the time formulated by the radiation therapy plan. Therefore, it is necessary to optimize the dose calculation method to shorten the time specified in the radiation therapy plan.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯESSENCE OF THE INVENTION
[0008] Для преодоления недостатков соответствующего уровня техники в первом аспекте изобретения предложена система облучения радиоактивными лучами, включающая устройство облучения пучком, модуль плана лечения и модуль управления. Устройство облучения пучком генерирует лечебный пучок и облучает лечебным пучком облучаемое тело для формирования облучаемого участка. Модуль плана лечения выполняет моделирование и расчет дозы в соответствии с параметрами луча лечения и данными медицинской визуализации облучаемого участка и генерирует план лечения, фильтрует элементы, влияющие на результаты моделирования и расчета нейтронов и фотонов в сценах применения системы облучения радиоактивными лучами, путем учета весовых пропорций множества элементов в человеческом теле и интенсивностей реакций множества элементов с нейтронами и фотонами, так что во время моделирования моделируются только фильтрованные элементы. Модуль управления управляет излучением устройства облучения пучком в соответствии с планом лечения.[0008] In order to overcome the disadvantages of the related art, a first aspect of the invention provides a radioactive beam irradiation system comprising a beam irradiation device, a treatment plan module and a control module. The beam irradiation device generates a treatment beam and irradiates an irradiated body with the treatment beam to form an irradiated area. The treatment plan module performs modeling and dose calculation in accordance with the parameters of the treatment beam and medical imaging data of the irradiated area and generates a treatment plan, filters elements affecting the results of modeling and calculation of neutrons and photons in scenes of application of the radioactive beam irradiation system by taking into account the weight proportions of a plurality of elements in the human body and the intensities of reactions of a plurality of elements with neutrons and photons, so that only the filtered elements are modeled during the modeling. The control module controls the radiation of the beam irradiation device in accordance with the treatment plan.
[0009] В других вариантах осуществления изобретения элементы, фильтрованные модулем плана лечения, могут быть выбраны из одного или более из Н, Не, Li, Be, В, С, N, О, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar, K и Ca.[0009] In other embodiments of the invention, the elements filtered by the treatment plan module may be selected from one or more of H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar, K and Ca.
[0010] Более конкретно, элементы, фильтрованные модулем плана лечения, могут представлять собой Н, Не, Li, Be, В, С, N, О, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, CI, Ar, K и Ca.[0010] More specifically, the elements filtered by the treatment plan module may be H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar, K, and Ca.
[0011] В другом варианте осуществления модуль плана лечения может удалять базы данных, соответствующие другим температурам, кроме 294 K и 0 K, из базы данных поперечного сечения нейтрона, соответствующей каждому из элементов.[0011] In another embodiment, the treatment plan module may remove databases corresponding to temperatures other than 294 K and 0 K from the neutron cross section database corresponding to each of the elements.
[0012] Предпочтительно система облучения радиоактивным лучом может представлять собой систему нейтронозахватной терапии, устройство облучения пучком может содержать устройство генерации нейтронов, тело формирования пучка и процедурный стол. Устройство генерации нейтронов включает в себя ускоритель и мишень, ускоритель ускоряет заряженные частицы для генерации пучка заряженных частиц, которая взаимодействует с мишенью для генерации пучка нейтронов. Формирующее пучок тело выполнено с возможностью регулирования пучка нейтронов, генерируемого устройством генерации нейтронов, для обеспечения предустановленного качества пучка, причем пучок нейтронов, генерируемый устройством генерации нейтронов, излучается на облучаемое тело на процедурном столе посредством формирующего пучок тела.[0012] Preferably, the radioactive beam irradiation system may be a neutron capture therapy system, the beam irradiation device may comprise a neutron generation device, a beam forming body and a treatment table. The neutron generation device includes an accelerator and a target, the accelerator accelerates charged particles to generate a beam of charged particles that interacts with the target to generate a neutron beam. The beam forming body is configured to regulate the neutron beam generated by the neutron generation device to ensure a predetermined beam quality, wherein the neutron beam generated by the neutron generation device is radiated onto the irradiated body on the treatment table by means of the beam forming body.
[0013] Второй аспект изобретения относится к способу управления системой облучения радиоактивными лучами, при этом система облучения пучком включает в себя устройство облучения пучком, модуль плана лечения и модуль управления. Устройство облучения пучком генерирует лечебный пучок и облучает лечебным пучком облучаемое тело, для образования облучаемого участка. Модуль плана лечения выполняет моделирование и расчет дозы в соответствии с параметрами лечебного пучка и данными медицинской визуализации облучаемого участка, и генерирует план лечения. Модуль управления управляет излучением устройства облучения пучком в соответствии с планом лечения. Способ управления системой облучения радиоактивными лучами включает следующие операции. Элементы, оказывающие влияние на моделирование и результаты расчетов нейтронов и фотонов в сценах применения системы облучения радиоактивными лучами, фильтруют путем учета весовых пропорций множества элементов в теле человека и интенсивностей реакции множества с нейтронами и фотонами, так что во время моделирования моделируются только фильтрованные элементы.[0013] The second aspect of the invention relates to a method for controlling a radioactive beam irradiation system, wherein the beam irradiation system includes a beam irradiation device, a treatment plan module and a control module. The beam irradiation device generates a therapeutic beam and irradiates an irradiated body with the therapeutic beam to form an irradiated area. The treatment plan module performs modeling and dose calculation in accordance with the parameters of the therapeutic beam and medical imaging data of the irradiated area, and generates a treatment plan. The control module controls the radiation of the beam irradiation device in accordance with the treatment plan. The method for controlling the radioactive beam irradiation system includes the following operations. Elements that influence the modeling and calculation results of neutrons and photons in scenes of application of the radioactive beam irradiation system are filtered by taking into account the weight proportions of a plurality of elements in the human body and the intensities of the reaction of the plurality with neutrons and photons, so that only the filtered elements are modeled during the modeling.
[0014] В других вариантах осуществления изобретения элементы, фильтрованные модулем плана лечения, могут быть выбраны из одного или более из Н, Не, Li, Be, В, С, N, О, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar, K и Ca.[0014] In other embodiments of the invention, the elements filtered by the treatment plan module may be selected from one or more of H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar, K and Ca.
[0015] В частности, элементы, фильтрованные модулем плана лечения, могут представлять собой Н, Не, Li, Be, В, С, N, О, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar, K и Ca[0015] In particular, the elements filtered by the treatment plan module may be H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar, K and Ca
[0016] В другом варианте осуществления способ управления системой облучения радиоактивными лучами может дополнительно включать следующие операции. Модуль плана лечения удаляет базы данных, соответствующие другим температурам, кроме 294 K и 0 K, из базы данных поперечного сечения нейтрона, соответствующей каждому из элементов.[0016] In another embodiment, the method of controlling a radioactive beam irradiation system may further include the following operations. The treatment plan module deletes databases corresponding to temperatures other than 294 K and 0 K from the neutron cross-section database corresponding to each of the elements.
[0017] Предпочтительно система облучения радиоактивным лучом может представлять собой систему нейтронозахватной терапии, устройство облучения пучком может содержать устройство генерации нейтронов, тело формирования пучка и процедурный стол. Устройство генерации нейтронов включает в себя ускоритель и мишень, ускоритель ускоряет заряженные частицы для генерации пучка нейтронов, который взаимодействует с мишенью для генерации пучка нейтронов. Формирующее пучок тело выполнено с возможностью регулирования пучка нейтронов, генерируемого устройством генерации нейтронов, для обеспечения предустановленного качества пучка, причем пучок нейтронов, генерируемый устройством генерации нейтронов, излучается на облучаемое тело на процедурном столе посредством формирующего пучок тела.[0017] Preferably, the radioactive beam irradiation system may be a neutron capture therapy system, the beam irradiation device may comprise a neutron generation device, a beam forming body and a treatment table. The neutron generation device includes an accelerator and a target, the accelerator accelerates charged particles to generate a neutron beam that interacts with the target to generate a neutron beam. The beam forming body is configured to regulate the neutron beam generated by the neutron generation device to ensure a predetermined beam quality, wherein the neutron beam generated by the neutron generation device is radiated onto the irradiated body on the treatment table by means of the beam forming body.
[0018] В соответствии с системой облучения радиоактивными лучами и способом управления системой облучения радиоактивными лучами, описанными в вариантах осуществления изобретения, элементы, влияющие на результаты моделирования и расчета нейтронов и фотонов в сценах применения системы облучения радиоактивными лучами, фильтруют путем учета весовых пропорций множества элементов в человеческом теле и интенсивностей реакции множества элементов с нейтронами и фотонами, так что во время моделирования моделируются только фильтрованные элементы. Таким образом, скорость расчета модуля плана лучевого воздействия может быть значительно увеличена, а время расчета сокращено.[0018] According to the radioactive ray irradiation system and the radioactive ray irradiation system control method described in the embodiments of the invention, elements influencing the simulation and calculation results of neutrons and photons in application scenes of the radioactive ray irradiation system are filtered by considering the weight proportions of a plurality of elements in the human body and the reaction intensities of the plurality of elements with neutrons and photons, so that only the filtered elements are simulated during the simulation. In this way, the calculation speed of the radiation exposure plan module can be significantly increased and the calculation time can be shortened.
[0019] В третьем аспекте изобретения предложена система облучения радиоактивными лучами, включающая в себя устройство облучения пучком, модуль плана лечения и модуль управления. Устройство облучения пучком генерирует лечебный пучок и излучает лечебный пучок на облучаемое тело для формирования облучаемого участка. Модуль плана лечения выполняет моделирование и расчет дозы в соответствии с параметрами лечебного пучка и данными медицинской визуализации облучаемого участка и генерирует план лечения, при этом задачи моделирования различных исходных частиц назначаются различным процессам или потокам, и выполняется резюмирование после завершения задачи расчета каждого из процессов или потоков для получения конечного результата расчета. Модуль управления управляет излучением устройства облучения пучком в соответствии с планом лечения.[0019] In a third aspect of the invention, a radioactive irradiation system is provided, including a beam irradiation device, a treatment plan module and a control module. The beam irradiation device generates a therapeutic beam and irradiates the therapeutic beam onto an irradiated body to form an irradiated area. The treatment plan module performs modeling and dose calculation according to the parameters of the therapeutic beam and medical imaging data of the irradiated area and generates a treatment plan, wherein the tasks of modeling various source particles are assigned to various processes or flows, and summarization is performed after completing the calculation task of each of the processes or flows to obtain the final calculation result. The control module controls the radiation of the beam irradiation device according to the treatment plan.
[0020] Предпочтительно система облучения радиоактивным лучом может представлять собой систему нейтронозахватной терапии, устройство облучения пучком может содержать устройство генерации нейтронов, тело формирования пучка и процедурный стол. Устройство генерации нейтронов включает в себя ускоритель и мишень, ускоритель ускоряет заряженные частицы для генерации пучка заряженных частиц, который взаимодействует с мишенью для генерации пучка нейтронов. Формирующее пучок тело выполнено с возможностью регулирования пучка нейтронов, генерируемого устройством генерации нейтронов, для обеспечения предустановленного качества пучка, причем пучок нейтронов, генерируемый устройством генерации нейтронов, излучается на облучаемое тело на процедурном столе посредством формирующего пучок тела.[0020] Preferably, the radioactive beam irradiation system may be a neutron capture therapy system, the beam irradiation device may comprise a neutron generation device, a beam forming body and a treatment table. The neutron generation device includes an accelerator and a target, the accelerator accelerates charged particles to generate a beam of charged particles that interacts with the target to generate a neutron beam. The beam forming body is configured to regulate the neutron beam generated by the neutron generation device to ensure a predetermined beam quality, wherein the neutron beam generated by the neutron generation device is radiated onto the irradiated body on the treatment table by means of the beam forming body.
[0021] В варианте осуществления изобретения частицы могут быть смоделированы параллелизмом процесса и параллелизмом потока центрального процессора (CPU) и ускорения графического процессора (GPU), причем каждый из параллелизма процесса и параллелизма потока реализует параллельное вычисление многоядерным процессором, при этом процесс расчета параллелизма процесса и параллелизма потока CPU выглядит следующим образом. Во-первых, система получает число процессов или потоков для получения числового значения n; затем система поровну делит частицы, необходимые для моделирования, на n частей; затем каждый из потоков или процессов отдельно имитирует и подсчитывает каждую часть частиц; и, наконец, система выполняет подсчет количества, полученного каждым из процессов или потоков, для получения конечной дозы.[0021] In an embodiment of the invention, particles can be simulated by process parallelism and thread parallelism of the central processing unit (CPU) and graphics processing unit (GPU) acceleration, where each of the process parallelism and the thread parallelism implements parallel computing by a multi-core processor, wherein the process parallelism and the thread parallelism calculation process of the CPU is as follows. First, the system obtains the number of processes or threads to obtain a numerical value n; then the system equally divides the particles necessary for the simulation into n parts; then each of the threads or processes separately simulates and counts each part of the particles; and finally, the system performs the counting of the amount obtained by each of the processes or threads to obtain the final dose.
[0022] В варианте осуществления ускорение GPU может быть реализовано путем параллельного вычисления множества процессоров GPU, и процесс моделирования и вычисления ускорения GPU выглядит следующим образом. Во-первых, система передает случайное число, данные поперечного сечения или тому подобное из памяти процессора в видеопамять GPU, а затем каждый из множества процессоров GPU моделирует, рассчитывает и подсчитывает одну частицу и подсчитывает результат подсчета в глобальный подсчет; затем система определяет, есть ли частицы, которые еще не смоделированы, передает результат подсчета из памяти GPU в память CPU в ответ на отсутствие частиц, которые еще не смоделированы, или возвращается к предыдущей операции в ответ на то, что еще не смоделированы частицы, чтобы продолжать моделировать и подсчитывать частицы, которые еще не смоделированы, до тех пор, пока не будет завершено моделирование всех частиц.[0022] In an embodiment, the GPU acceleration can be realized by parallel computing of a plurality of GPU processors, and the process of simulating and computing the GPU acceleration is as follows. First, the system transfers a random number, cross-sectional data, or the like from the processor memory to the video memory of the GPU, and then each of the plurality of GPU processors simulates, calculates, and counts one particle and counts the counting result into a global count; then the system determines whether there are particles that have not yet been simulated, transfers the counting result from the GPU memory to the CPU memory in response to the absence of particles that have not yet been simulated, or returns to the previous operation in response to the fact that particles have not yet been simulated to continue simulating and counting particles that have not yet been simulated until the simulation of all particles is completed.
[0023] Четвертый аспект изобретения относится к способу управления системой облучения радиоактивными лучами, причем система облучения пучком включает в себя устройство облучения пучком, модуль плана лечения и модуль управления. Устройство облучения пучком генерирует лечебный пучок и излучает лечебный пучок на облучаемое тело для формирования облучаемого участка. Модуль плана лечения выполняет моделирование и расчет дозы в соответствии с параметрами лечебного пучка и данными медицинской визуализации облучаемого участка и генерирует план лечения. Модуль управления управляет излучением устройства облучения пучком в соответствии с планом лечения. Способ управления системой облучения радиоактивными лучами включает следующие операции. Задачи моделирования различных исходных частиц назначаются различным процессам или потокам, и выполняется резюмирование после завершения задачи расчета каждого из процессов или потоков для получения конечного результата расчета.[0023] A fourth aspect of the invention relates to a method for controlling a radioactive beam irradiation system, wherein the beam irradiation system includes a beam irradiation device, a treatment plan module and a control module. The beam irradiation device generates a therapeutic beam and irradiates the therapeutic beam onto an irradiated body to form an irradiated area. The treatment plan module performs modeling and dose calculation in accordance with the parameters of the therapeutic beam and medical imaging data of the irradiated area and generates a treatment plan. The control module controls the radiation of the beam irradiation device in accordance with the treatment plan. The method for controlling a radioactive beam irradiation system includes the following operations. The tasks of modeling different source particles are assigned to different processes or flows, and summarizing is performed after completing the calculation task of each of the processes or flows to obtain the final calculation result.
[0024] В варианте осуществления изобретения частицы могут быть смоделированы параллелизмом процесса и параллелизмом потока CPU и ускорения GPU.[0024] In an embodiment of the invention, particles may be simulated by process parallelism and CPU thread parallelism and GPU acceleration.
[0025] Предпочтительно каждый из параллелизма процесса и параллелизма потока может реализовывать параллельные вычисления посредством многоядерного CPU.[0025] Preferably, each of the process parallelism and the thread parallelism can implement parallel computing by means of a multi-core CPU.
[0026] В варианте осуществления изобретения процесс расчета параллелизма процесса и параллелизма потока CPU может быть следующим. Сначала система получает число процессов или потоков для получения числового значения n; затем система поровну делит частицы, необходимые для моделирования, на n частей; затем каждый из потоков или процессов отдельно моделирует и подсчитывает каждую часть частиц; и, наконец, система выполняет подсчет количества, полученного каждым из процессов или потоков, для получения конечной дозы.[0026] In an embodiment of the invention, the process of calculating the process parallelism and the CPU thread parallelism may be as follows. First, the system obtains the number of processes or threads to obtain a numerical value n; then the system equally divides the particles needed for modeling into n parts; then each of the threads or processes separately models and counts each part of the particles; and finally, the system performs a count of the amount received by each of the processes or threads to obtain the final dose.
[0027] Предпочтительно ускорение GPU может быть реализовано параллельным вычислением множества процессоров GPU.[0027] Preferably, GPU acceleration may be implemented by parallel computing of multiple GPU processors.
[0028] Процесс моделирования и вычисления ускорения GPU может быть следующим. Сначала система передает случайное число, данные поперечного сечения или тому подобное из памяти процессора в видеопамять GPU, затем каждый из множества процессоров GPU моделирует, рассчитывает и подсчитывает одну частицу и засчитывает результат подсчета в глобальный подсчет; затем система определяет, есть ли частицы, которые еще не смоделированы, передает результат подсчета из памяти GPU в память CPU в ответ на отсутствие частиц, которые еще не смоделированы, или возвращается к предыдущей операции в ответ на наличие еще не смоделированных частиц, чтобы продолжать моделировать и подсчитывать частицы, которые еще не смоделированы, до тех пор, пока не будет завершено моделирование всех частиц.[0028] The process of simulating and calculating the acceleration of the GPU may be as follows. First, the system transfers a random number, cross-section data, or the like from the processor memory to the video memory of the GPU, then each of the plurality of processors of the GPU simulates, calculates, and counts one particle and counts the counting result in the global count; then the system determines whether there are particles that have not yet been simulated, transfers the counting result from the GPU memory to the CPU memory in response to the absence of particles that have not yet been simulated, or returns to the previous operation in response to the presence of particles that have not yet been simulated to continue simulating and counting particles that have not yet been simulated until the simulation of all particles is completed.
[0029] В соответствии с системой облучения радиоактивными лучами и способом управления системой облучения радиоактивными лучами, описанным в вариантах осуществления изобретения, задачи моделирования различных исходных частиц назначаются различным процессам или потокам, и выполняется резюмирование после завершения задачи расчета каждого из процессов или потоков для получения конечного результата расчета. Следовательно, скорость вычисления может быть значительно увеличена, а время вычисления сокращено.[0029] According to the radioactive beam irradiation system and the radioactive beam irradiation system control method described in the embodiments of the invention, the tasks of simulating different source particles are assigned to different processes or flows, and a summary is performed after the calculation task of each of the processes or flows is completed to obtain the final calculation result. Therefore, the calculation speed can be significantly increased and the calculation time can be shortened.
[0030] Пятый аспект изобретения относится к системе облучения радиоактивными лучами, включающей в себя устройство облучения пучком, модуль плана лечения и модуль управления. Устройство облучения пучком генерирует лечебный пучок и излучает лечебный пучок на облучаемое тело для формирования облучаемого участка. Модуль плана лечения выполняет моделирование и расчет дозы в соответствии с параметрами лечебного пучка и данными медицинской визуализации облучаемого участка и генерирует план лечения, при этом моделирование фотона прекращается в ответ на то, что толщина полупоглощения фотона меньше или равна первому предустановленному значению. Модуль управления управляет излучением устройства облучения пучком в соответствии с планом лечения.[0030] A fifth aspect of the invention relates to a radioactive beam irradiation system comprising a beam irradiation device, a treatment plan module and a control module. The beam irradiation device generates a therapeutic beam and radiates the therapeutic beam onto an irradiated body to form an irradiated area. The treatment plan module performs modeling and dose calculation in accordance with the parameters of the therapeutic beam and medical imaging data of the irradiated area and generates a treatment plan, wherein the photon modeling is terminated in response to the fact that the half-absorption thickness of the photon is less than or equal to a first preset value. The control module controls the radiation of the beam irradiation device in accordance with the treatment plan.
[0031] Предпочтительно система облучения радиоактивным лучом может представлять собой систему нейтронозахватной терапии, устройство облучения пучком может содержать устройство генерации нейтронов, тело формирования пучка и процедурный стол. Устройство генерации нейтронов включает в себя ускоритель и мишень, ускоритель ускоряет заряженные частицы для генерации пучка заряженных частиц, который взаимодействует с мишенью для генерации пучка нейтронов. Формирующее пучок тело выполнено с возможностью регулирования пучка нейтронов, генерируемого устройством генерации нейтронов, для обеспечения заданного качества пучка, причем пучок нейтронов, генерируемый устройством генерации нейтронов, излучается на облучаемое тело на процедурном столе посредством формирующего пучок тела.[0031] Preferably, the radioactive beam irradiation system may be a neutron capture therapy system, the beam irradiation device may comprise a neutron generation device, a beam forming body and a treatment table. The neutron generation device includes an accelerator and a target, the accelerator accelerates charged particles to generate a beam of charged particles that interacts with the target to generate a neutron beam. The beam forming body is configured to regulate the neutron beam generated by the neutron generation device to ensure a specified beam quality, wherein the neutron beam generated by the neutron generation device is radiated onto the irradiated body on the treatment table by means of the beam forming body.
[0032] В одном варианте осуществления изобретения модуль плана лечения может рассчитывать толщину t полупоглощения фотона по формуле (1-1):[0032] In one embodiment of the invention, the treatment plan module may calculate the photon half-absorption thickness t using formula (1-1):
[0033] где - линейный коэффициент затухания фотона, определяемый материалом, через который проходит фотон, и энергией фотона.[0033] where - the linear attenuation coefficient of a photon, determined by the material through which the photon passes and the energy of the photon.
[0034] Здесь первое предустановленное значение может представлять собой размер клетки, предпочтительно первое предустановленное значение может составлять 0,2 мм, при этом когда энергия фотона меньше или равна второму предустановленному значению, толщина полупоглощения фотона, соответствующая энергии фотона, меньше или равна первому предустановленному значению, причем второе предустановленное значение составляет 10 кэВ.[0034] Here, the first preset value may be a cell size, preferably the first preset value may be 0.2 mm, wherein when the photon energy is less than or equal to the second preset value, the half-absorption thickness of the photon corresponding to the photon energy is less than or equal to the first preset value, wherein the second preset value is 10 keV.
[0035] Шестой аспект изобретения относится к способу управления системой облучения радиоактивными лучами, причем система облучения пучком включает в себя устройство облучения пучком, модуль плана лечения и модуль управления. Устройство облучения пучком генерирует лечебный пучок и излучает лечебный пучок на облучаемое тело, для образования облучаемого участка. Модуль плана лечения выполняет моделирование и расчет дозы в соответствии с параметрами лечебного пучка и данными медицинской визуализации облучаемого участка, и генерирует план лечения. Модуль управления управляет излучением устройства облучения пучком в соответствии с планом лечения. Способ управления системой облучения радиоактивными лучами включает следующие операции. Моделирование фотона прекращается в ответ на то, что толщина полу поглощения фотона меньше или равна первому предустановленному значению.[0035] A sixth aspect of the invention relates to a method for controlling a radioactive beam irradiation system, wherein the beam irradiation system includes a beam irradiation device, a treatment plan module and a control module. The beam irradiation device generates a therapeutic beam and radiates the therapeutic beam onto an irradiated body to form an irradiated area. The treatment plan module performs modeling and dose calculation in accordance with the parameters of the therapeutic beam and medical imaging data of the irradiated area, and generates a treatment plan. The control module controls the radiation of the beam irradiation device in accordance with the treatment plan. The method for controlling the radioactive beam irradiation system includes the following operations. Photon modeling is terminated in response to the fact that the photon absorption half-width is less than or equal to a first preset value.
[0036] В одном варианте осуществления изобретения модуль плана лечения может рассчитывать толщину t полупоглощения фотона по формуле (1-1):[0036] In one embodiment of the invention, the treatment plan module may calculate the photon half-absorption thickness t using formula (1-1):
[0037] где - линейный коэффициент затухания фотона, определяемый материалом, через который проходит фотон, и энергией фотона.[0037] where - the linear attenuation coefficient of a photon, determined by the material through which the photon passes and the energy of the photon.
[0038] Здесь первым предустановленным значением может быть размер клетки.[0038] Here the first preset value can be the cell size.
[0039] Предпочтительно первое заданное значение может составлять 0,2 мм.[0039] Preferably, the first predetermined value may be 0.2 mm.
[0040] Когда энергия фотона меньше или равна второму предустановленному значению, толщина полупоглощения фотона, соответствующая энергии фотона, меньше или равна первому предустановленному значению.[0040] When the photon energy is less than or equal to the second preset value, the half-absorption thickness of the photon corresponding to the photon energy is less than or equal to the first preset value.
[0041] Предпочтительно второе предустановленное значение может составлять 10 кэВ.[0041] Preferably, the second preset value may be 10 keV.
[0042] В соответствии с системой облучения радиоактивными лучами и способом управления системой облучения радиоактивными лучами, описанными в вариантах осуществления изобретения, моделирование фотона прекращают в ответ на то, что толщина полупоглощения фотона меньше или равна первому предустановленному значению. Таким образом, время расчета может быть сокращено при условии обеспечения точности расчета.[0042] According to the radioactive beam irradiation system and the radioactive beam irradiation system control method described in the embodiments of the invention, the photon simulation is stopped in response to the fact that the half-absorption thickness of the photon is less than or equal to a first preset value. In this way, the calculation time can be shortened while ensuring the calculation accuracy.
[0043] Седьмой аспект изобретения относится к системе облучения радиоактивными лучами, включающей в себя устройство облучения пучком, модуль плана лечения и модуль управления. Устройство облучения пучком генерирует лечебный пучок и излучает лечебный пучок на облучаемое тело для формирования облучаемого участка. Модуль плана лечения выполняет моделирование и расчет дозы в соответствии с параметрами лечебного пучка и данными медицинской визуализации облучаемого участка и генерирует план лечения, при этом модуль плана лечения моделирует частицы, используя уменьшение дисперсии. Модуль управления управляет излучением устройства облучения пучком в соответствии с планом лечения.[0043] A seventh aspect of the invention relates to a radioactive ray irradiation system comprising a beam irradiation device, a treatment plan module and a control module. The beam irradiation device generates a therapeutic beam and irradiates the therapeutic beam onto an irradiated body to form an irradiated area. The treatment plan module performs modeling and dose calculation in accordance with the parameters of the therapeutic beam and medical imaging data of the irradiated area and generates a treatment plan, wherein the treatment plan module models particles using dispersion reduction. The control module controls the radiation of the beam irradiation device in accordance with the treatment plan.
[0044] При этом уменьшение дисперсии может включать в себя поглощение уменьшением веса, игру весового окна и ставку на расщепление. Предпочтительно система облучения радиоактивным лучом может представлять собой систему нейтронозахватной терапии, устройство облучения пучком может содержать устройство генерации нейтронов, тело формирования пучка и процедурный стол. Устройство генерации нейтронов включает в себя ускоритель и мишень, ускоритель ускоряет заряженные частицы для генерации пучка нейтронов, который взаимодействует с мишенью для генерации пучка нейтронов. Устройство генерации нейтронов включает в себя ускоритель и мишень, ускоритель ускоряет заряженные частицы для генерации пучка нейтронов, который взаимодействует с мишенью для генерации пучка нейтронов. Формирующее пучок тело выполнено с возможностью регулирования пучка нейтронов, генерируемого устройством генерации нейтронов, для обеспечения предустановленного качества пучка, причем пучок нейтронов, генерируемый устройством генерации нейтронов, излучается на облучаемое тело на процедурном столе посредством формирующего пучок тела.[0044] In this case, the dispersion reduction may include absorption by weight reduction, weight window play and splitting bet. Preferably, the radioactive beam irradiation system may be a neutron capture therapy system, the beam irradiation device may comprise a neutron generation device, a beam forming body and a treatment table. The neutron generation device includes an accelerator and a target, the accelerator accelerates charged particles to generate a neutron beam that interacts with the target to generate a neutron beam. The neutron generation device includes an accelerator and a target, the accelerator accelerates charged particles to generate a neutron beam that interacts with the target to generate a neutron beam. The beam-forming body is designed with the possibility of regulating the neutron beam generated by the neutron generation device to ensure a preset beam quality, wherein the neutron beam generated by the neutron generation device is radiated onto the irradiated body on the treatment table by means of the beam-forming body.
[0045] Восьмой аспект изобретения относится к способу управления системой облучения радиоактивными лучами, при этом система облучения пучком включает в себя устройство облучения пучком, модуль плана лечения и модуль управления. Устройство облучения пучком генерирует лечебный пучок и излучает лечебный пучок на облучаемое тело, для образования облучаемого участка. Модуль плана лечения выполняет моделирование и расчет дозы в соответствии с параметрами лечебного пучка и данными медицинской визуализации облучаемого участка, и генерирует план лечения. Модуль управления управляет излучением устройства облучения пучком в соответствии с планом лечения. Способ управления системой облучения радиоактивными лучами включает следующие операции. Модуль плана лечения моделирует частицы, используя уменьшение дисперсии.[0045] An eighth aspect of the invention relates to a method for controlling a radioactive beam irradiation system, wherein the beam irradiation system includes a beam irradiation device, a treatment plan module and a control module. The beam irradiation device generates a therapeutic beam and irradiates the therapeutic beam onto an irradiated body to form an irradiated area. The treatment plan module performs modeling and dose calculation in accordance with the parameters of the therapeutic beam and medical imaging data of the irradiated area, and generates a treatment plan. The control module controls the radiation of the beam irradiation device in accordance with the treatment plan. The method for controlling a radioactive beam irradiation system includes the following operations. The treatment plan module models particles using dispersion reduction.
[0046] При этом уменьшение дисперсии может включать в себя поглощение уменьшением веса, игру в весовое окно и ставку на расщепление. Операция моделирования частиц с использованием уменьшения дисперсии может включать в себя следующие операции с S1 по S9. В операции S1 получают исходную частицу. В операции S2 определяют, сталкивается ли частица в элементе решетки, и последовательно выполняют операции S3 и S4 в случае столкновения, в противном случае последовательно выполняют операции S5 и S6. В операции S3 выполняется поглощение уменьшением веса. В операции S4 определяют, является ли вес меньшим, чем весовое окно, и выполняют операцию S7 в ответ на то, что вес меньше, чем весовое окно, в противном случае процесс возвращается к операции S2.B операции S5 выполняется ставка на расщепление. В операции S6 определяют, выполняется ли ставка, и выполняется операция S7 в ответ на выполнение ставки, в противном случае процесс возвращается к операции S2. В операции S7 определяют, имеется ли мертвая ставка, и выполняют операцию S8 в ответ на наличие мертвой ставки, в противном случае выполняют операцию S9, после чего процесс возвращается к операции S2. В операции S8 определяют, завершена ли обработка частиц, и завершают процесс в ответ на обработку завершаемых частиц, в противном случае процесс возвращается к операции S1. В операции S9 вес делится на вероятность мертвой ставки.[0046] In this case, the variance reduction may include absorption by weight reduction, a weight window game, and a split bet. The particle simulation operation using the variance reduction may include the following operations S1 to S9. In operation S1, an initial particle is obtained. In operation S2, it is determined whether the particle collides with a lattice element, and operations S3 and S4 are successively performed in the case of a collision, otherwise operations S5 and S6 are successively performed. In operation S3, absorption by weight reduction is performed. In operation S4, it is determined whether the weight is less than the weight window, and operation S7 is performed in response to the fact that the weight is less than the weight window, otherwise the process returns to operation S2. In operation S5, a split bet is performed. In operation S6, it is determined whether the bet is made, and operation S7 is performed in response to the bet being made, otherwise the process returns to operation S2. In operation S7, it is determined whether there is a dead bet, and operation S8 is performed in response to the presence of a dead bet, otherwise operation S9 is performed, after which the process returns to operation S2. In operation S8, it is determined whether the processing of particles is completed, and the process is terminated in response to the processing of particles being completed, otherwise the process returns to operation S1. In operation S9, the weight is divided by the probability of a dead bet.
[0047] При этом ставка на расщепление может включать в себя следующие операции с S1 по S9. В операции S1 рассчитывается и регистрируется важность клеточного размера каждой клетки. В операции S2 получают частицы. В операции S3 на частице выполняется проверка весового окна и операция. В операции S4 рассчитывают важность сеточного пространства In и In+1 до и после того, как частица перекрывает границу сетки. В операции S5 выполняется сравнение, чтобы определить, больше ли In, чем In+1, и выполняется операция S6, после чего процесс возвращается к операции S3 в ответ на то, что In не больше In+1, в противном случае выполняется операция S7. В операции S6 частица расщепляется, и уменьшается вес частицы. В операции S7 определяется, имеется ли мертвая ставка для частицы, и операция S9 выполняется в ответ на определение, что мертвая ставка для частицы имеется, в противном случае выполняется операция S8, после чего процесс возвращается к операции S3. В операции S8 вес частицы увеличивается. В операции S9 определяют, завершено ли моделирование частиц, и процесс возвращается к операции S2 в ответ на определение, что моделирование частиц не завершено, в противном случае процесс завершается.[0047] In this case, the splitting bet may include the following operations S1 through S9. In operation S1, the importance of the cell size of each cell is calculated and recorded. In operation S2, particles are obtained. In operation S3, a weight window check is performed on the particle and an operation is performed. In operation S4, the importance of the grid space I n and I n+1 is calculated before and after the particle overlaps the grid boundary. In operation S5, a comparison is performed to determine whether I n is greater than I n+1 , and operation S6 is performed, after which the process returns to operation S3 in response to the fact that I n is not greater than I n+1 , otherwise operation S7 is performed. In operation S6, the particle is split, and the weight of the particle is decreased. In operation S7, a determination is made whether there is a dead bet for the particle, and operation S9 is performed in response to the determination that there is a dead bet for the particle, otherwise operation S8 is performed, after which the process returns to operation S3. In operation S8, the weight of the particle is increased. In operation S9, it is determined whether the particle simulation is completed, and the process returns to operation S2 in response to a determination that the particle simulation is not completed, otherwise the process is terminated.
[0048] При этом поглощением уменьшением веса может включать в себя следующие операции S1-S7. В операции S1 получают частицы. В операции S2 определяют, сталкивается ли частица в элементе решетки, и выполняют операцию S3 в случае столкновения, в противном случае процесс возвращается к операции S1. В операции S3 вес умножается на вероятность возникновения рассеяния. В операции S4 определяют, меньше ли вес частицы, чем наименьший вес, и операцию S5 выполняют ответ на то, что вес меньше, чем наименьший вес, в противном случае процесс возвращается к операции S2. В операции S5 определяют, имеется ли для частицы мертвая ставка, и выполняют операцию S7 в ответ на наличие мертвой ставки для частицы, в противном случае выполняют операцию S6, после чего процесс возвращается к операции S2. В операции S6 вес делится на вероятность мертвой ставки. В операции S7 определяют, завершено ли моделирование частиц, и процесс возвращается к операции S1 в ответ на определение, что моделирование частиц не завершено, в противном случае процесс завершается.[0048] In this case, the absorption by weight reduction may include the following operations S1-S7. In operation S1, particles are obtained. In operation S2, it is determined whether the particle collides with the lattice element, and operation S3 is performed in the case of a collision, otherwise the process returns to operation S1. In operation S3, the weight is multiplied by the probability of occurrence of scattering. In operation S4, it is determined whether the weight of the particle is less than the smallest weight, and operation S5 is performed in response to the fact that the weight is less than the smallest weight, otherwise the process returns to operation S2. In operation S5, it is determined whether there is a dead bet for the particle, and operation S7 is performed in response to the presence of a dead bet for the particle, otherwise operation S6 is performed, after which the process returns to operation S2. In operation S6, the weight is divided by the probability of a dead bet. In operation S7, it is determined whether the modeling of the particles is complete, and the process returns to operation S1 in response to determining that the modeling of the particles is not complete, otherwise the process is terminated.
[0049] При этом игра в весовое окно может включать в себя следующие операции S1-S6. В операции S1 моделируют движение частиц. В операции S2 определяют, попадает ли вес частицы в диапазон весового окна, и процесс возвращается к операции S1 в ответ на попадание веса частицы в диапазон весового окна, в противном случае выполняется операция S3. В операции S3 определяют, является ли вес большим, чем весовое окно, выполняют операцию S4, после чего процесс возвращается к операции S1 в ответ на то, что вес больше, чем весовое окно, в противном случае выполняют операцию S5. В операции S4 частица расщепляется, и вес уменьшается. В операции S5 определяют, имеется ли мертвая ставка, и процесс завершается в ответ на наличие мертвой ставки, в противном случае выполняется операция S6, после чего процесс возвращается к операции S1. В операции S6 вес частицы увеличивается.[0049] In this case, the weight window game may include the following operations S1-S6. In operation S1, the movement of particles is simulated. In operation S2, it is determined whether the weight of the particle falls within the range of the weight window, and the process returns to operation S1 in response to the weight of the particle falling within the range of the weight window, otherwise, operation S3 is performed. In operation S3, it is determined whether the weight is greater than the weight window, operation S4 is performed, after which the process returns to operation S1 in response to the fact that the weight is greater than the weight window, otherwise, operation S5 is performed. In operation S4, the particle is split and the weight is reduced. In operation S5, it is determined whether there is a dead bet, and the process is terminated in response to the presence of a dead bet, otherwise, operation S6 is performed, after which the process returns to operation S1. In operation S6, the weight of the particle is increased.
[0050] В одном варианте осуществления изобретения важность сеточного пространства может быть получена путем решения сопутствующего уравнения транспортировки, которое имеет следующий вид:[0050] In one embodiment of the invention, the importance of the grid space can be obtained by solving the accompanying transport equation, which is as follows:
[0051] где - сопровождающий поток, - сопровождающий источник, скорость движения частицы, - направление движения частицы, - поперечное сечение реакции частицы, сталкивающейся с веществом, - поперечное сечение рассеяния, r - положение частицы, Е - энергия частицы, t - время.[0051] where - accompanying flow, - accompanying source, speed of particle movement, - direction of particle movement, - the cross section of the reaction of a particle colliding with a substance, - scattering cross-section, r - particle position, E - particle energy, t - time.
[0052] В частности, частица может перемещаться из сетки с важностью сеточного пространства в сетку с важностью сеточного пространства сетки при этом когда задано частица расщепляется на m частиц, вес каждой из частиц уменьшается до 1/т исходного веса; когда на частице выполняется техника ставки, установлен, случайное число х отбирается между 0 и 1, и когда х меньше Р, частица сохраняется, и вес умножается на 1/Р, в противном случае для частицы предусмотрена мертвая ставка, и моделирование частицы прекращается.[0052] In particular, a particle can move out of a grid with grid space importance into the grid with the importance of grid space in this case when given the particle splits into m particles, the weight of each particle decreases to 1/t of the original weight; when the betting technique is performed on the particle, is set, a random number x is selected between 0 and 1, and when x is less than P, the particle is saved and the weight is multiplied by 1/P, otherwise a dead rate is provided for the particle and the particle simulation is terminated.
[0053] В других вариантах осуществления изобретения вес частицы может иметь верхний предел 10 и нижний предел 0,25, причем когда вес w частицы больше 10, целая часть w устанавливается равной w1, десятичная часть w устанавливается равной w2, случайное число х выбирается между 0 и 1, w = w1 + 1 устанавливается, когда х меньше w2, и w = w1 устанавливается, когда х больше w2. Затем частица расщепляется на w частиц для моделирования до тех пор, пока вес каждой из частиц не уменьшится до 1.[0053] In other embodiments of the invention, the weight of a particle may have an upper limit of 10 and a lower limit of 0.25, wherein when the weight w of the particle is greater than 10, the integer part of w is set equal to w1, the decimal part of w is set equal to w2, a random number x is selected between 0 and 1, w = w1 + 1 is set when x is less than w2, and w = w1 is set when x is greater than w2. The particle is then split into w particles for simulation until the weight of each of the particles decreases to 1.
[0054] В соответствии с системой облучения радиоактивными лучами и способом управления системой облучения радиоактивными лучами, описанными в вариантах осуществления изобретения, частицы моделируются с использованием уменьшения дисперсии. Таким образом, время расчета может быть сокращено при условии обеспечения точности расчета.[0054] According to the radioactive beam irradiation system and the method for controlling the radioactive beam irradiation system described in the embodiments of the invention, particles are modeled using dispersion reduction. Thus, the calculation time can be reduced while ensuring the calculation accuracy.
[0055] Девятый аспект изобретения относится к системе облучения радиоактивными лучами, включающей в себя устройство облучения пучком, модуль плана лечения и модуль управления. Устройство облучения пучком генерирует лечебный пучок и излучает лечебный пучок на облучаемое тело для формирования облучаемого участка. Модуль плана лечения выполняет моделирование и расчет дозы в соответствии с параметрами лечебного пучка и данными медицинской визуализации облучаемого участка и генерирует план лечения, причем модуль плана лечения выполняет моделирование и расчет с использованием неоднородных сеток. Модуль управления управляет излучением устройства облучения пучком в соответствии с планом лечения.[0055] A ninth aspect of the invention relates to a radioactive beam irradiation system comprising a beam irradiation device, a treatment plan module and a control module. The beam irradiation device generates a therapeutic beam and radiates the therapeutic beam onto an irradiated body to form an irradiated area. The treatment plan module performs modeling and dose calculation in accordance with the parameters of the therapeutic beam and medical imaging data of the irradiated area and generates a treatment plan, wherein the treatment plan module performs modeling and calculation using non-uniform grids. The control module controls the radiation of the beam irradiation device in accordance with the treatment plan.
[0056] При этом размер клетки важной области может быть установлен модулем плана лечения меньшим, чем размер клетки неважной области.[0056] In this case, the cell size of the important region may be set by the treatment plan module to be smaller than the cell size of the unimportant region.
[0057] При этом размер сетки области, где расположена опухоль, может быть установлен модулем плана лечения меньшим или равным 0,4 мм.[0057] In this case, the grid size of the area where the tumor is located can be set by the treatment plan module to be less than or equal to 0.4 mm.
[0058] При этом размер сетки области, в которой расположено каждое из крови, воздуха и кости, может быть установлен модулем плана лечения большим или равным 1,6 мм.[0058] In this case, the grid size of the region in which each of blood, air and bone is located can be set by the treatment plan module to be greater than or equal to 1.6 mm.
[0059] При этом размер сетки области, где расположена нормальная мышца, может быть установлен модулем плана лечения большим 0,8 мм и меньшим 1,6 мм.[0059] In this case, the mesh size of the area where the normal muscle is located can be set by the treatment plan module to be larger than 0.8 mm and smaller than 1.6 mm.
[0060] Предпочтительно система облучения радиоактивными лучами может представлять собой систему нейтронозахватной терапии, устройство облучения пучком может содержать устройство генерации нейтронов, тело формирования пучка и процедурный стол. Устройство генерации нейтронов включает в себя ускоритель и мишень, причем ускоритель ускоряет заряженные частицы для генерации пучка нейтронов, который взаимодействует с мишенью для генерации пучка нейтронов. Формирующее пучок тело выполнено с возможностью регулирования пучка нейтронов, генерируемого устройством генерации нейтронов, для обеспечения заданного качества пучка, причем пучок нейтронов, генерируемый устройством генерации нейтронов, излучается на облучаемое тело на процедурном столе посредством формирующего пучок тела.[0060] Preferably, the radioactive beam irradiation system may be a neutron capture therapy system, the beam irradiation device may comprise a neutron generation device, a beam forming body and a treatment table. The neutron generation device includes an accelerator and a target, wherein the accelerator accelerates charged particles to generate a neutron beam that interacts with the target to generate a neutron beam. The beam forming body is configured to regulate the neutron beam generated by the neutron generation device to ensure a specified beam quality, wherein the neutron beam generated by the neutron generation device is radiated onto the irradiated body on the treatment table by means of the beam forming body.
[0061] Десятый аспект изобретения относится к способу управления системой облучения радиоактивными лучами, причем система облучения пучком включает в себя устройство облучения пучком, модуль плана лечения и модуль управления. Устройство облучения пучком генерирует лечебный пучок и излучает лечебный пучок на облучаемое тело, для образования облучаемого участка. Модуль плана лечения выполняет моделирование и расчет дозы в соответствии с параметрами лечебного пучка и данными медицинской визуализации облучаемого участка, и генерирует план лечения. Модуль управления управляет излучением устройства облучения пучком в соответствии с планом лечения. Способ управления системой облучения радиоактивными лучами включает следующие операции. Модуль плана лечения выполняет моделирование и расчет с использованием неоднородных сеток.[0061] The tenth aspect of the invention relates to a method for controlling a radioactive beam irradiation system, wherein the beam irradiation system includes a beam irradiation device, a treatment plan module and a control module. The beam irradiation device generates a therapeutic beam and irradiates the therapeutic beam onto an irradiated body to form an irradiated area. The treatment plan module performs modeling and dose calculation in accordance with the parameters of the therapeutic beam and medical imaging data of the irradiated area, and generates a treatment plan. The control module controls the radiation of the beam irradiation device in accordance with the treatment plan. The method for controlling a radioactive beam irradiation system includes the following operations. The treatment plan module performs modeling and calculation using non-uniform grids.
[0062] В другом варианте осуществления изобретения способ управления системой облучения радиоактивными лучами может дополнительно включать следующие операции. Модуль плана лечения устанавливает размер клетки важной области меньшим, чем размера клетки неважной области.[0062] In another embodiment of the invention, the method for controlling the radiation irradiation system may further include the following operations. The treatment plan module sets the cell size of the important region to be smaller than the cell size of the unimportant region.
[0063] Способ управления системой облучения радиоактивными лучами может дополнительно включать следующие операции. Модуль плана лечения устанавливает размер сетки области, в которой расположена опухоль, меньшим или равным 0,4 мм.[0063] The method for controlling a radioactive irradiation system may further include the following operations. The treatment plan module sets the grid size of the region in which the tumor is located to be less than or equal to 0.4 mm.
[0064] Способ управления системой облучения радиоактивными лучами может дополнительно включать следующие операции. Модуль плана лечения устанавливает размер сетки области, где расположено каждое из крови, воздуха и кости, большим или равным 1,6 мм, и устанавливает размер сетки области, где расположена нормальная мышца, большим, чем 0,8 мм и меньшим, чем 1,6 мм.[0064] The method for controlling a radioactive ray irradiation system may further include the following operations. The treatment plan module sets the grid size of the region where each of blood, air, and bone is located to be greater than or equal to 1.6 mm, and sets the grid size of the region where normal muscle is located to be greater than 0.8 mm and less than 1.6 mm.
[0065] В соответствии с системой облучения радиоактивными лучами и способом управления системой облучения радиоактивными лучами, описанными в вариантах осуществления изобретения, моделирование и расчет выполняются с использованием неоднородных сеток. Следовательно, точность расчета важной области может быть улучшена без значительного увеличения времени расчета, причем время расчета сокращается в случае, если достигнута точность вычисления неважной области.[0065] According to the radioactive beam irradiation system and the radioactive beam irradiation system control method described in the embodiments of the invention, the modeling and calculation are performed using non-uniform grids. Therefore, the calculation accuracy of the important region can be improved without significantly increasing the calculation time, and the calculation time is reduced in the case where the calculation accuracy of the unimportant region is achieved.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
[0066] Фиг. 1 - схематическая модульная схема системы BNCT в соответствии с вариантом осуществления изобретения.[0066] Fig. 1 is a schematic modular diagram of a BNCT system according to an embodiment of the invention.
[0067] Фиг. 2 - схематическая структурная схема системы BNCT в соответствии с вариантом осуществления изобретения.[0067] Fig. 2 is a schematic block diagram of a BNCT system according to an embodiment of the invention.
[0068] Фиг. 3 - блок-схема вычислений параллелизма процесса и параллелизма потока CPU в соответствии с вариантом осуществления изобретения.[0068] Fig. 3 is a block diagram of the computation of process parallelism and CPU thread parallelism in accordance with an embodiment of the invention.
[0069] Фиг. 4 - блок-схема моделирования и вычисления ускорения GPU в соответствии с вариантом осуществления изобретения.[0069] Fig. 4 is a block diagram of GPU acceleration modeling and computation in accordance with an embodiment of the invention.
[0070] Фиг. 5 - блок-схема моделирования частиц с использованием техники уменьшения дисперсии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.[0070] Fig. 5 is a block diagram of particle modeling using a dispersion reduction technique in accordance with an embodiment of the invention.
[0071] Фиг. 6 - блок-схема ставки на расщепление в соответствии с вариантом осуществления изобретения.[0071] Fig. 6 is a block diagram of a split bet in accordance with an embodiment of the invention.
[0072] Фиг. 7 - блок-схема поглощения уменьшением веса в соответствии с вариантом осуществления изобретения.[0072] Fig. 7 is a block diagram of weight loss absorption in accordance with an embodiment of the invention.
[0073] Фиг. 8 - блок-схема игры весового окна в соответствии с вариантом осуществления изобретения.[0073] Fig. 8 is a block diagram of a weight window game according to an embodiment of the invention.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION
[0074] Варианты осуществления изобретения будут дополнительно подробно описаны ниже со ссылками на чертежи, чтобы позволить специалисту в данной области техники реализовать эти варианты со ссылкой на текст описания.[0074] Embodiments of the invention will be further described in detail below with reference to the drawings to enable a person skilled in the art to implement these embodiments with reference to the text of the description.
[0075] Применение нейтронозахватной терапии в качестве эффективного средства лечения рака постепенно возрастает в последние годы, при этом наиболее часто наблюдается BNCT, а нейтроны, поставляемые в BNCT, могут поставляться ядерным реактором или ускорителем. В BNCT две сильно заряженные частицы 4Не и 7Li получают с использованием характеристики препарата, содержащего бор (10В), имеющего высокое сечение захвата для теплового нейтрона, и посредством захвата нейтрона 10В (n, α) 7Li и реакции ядерного деления. Эти две сильно заряженные частицы имеют среднюю энергию около 2,33 МэВ и обладают характеристиками высокой линейной передачи энергии (LET) и короткого диапазона. LET и диапазон α-частиц составляют 150 кэВ/мкм и 8 мкм соответственно, LET и диапазон сильно заряженной частицы 7Li составляют 175 кэВ/мкм и 5 мкм соответственно, при этом две частицы имеют общий диапазон, приблизительно эквивалентный размеру клетки, так что радиационное повреждение организма может быть ограничено клеточным уровнем. Когда борсодержащее лекарственное средство селективно агрегируется в опухолевой клетке, цель точного уничтожения опухолевой клетки может быть достигнута при условии отсутствия слишком большого повреждения нормальных тканей в сочетании с подходящим источником нейтронного излучения.[0075] The application of neutron capture therapy as an effective cancer treatment has been gradually increasing in recent years, with BNCT being the most frequently observed, and the neutrons supplied in BNCT can be supplied by a nuclear reactor or accelerator. In BNCT, two highly charged particles of 4 He and 7 Li are produced by using the characteristic of a boron-containing drug ( 10 B) having a high capture cross section for a thermal neutron, and by capturing a neutron of 10 B (n, α) 7 Li and undergoing a nuclear fission reaction. These two highly charged particles have an average energy of about 2.33 MeV and have the characteristics of high linear energy transfer (LET) and short range. LET and the range of α particles are 150 keV/μm and 8 μm, respectively, LET and the range of the highly charged particle 7 Li are 175 keV/μm and 5 μm, respectively, and the two particles have a total range approximately equivalent to the cell size, so that the radiation damage to the body can be limited to the cellular level. When the boron-containing drug is selectively aggregated in the tumor cell, the goal of precisely killing the tumor cell can be achieved under the condition of not causing too much damage to normal tissues in combination with a suitable neutron radiation source.
[0076] Независимо от того, происходит источник нейтронов BNCT от ядерного реактора или ядерной реакции заряженных частиц с мишенью, создается смешанное поле излучения, то есть пучок содержит нейтроны и фотоны от низкой энергии до высокой энергии. Для BNCT опухоли в глубоком положении, чем больше содержимое остальных лучей излучения, кроме надтепловых нейтронов, тем больше доля неселективного осаждения дозы в нормальных тканях, поэтому радиационное индуцирование излишнего осаждения дозы должно быть максимально уменьшено. Для лучшего понимания распределения дозы нейтронов в теле человека, в дополнение к коэффициенту качества пучка воздуха, протез ткани головы человека используется для расчета распределения дозы в вариантах осуществления изобретения, и коэффициент качества пучка протеза используется в качестве эталона для создания пучка нейтронов.[0076] Regardless of whether the BNCT neutron source is from a nuclear reactor or a nuclear reaction of charged particles with a target, a mixed radiation field is created, that is, the beam contains neutrons and photons from low energy to high energy. For BNCT of a tumor in a deep position, the greater the content of other radiation beams except for epithermal neutrons, the greater the proportion of non-selective dose deposition in normal tissues, so the radiation induction of excess dose deposition should be minimized. In order to better understand the neutron dose distribution in the human body, in addition to the air beam quality factor, a human head tissue prosthesis is used to calculate the dose distribution in embodiments of the invention, and the beam quality factor of the prosthesis is used as a reference for creating a neutron beam.
[0077] Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) дает пять рекомендаций по коэффициенту качества пучка воздуха источника нейтронов, используемого клиническим BNCT. Пять рекомендаций позволяют сравнивать преимущества и недостатки различных источников нейтронов и служить в качестве справочного материала для выбора пути генерации нейтронов и проектирования тела формирования пучка. Пять рекомендаций выглядят следующим образом:[0077] The International Atomic Energy Agency (IAEA) makes five recommendations on the air beam quality factor of the neutron source used in clinical BNCT. The five recommendations allow the advantages and disadvantages of different neutron sources to be compared and serve as a reference for the selection of the neutron generation path and the design of the beam shaping body. The five recommendations are as follows:
[0078] Поток надтепловых нейтронов >1 х 109 н/см2 с[0078] Epithermal neutron flux >1 x 10 9 n/cm 2 s
[0079] Загрязнение быстрыми нейтронами <2 х 10-13 Гр-см2/ н[0079] Fast neutron contamination <2 x 10 -13 Gy- cm2 /n
[0080] Загрязнение фотонами <2 х 10-13 Гр-см2/ н[0080] Photon pollution <2 x 10 -13 Gy- cm2 /n
[0081] Отношение потока тепловых и надтепловых нейтронов <0,05[0081] Thermal to epithermal neutron flux ratio <0.05
[0082] Отношение тока надтепловых нейтронов к потоку >0,7[0082] Ratio of epithermal neutron current to flux >0.7
[0083] Примечание: надтепловой нейтрон имеет энергетическую область между 0,5 эВ и 40 кэВ, тепловой нейтрон имеет энергетическую область менее 0,5 эВ, а быстрый нейтрон имеет энергетическую область более 40 кэВ.[0083] Note: An epithermal neutron has an energy region between 0.5 eV and 40 keV, a thermal neutron has an energy region less than 0.5 eV, and a fast neutron has an energy region greater than 40 keV.
[0084] Как показано на фиг.1, система облучения радиоактивными лучами в этом варианте осуществления изобретения представляет собой систему 100 BNCT и включает в себя устройство 10 облучения пучком нейтронов, модуль 20 плана лечения и модуль 30 управления. Устройство 10 облучения нейтронным пучком генерирует лечебный пучок N нейтронов и излучает лечебный пучок N нейтронов на облучаемое тело 200, для образования облучаемого участка. Модуль 20 плана лечения выполняет моделирование и расчет дозы в соответствии с параметрами лечебного пучка N нейтронов, генерируемого устройством 10 облучения пучком нейтронов, и данными медицинского изображения облучаемого участка и генерирует план лечения, который определяет положение облучаемого участка относительно устройства 10 облучения пучком нейтронов во время лечения облучением и соответствующее время облучения. После того, как облучаемое тело 200 расположено в соответствии с положением, определенным планом лечения, может быть начато лечение, модуль 30 управления выводит текущий план лечения, соответствующий облучаемому телу 200, из модуля 20 плана лечения, и управляет излучением устройства 10 облучения пучком нейтронов в соответствии с планом лечения. Модуль 30 управления также может принимать другую информацию данных, такую как данные устройства 10 облучения пучком нейтронов, данные облучаемого тела 200 или тому подобное[0084] As shown in Fig. 1, the radioactive ray irradiation system in this embodiment of the invention is a BNCT system 100 and includes a neutron beam irradiation device 10, a treatment plan module 20 and a control module 30. The neutron beam irradiation device 10 generates a therapeutic beam of N neutrons and irradiates the therapeutic beam of N neutrons onto an irradiated body 200 to form an irradiated region. The treatment plan module 20 performs modeling and dose calculation according to the parameters of the therapeutic beam of N neutrons generated by the neutron beam irradiation device 10 and the medical image data of the irradiated region, and generates a treatment plan that determines the position of the irradiated region relative to the neutron beam irradiation device 10 during the irradiation treatment and the corresponding irradiation time. After the irradiated body 200 is positioned in accordance with the position determined by the treatment plan, the treatment can be started, the control unit 30 outputs the current treatment plan corresponding to the irradiated body 200 from the treatment plan unit 20, and controls the radiation of the neutron beam irradiation device 10 in accordance with the treatment plan. The control unit 30 can also receive other data information, such as data of the neutron beam irradiation device 10, data of the irradiated body 200, or the like.
[0085] Как показано на фиг.2, в этом варианте осуществления изобретения устройство 10 облучения пучком нейтронов содержит устройство 11 генерации нейтронов, тело 12 формирования пучка, коллиматор 13 и процедурный стол 14. Устройство 11 генерации нейтронов содержит ускоритель 111 и мишень Т, ускоритель 111 ускоряет заряженные частицы (такие как протоны, дейтериевые ядра и т.п.) для генерации пучка Р заряженных частиц, такого как пучок протонов, причем пучок Р заряженных частиц излучается на мишень Т и взаимодействует с мишенью Т для генерации пучка нейтронов (пучка нейтронов) N. Предпочтительно мишень Т является металлической мишенью. Соответствующая ядерная реакция выбирается в соответствии с такими характеристиками, как требуемый выход и энергия нейтронов, доступные энергии ускоренных заряженных частиц, текущие, физические и химические свойства металлической мишени и тому подобное. Ядерные реакции, как обычно обсуждается, включают 7Li (р, n) 7Ве и 9Ве (р, n) 9В, обе из которых являются эндотермическими реакциями и имеют энергетические пороги 1,881 МэВ и 2,055 МэВ соответственно. Идеальным источником нейтронов для BNCT является надтепловой нейтрон на энергетическом уровне кэВ, при этом теоретически, когда протоны с энергиями только немного выше порогового значения используются для бомбардировки металлической литиевой мишени, могут генерироваться нейтроны с относительно низкими энергиями для клинического применения, не слишком замедляя лечение. Однако сечения протонной реакции металлических мишеней лития (Li) и бериллия (Be) с пороговой энергией не высоки, поэтому для инициирования ядерной реакции обычно выбираются протоны с более высокими энергиями, чтобы генерировать достаточно большой поток нейтронов. Идеальная цель должна иметь высокий выход нейтронов, распределение генерируемой нейтронной энергии близко к области энергии надтепловых нейтронов (это будет подробно описано ниже), отсутствует слишком сильное проникающее излучение, и имеются такие характеристики, как безопасность, дешевизна, простота в эксплуатации, устойчивость к высокой температуре, или тому подобное. Однако ядерные реакции, которые отвечают всем требованиям, на самом деле не могут быть найдены, и мишень из металла Li используется в вариантах осуществления изобретения. Однако специалисту в данной области техники хорошо известно, что мишень Т также может быть изготовлена из металлического материала, отличного от Li и Be, например, мишень Т может быть образована танталом (Та), вольфрамом (W) и т.п. Мишень Т может иметь форму круглой пластины или другую твердую форму, или же может использовать жидкость (жидкий металл). Ускоритель 111 может быть линейным ускорителем, циклотроном, синхротроном, синхроциклотроном, а устройство генерации нейтронов 11 также может быть ядерным реактором без использования ускорителя и мишени. Независимо от того, происходит источник нейтронов BNCT от ядерного реактора или ядерной реакции заряженных частиц ускорителя с мишенью, на самом деле создается смешанное поле излучения, то есть пучок содержит нейтроны и фотоны от низкой энергии до высокой энергии. Для BNCT опухоли в глубоком положении, чем больше содержимое остальных лучей излучения, кроме надтепловых нейтронов, тем больше доля неселективного осаждения дозы в нормальных тканях, поэтому радиационное индуцирование излишнего осаждения дозы должно быть максимально уменьшено. При этом для нормальных тканей облучаемого тела должно быть предотвращено слишком много видов лучей облучения, что также вызывает излишнее отложение дозы.[0085] As shown in Fig. 2, in this embodiment of the invention, the neutron beam irradiation device 10 comprises a neutron generation device 11, a beam forming body 12, a collimator 13 and a treatment table 14. The neutron generation device 11 comprises an accelerator 111 and a target T, the accelerator 111 accelerates charged particles (such as protons, deuterium nuclei, etc.) to generate a charged particle beam P, such as a proton beam, wherein the charged particle beam P is radiated onto the target T and interacts with the target T to generate a neutron beam (neutron beam) N. Preferably, the target T is a metal target. The appropriate nuclear reaction is selected according to characteristics such as the desired neutron yield and energy, available energies of accelerated charged particles, current, physical and chemical properties of the metal target, etc. Nuclear reactions commonly discussed include 7Li (p,n) 7Be and 9Be (p,n)9B, both of which are endothermic reactions and have energy thresholds of 1.881 MeV and 2.055 MeV, respectively. The ideal neutron source for BNCT is the epithermal neutron at the keV energy level, whereby, theoretically, when protons with energies just above the threshold are used to bombard a lithium metal target, relatively low energy neutrons for clinical use can be generated without slowing down the treatment too much. However, the proton reaction cross sections of lithium (Li) and beryllium (Be) metal targets with a threshold energy are not high, so protons with higher energies are usually selected to initiate a nuclear reaction in order to generate a sufficiently large neutron flux. An ideal target should have a high neutron yield, the distribution of the generated neutron energy is close to the energy region of epithermal neutrons (this will be described in detail below), there is no too strong penetrating radiation, and there are characteristics such as safety, low cost, ease of operation, resistance to high temperature, or the like. However, nuclear reactions that meet all the requirements cannot actually be found, and a Li metal target is used in the embodiments of the invention. However, it is well known to a person skilled in the art that the target T can also be made of a metal material other than Li and Be, for example, the target T can be formed by tantalum (Ta), tungsten (W), etc. The target T may be a round plate or other solid shape, or may use a liquid (liquid metal). The accelerator 111 may be a linear accelerator, cyclotron, synchrotron, synchrocyclotron, and the neutron generation device 11 may also be a nuclear reactor without using an accelerator and a target. Regardless of whether the neutron source of BNCT is from a nuclear reactor or a nuclear reaction of charged particles of the accelerator with the target, in fact, a mixed radiation field is generated, that is, the beam contains neutrons and photons from low energy to high energy. For BNCT of a tumor in a deep position, the larger the content of other radiation beams except epithermal neutrons, the greater the proportion of non-selective dose deposition in normal tissues, so the radiation induction of excess dose deposition should be reduced as much as possible. At the same time, too many types of radiation rays must be prevented from reaching the normal tissues of the irradiated body, which also causes excessive dose deposition.
[0086] Пучок N нейтронов, генерируемый устройством 11 генерации, излучается на облучаемое тело 200 на процедурном столе 14 путем последовательного прохождения через формирующее пучок тело 12 и коллиматор 13. Формирующее пучок тело 12 способно регулировать качество пучка N нейтронов, генерируемого устройством 11 генерации нейтронов, и коллиматор 13 сводит пучок нейтронов N, так что пучок нейтронов N имеет высокие характеристики наведения во время лечения. Следует понимать, что изобретение может не иметь коллиматора, и пучок непосредственно излучается на облучаемое тело 200 на процедурном столе 14 после выхода из тела 12 формирования пучка.[0086] The beam of N neutrons generated by the generating device 11 is radiated onto the irradiated body 200 on the treatment table 14 by successively passing through the beam forming body 12 and the collimator 13. The beam forming body 12 is capable of adjusting the quality of the beam of N neutrons generated by the neutron generating device 11, and the collimator 13 collides the beam of N neutrons so that the beam of N neutrons has high guidance characteristics during treatment. It should be understood that the invention may not have a collimator, and the beam is directly radiated onto the irradiated body 200 on the treatment table 14 after exiting the beam forming body 12.
[0087] Формирующее пучок тело 12 дополнительно содержит отражатель 121, замедлитель 122, поглотитель 123 тепловых нейтронов, радиационный экран 124 и выход 125 пучка. Нейтроны, генерируемые устройством 11 генерации нейтронов, имеют большие энергетические спектры, содержимое других видов нейтронов и фотонов требуется максимально уменьшить, за исключением надтепловых нейтронов, отвечающих требованиям лечения, чтобы избежать травмирования оператора или облучаемого тела. Следовательно, нейтроны, испускаемые устройством 10 генерации нейтронов, должны проходить через замедлитель 22, чтобы регулировать его энергию быстрых нейтронов (>40 кэВ) до области энергии надтепловых нейтронов (от 0,5 эВ до 40 кэВ) и максимально уменьшить тепловые нейтроны (<0,5 эВ). Замедлитель 22 выполнен из материала, имеющего большое поперечное сечение, взаимодействующее с быстрыми нейтронами, и небольшое поперечное сечение, взаимодействующее с надтепловыми нейтронами. В предпочтительном варианте осуществления изобретения замедлитель 122 изготовлен из по меньшей мере одного из D2O, AlF3, Fluenal™, CaF2, Li2CO23, MgF2 или Al2O3. Отражатель 121 окружает замедлитель 122 и отражает нейтроны, рассеянные вокруг при прохождении замедлителя 122 обратно в пучок нейтронов N для улучшения коэффициента использования нейтронов, и выполнен из материала, обладающего высокой способностью отражения нейтронов. В предпочтительном варианте осуществления изобретения отражатель 121 выполнен по меньшей мере из одного из Pb или Ni, поглотитель 123 тепловых нейтронов расположен в задней части замедлителя 122 и выполнен из материала, имеющего большое поперечное сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами. В предпочтительном варианте осуществления поглотитель тепловых нейтронов 123 выполнен из Li-6, причем поглотитель тепловых нейтронов 123 поглощает тепловые нейтроны, проходящие через замедлитель 122, для уменьшения содержания тепловых нейтронов в пучке нейтронов N, предотвращая индуцирование чрезмерной дозы на нормальные ткани в неглубоких слоях во время лечения. Следует понимать, что поглотитель тепловых нейтронов также может быть интегрирован с замедлителем, а материал замедлителя содержать Li-6. Радиационный экран 124 экранирует нейтроны и фотоны, просачивающиеся из положений снаружи выхода 125 пучка, при этом материал радиационного экрана 124 содержит по меньшей мере одно из экранирующего фотоны материала или экранирующего нейтроны материала. В предпочтительном варианте материал радиационного экрана 124 включает свинец (РВ), используемый в качестве экранирующего фотоны материала, и полиэтилен (РЕ), используемый в качестве экранирующего нейтроны материала. Коллиматор 13 расположен в задней части выхода 125 пучка, и пучок надтепловых нейтронов, выходящий из коллиматора 13, излучается на облучаемое тело 200, при этом после прохождения через нормальные ткани в неглубоких слоях пучок надтепловых нейтронов замедляется до тепловых нейтронов, чтобы достичь опухолевой клетки М. Следует понимать, что тело 20 формирования пучка может также иметь другие конфигурации, при условии получения пучка надтепловых нейтронов, необходимого для лечения. Для простоты описания, когда предусмотрен коллиматор 13, выход коллиматора 13 также может использоваться в качестве выхода 125 пучка, как описано ниже. В этом варианте осуществления изобретения экранирующее радиацию устройство 15 также расположено между облучаемым телом 200 и выходом 125 пучка для экранирования излучения пучка, выходящего из выхода 125 пучка к нормальным тканям облучаемого тела, причем следует понимать, что экранирующее радиацию устройство 15 может и не быть предусмотрено.[0087] The beam-forming body 12 further comprises a reflector 121, a moderator 122, a thermal neutron absorber 123, a radiation screen 124 and a beam outlet 125. The neutrons generated by the neutron generation device 11 have large energy spectra, the content of other types of neutrons and photons must be reduced as much as possible, with the exception of epithermal neutrons that meet the treatment requirements in order to avoid injury to the operator or the irradiated body. Therefore, the neutrons emitted by the neutron generation device 10 must pass through the moderator 22 in order to adjust its fast neutron energy (>40 keV) to the epithermal neutron energy region (from 0.5 eV to 40 keV) and to reduce thermal neutrons (<0.5 eV) as much as possible. The moderator 22 is made of a material having a large cross-section interacting with fast neutrons and a small cross-section interacting with epithermal neutrons. In a preferred embodiment of the invention, the moderator 122 is made of at least one of D 2 O, AlF 3 , Fluenal™, CaF 2 , Li 2 CO 23 , MgF 2 or Al 2 O 3 . The reflector 121 surrounds the moderator 122 and reflects neutrons scattered around when passing the moderator 122 back into the neutron beam N to improve the neutron utilization factor, and is made of a material having a high neutron reflectivity. In a preferred embodiment of the invention, the reflector 121 is made of at least one of Pb or Ni, the thermal neutron absorber 123 is located in the rear part of the moderator 122 and is made of a material having a large cross-section for interaction with thermal neutrons. In a preferred embodiment, the thermal neutron absorber 123 is made of Li-6, wherein the thermal neutron absorber 123 absorbs thermal neutrons passing through the moderator 122 to reduce the thermal neutron content in the N neutron beam, preventing the induction of an excessive dose on normal tissues in shallow layers during treatment. It should be understood that the thermal neutron absorber can also be integrated with the moderator, and the moderator material contains Li-6. The radiation screen 124 screens neutrons and photons leaking from positions outside the beam exit 125, and the material of the radiation screen 124 comprises at least one of a photon-screening material or a neutron-screening material. In a preferred embodiment, the material of the radiation screen 124 includes lead (PB) used as a photon-screening material and polyethylene (PE) used as a neutron-screening material. The collimator 13 is located at the rear of the beam exit 125, and the epithermal neutron beam exiting the collimator 13 is radiated onto the irradiated body 200, wherein after passing through normal tissues in shallow layers, the epithermal neutron beam is slowed down to thermal neutrons in order to reach the tumor cell M. It should be understood that the beam forming body 20 can also have other configurations, provided that the epithermal neutron beam necessary for the treatment is obtained. For ease of description, when a collimator 13 is provided, the output of the collimator 13 can also be used as a beam output 125, as described below. In this embodiment of the invention, a radiation shielding device 15 is also located between the irradiated body 200 and the beam output 125 to shield the radiation of the beam exiting from the beam output 125 to normal tissues of the irradiated body, and it should be understood that the radiation shielding device 15 may not be provided.
[0088] После того, как лекарственное средство, содержащее бор (В-10), принят или инъецирован в облучаемое тело 200, лекарственное средство, содержащее бор, селективно агрегируется в опухолевой клетке М, после чего генерируются две сильно заряженные частицы с использованием характеристики лекарственного средства, содержащего бор (В-10), имеющего высокое сечение захвата для теплового нейтрона, и посредством захвата нейтрона 10 В (n, α) и реакции ядерного деления. Эти две заряженные частицы имеют среднюю энергию около 2,33 МэВ и имеют характеристики высокой LET и диапазон α-частиц составляют 150 кэВ/мкм и 8 мкм соответственно, LET и диапазон сильно заряженной частицы составляют 175 кэВ/мкм и 5 мкм соответственно, и эти две частицы имеют общий диапазон, приблизительно эквивалентный размеру клетки, так что радиационное повреждение организма может быть ограничено клеточным уровнем, и задача локального уничтожения опухолевой клетки может быть решена в предположении, что она не вызывает слишком большого повреждения нормальных тканей.[0088] After the drug containing boron (B-10) is taken or injected into the irradiated body 200, the drug containing boron selectively aggregates in the tumor cell M, after which two highly charged particles are generated using the characteristic of a drug containing boron (B-10) having a high capture cross-section for a thermal neutron, and by means of neutron capture of 10 B (n, α) and nuclear fission reactions. These two charged particles have an average energy of about 2.33 MeV and have the characteristics of high LET and the range of α-particles are 150 keV/μm and 8 μm, respectively, the LET and range of the highly charged particle are 175 keV/μm and 5 μm, respectively, and these two particles have a common range approximately equivalent to the size of a cell, so that radiation damage to the body can be limited to the cellular level, and the task of local destruction of a tumor cell can be solved under the assumption that it does not cause too much damage to normal tissues.
[0089] Система 100 BNCT является интегральной частью здания бетонной конструкции. В частности, система 100 BNCT дополнительно содержит камеру 101 облучения и камеру 102 генерации пучка заряженных частиц. Облучаемое тело 200 на процедурном столе 14 подвергается облучению пучком нейтронов N в камере 101 облучения. Камера 102 генерации пучка заряженных частиц по меньшей мере частично содержит ускоритель 111, а тело 12 формирования пучка по меньшей мере частично содержится в перегородке 103 между камерой 101 облучения и камерой 102 генерации пучка заряженных частиц. Следует понимать, что перегородка 103 может полностью отделять камеру 101 облучения от камеры 102 генерации пучка заряженных частиц; или может представлять собой частичное разделение между камерой 101 облучения и камерой 102 генерации пучка заряженных частиц, так что камера 101 облучения находится в сообщении с камерой 102 генерации пучка заряженных частиц. Может быть предусмотрена одна или более мишеней Т, пучок Р заряженных частиц может избирательно взаимодействовать с одной или более мишенями Т или одновременно взаимодействовать с множеством мишеней Т для генерирования одного или более пучков лечебных нейтронов N. В соответствии с числом мишеней Т, также может иметься одно или более тел 12 формирования пучка, коллиматоров 13 и процедурных столов 14; множество процедурных столов может быть расположено в одной и той же камере облучения, или для каждого процедурного стола может быть предусмотрена отдельная камера облучения. Камера 101 облучения и камера 102 генерации пучка заряженных частиц представляют собой пространства, образованные окружающей бетонной стенкой W (включая перегородку 103), причем бетонная конструкция может экранировать нейтроны и другие лучи облучения, просачивающиеся в процессе работы системы BNCT 100.[0089] The BNCT system 100 is an integral part of a building of concrete structure. In particular, the BNCT system 100 further comprises an irradiation chamber 101 and a charged particle beam generation chamber 102. The irradiated body 200 on the treatment table 14 is irradiated with a neutron beam N in the irradiation chamber 101. The charged particle beam generation chamber 102 at least partially comprises an accelerator 111, and the beam forming body 12 is at least partially contained in a partition 103 between the irradiation chamber 101 and the charged particle beam generation chamber 102. It should be understood that the partition 103 can completely separate the irradiation chamber 101 from the charged particle beam generation chamber 102; or may be a partial separation between the irradiation chamber 101 and the charged particle beam generation chamber 102, so that the irradiation chamber 101 is in communication with the charged particle beam generation chamber 102. One or more targets T may be provided, the charged particle beam P may selectively interact with one or more targets T or simultaneously interact with a plurality of targets T to generate one or more beams of therapeutic neutrons N. In accordance with the number of targets T, there may also be one or more beam forming bodies 12, collimators 13 and treatment tables 14; a plurality of treatment tables may be located in the same irradiation chamber, or a separate irradiation chamber may be provided for each treatment table. The irradiation chamber 101 and the charged particle beam generation chamber 102 are spaces formed by a surrounding concrete wall W (including a partition 103), and the concrete structure can shield neutrons and other radiation beams leaking during the operation of the BNCT system 100.
[0090] Для максимального уничтожения раковых клеток при одновременном уменьшении повреждения нормальных тканей, вызванного лучами облучения, точность распределения доз надтепловых нейтронов и фотонов особенно важна при настройке модуля 20 плана лечения. В прикладных сценах системы облучения радиоактивными лучами для расчета дозы необходимо читать базы данных фотонного и нейтронного поперечного сечения, причем база данных нейтронного поперечного сечения очень велика, что приводит к занятию большого пространства для хранения при установке программного обеспечения для разработки плана лечения системы облучения радиоактивными лучами, также требуется большое пространство памяти и длительное время расчета, когда программное обеспечение используется для расчета и моделирования дозы. В следующих вариантах осуществления изобретения предлагается ряд способов оптимизации модуля плана лечения, что позволяет сократить время расчета дозы при уменьшении рабочей памяти, для удовлетворения требований быстрого составления схемы плана лучевой терапии. Каждый способ оптимизации описан ниже со ссылкой на чертежи.[0090] In order to maximize the destruction of cancer cells while reducing the damage to normal tissues caused by irradiation rays, the accuracy of the dose distribution of epithermal neutrons and photons is especially important when setting up the treatment plan module 20. In the application scenes of the radiation beam irradiation system, it is necessary to read the photon and neutron cross-section databases for dose calculation, and the neutron cross-section database is very large, which leads to the occupation of a large storage space when installing the treatment plan development software of the radiation beam irradiation system, and also requires a large memory space and a long calculation time when the software is used for dose calculation and simulation. In the following embodiments of the invention, a number of methods are provided for optimizing the treatment plan module, which can reduce the dose calculation time while reducing the working memory, to meet the requirements of quickly generating a radiation therapy plan outline. Each optimization method is described below with reference to the drawings.
[0091] Первый вариант: оптимизация базы данных в модуле 20 плана лечения.[0091] Option 1: Optimizing the database in module 20 of the treatment plan.
[0092] Всего в теле человека присутствуют более 60 элементов, из которых более 20 элементов являются существенными элементами и имеют большое значение для поддержания нормальных физиологических функций тела. Элементы с большим содержанием в теле человека представляют собой углерод, водород, кислород, азот, фосфор, хлор, натрий, магний, калий, кальций или тому подобное, причем углерод, водород, кислород и азот являются основными элементами, составляющими органические вещества тела человека и составляют 96% от общего веса тела человека, а остальные макроэлементы, превышающие 0,01% тела человека, представляют собой кальций, калий, фосфор, серу, хлор, магний и натрий соответственно, которые составляют 1,5%, 0,35%, 1%, 0,25%, 0,15%, 0,05% и 0,15% от общего веса тела человека соответственно. Можно видеть, что содержание углерода, водорода, кислорода, азота, кальция, калия, фосфора, серы, хлора, магния и натрия достигает 99,45% от общего веса человеческого тела. При этом, в Монте-Карло хранятся системы моделирования и расчета более 100 элементов, и каждый раз, когда Монте-Карло используется для моделирования и расчета, моделируется и рассчитывается каждый элемент, что занимает много времени. При этом, поскольку системы расчета и моделирования, соответствующие многим элементам, сохраняются, база данных Монте-Карло очень обширна. Однако в сценах применения системы облучения радиоактивными лучами, когда такие частицы, как фотоны, нейтроны и т.п., в теле человека моделируются и рассчитываются методом Монте-Карло, только элементы в теле человека с большими пропорциями (более 0,01%) по отношению к общему весу тела человека должны быть смоделированы и рассчитаны для получения относительно точного результата расчета, в то время как моделирование и расчет некоторых примесных элементов может занимать много времени, и когда полученный результат расчета сравнивается с результатом, полученным путем выполнения моделирования и расчета только элементов, занимающих 0,01% или более от общего веса тела человека, разница составляет менее 0,001%.[0092] There are more than 60 elements in the human body in total, of which more than 20 elements are essential elements and are of great importance for maintaining the normal physiological functions of the body. Elements with a large content in the human body are carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, phosphorus, chlorine, sodium, magnesium, potassium, calcium or the like, wherein carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen are the main elements constituting the organic substances of the human body and account for 96% of the total weight of the human body, and the remaining macroelements exceeding 0.01% of the human body are calcium, potassium, phosphorus, sulfur, chlorine, magnesium and sodium, respectively, which account for 1.5%, 0.35%, 1%, 0.25%, 0.15%, 0.05% and 0.15% of the total weight of the human body, respectively. It can be seen that the content of carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, calcium, potassium, phosphorus, sulfur, chlorine, magnesium and sodium reaches 99.45% of the total weight of the human body. At the same time, Monte Carlo stores the simulation and calculation systems of more than 100 elements, and each time Monte Carlo is used for simulation and calculation, each element is simulated and calculated, which takes a long time. At the same time, since the calculation and simulation systems corresponding to many elements are stored, the Monte Carlo database is very large. However, in the application scenes of the radioactive ray irradiation system, when particles such as photons, neutrons, etc. in the human body are simulated and calculated by the Monte Carlo method, only the elements in the human body with large proportions (more than 0.01%) relative to the total weight of the human body need to be simulated and calculated to obtain a relatively accurate calculation result, while the simulation and calculation of some impurity elements may take a long time, and when the obtained calculation result is compared with the result obtained by performing the simulation and calculation of only the elements occupying 0.01% or more of the total weight of the human body, the difference is less than 0.001%.
[0093] При этом некоторые элементы, такие как Fe, имеют большую весовую долю в организме человека, но эти элементы не вступают в реакцию с нейтронами и фотонами или имеют небольшую интенсивность реакции с нейтронами и фотонами, поэтому влияние результатов моделирования и расчетов таких элементов на общий результат расчета можно игнорировать. Однако некоторые элементы, такие как бор, имеют небольшую весовую долю в организме человека, но большое количество препаратов бора может быть введено в организм человека в сценах применения системы облучения радиоактивными лучами и имеют относительно интенсивную реакцию с нейтронами и, таким образом, оказывают большое влияние на конечный результат расчета.[0093] In this case, some elements such as Fe have a large weight fraction in the human body, but these elements do not react with neutrons and photons or have a small reaction intensity with neutrons and photons, so the influence of the simulation and calculation results of such elements on the overall calculation result can be ignored. However, some elements such as boron have a small weight fraction in the human body, but a large amount of boron preparations can be introduced into the human body in the scenes of using the radioactive ray irradiation system and have a relatively intense reaction with neutrons, and thus have a great influence on the final calculation result.
[0094] Элементы (выбранные из одного или более из Н, Не, Li, Be, В, С, N, О, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar, K и Ca), влияющие на результаты моделирования и расчета нейтронов и фотонов в сценах применения системы облучения радиоактивными лучами, фильтруют, с учетом весовых пропорций элементов в организме человека и интенсивности элементов, вступающих в реакцию с нейтронами и фотонами, так что в процессе моделирования моделируются только фильтрованные элементы. Таким образом, время моделирования и расчета сокращается при условии обеспечения точности расчета, что повышает эффективность работы системы Монте-Карло. При этом емкость базы данных, соответствующая фильтрованным элементам, составляет всего от 2% до 3% от первоначальной емкости базы данных, что значительно снижает потребность в памяти диска и снижает стоимость производства.[0094] Elements (selected from one or more of H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar, K and Ca) that affect the simulation and calculation results of neutrons and photons in scenes of application of the radioactive ray irradiation system are filtered, taking into account the weight proportions of the elements in the human body and the intensity of the elements reacting with neutrons and photons, so that only the filtered elements are simulated in the simulation process. Thus, the simulation and calculation time is shortened while ensuring the calculation accuracy, which improves the performance of the Monte Carlo system. Meanwhile, the capacity of the database corresponding to the filtered elements is only 2% to 3% of the original capacity of the database, which significantly reduces the need for disk memory and reduces the production cost.
[0095] С другой стороны, в базе данных поперечного сечения нейтрона, соответствующей каждому элементу, данные поперечного сечения множества температур хранятся в системе Монте-Карло для выбора, например, 0 K, 1200 K, 2500 K, 250 K, 294 K, 600 K, 900 K, однако в сценах применения системы облучения радиоактивными лучами необходимо моделировать и рассчитывать только модель человеческого тела, а нормальная температура человеческого тела составляет от 310 K до 315 K. Согласно принципу работы Монте-Карло, после ввода температуры система автоматически подбирает температуру, ближайшую к входной температуре, среди множества сохраненных температур и выполняет моделирование и расчет, принимая эту температуру в качестве параметра моделирования. Следовательно, после ввода температуры человеческого тела система автоматически подбирает температуру 294 K, хранящуюся в базе данных, и выполняет моделирование и расчет, принимая 294 K в качестве параметра. При этом при расчете доплеровского эффекта используется температура 0 K. Другими словами, в сценах применения системы облучения радиоактивными лучами используются только две температуры 294 K и 0 K среди температур, хранящихся в базе данных, остальные температуры для применения системы облучения радиоактивными лучами не релевантны. Таким образом, базы данных, соответствующие другим температурам, кроме 294 K и 0 K, удаляются, и размер базы данных может быть уменьшен примерно до одной трети первоначального размера без влияния на структуру моделирования и расчета, что снижает эксплуатационные расходы базы данных.[0095] On the other hand, in the neutron cross section database corresponding to each element, the cross section data of a plurality of temperatures is stored in the Monte Carlo system for selecting, for example, 0 K, 1200 K, 2500 K, 250 K, 294 K, 600 K, 900 K, but in the application scenes of the radioactive ray irradiation system, it is necessary to simulate and calculate only the human body model, and the normal temperature of the human body is from 310 K to 315 K. According to the working principle of Monte Carlo, after inputting the temperature, the system automatically selects the temperature closest to the input temperature from among the plurality of stored temperatures and performs the simulation and calculation by taking this temperature as the simulation parameter. Therefore, after inputting the human body temperature, the system automatically selects the temperature 294 K stored in the database and performs the simulation and calculation by taking 294 K as the parameter. In this case, the temperature of 0 K is used in the calculation of the Doppler effect. In other words, in the scenes of application of the radioactive beam irradiation system, only two temperatures of 294 K and 0 K are used among the temperatures stored in the database, and the other temperatures are not relevant for the application of the radioactive beam irradiation system. Therefore, the databases corresponding to temperatures other than 294 K and 0 K are deleted, and the size of the database can be reduced to about one-third of the original size without affecting the structure of the simulation and calculation, which reduces the operating cost of the database.
[0096] В таблице 1 показан результат системы Монте-Карло, выполняющей моделирование и расчет дозы нейтронов на одной и той же модели человеческого тела при температурах 294 K, 310 K и 330 К соответственно.[0096] Table 1 shows the result of the Monte Carlo system performing the simulation and calculation of the neutron dose on the same human body model at temperatures of 294 K, 310 K and 330 K, respectively.
[0097] Из данных таблицы 1 можно видеть, что влияние колебания температуры в малом диапазоне на конечный результат расчета нейтронной дозы может быть проигнорировано, и при применении системы облучения радиоактивными лучами сохраняется только база данных, соответствующая 294 K и хранящаяся в системе, которая может удовлетворять требованиям использования, при этом ошибка, генерируемая конечным результатом расчета, находится в допустимом диапазоне.[0097] It can be seen from the data in Table 1 that the influence of temperature fluctuation in a small range on the final calculation result of neutron dose can be ignored, and when using the radioactive beam irradiation system, only the database corresponding to 294 K is saved and stored in the system, which can meet the requirements of use, and the error generated by the final calculation result is within the acceptable range.
[0098] Второй вариант: прерывание процесса во время моделирования частиц для сокращения времени моделирования частиц.[0098] Option 2: Interrupt the process during particle simulation to reduce particle simulation time.
[0099] В сценах применения системы облучения радиоактивными лучами расчет дозы включает в себя расчет дозы нейтронов и расчет дозы фотонов. При движении фотонов в облучаемом теле энергия и толщина полупоглощения фотона постепенно уменьшаются, а поперечное сечение поглощения фотона быстро увеличивается с уменьшением энергии и толщины полупоглощения фотона. Когда толщина полупоглощения фотона меньше размера клетки, фотон поглощается в клетке, где фотон находится с очень высокой вероятностью, причем в это время фотон непосредственно начинает отдавать всю свою энергию в клетке, где находится фотон, и моделирование фотона больше не продолжается. Погрешность между этим процессом и распределением дозы, рассчитанная путем непрерывного моделирования фотона, находится в пределах 0,1%.[0099] In the application scenes of the radioactive ray irradiation system, the dose calculation includes the neutron dose calculation and the photon dose calculation. When photons move in the irradiated body, the energy and half-absorption thickness of the photon gradually decrease, and the absorption cross section of the photon rapidly increases with the decrease in the energy and half-absorption thickness of the photon. When the half-absorption thickness of the photon is less than the cell size, the photon is absorbed in the cell where the photon is located with a very high probability, and at this time, the photon directly begins to give up all its energy in the cell where the photon is located, and the photon simulation no longer continues. The error between this process and the dose distribution calculated by continuously simulating the photon is within 0.1%.
[00100] Человеческая клетка имеет размер от 2 до 200 микрон, и в общем случае при применении системы облучения радиоактивными лучами сетка модели имеет минимальный размер 0,8 мм, поэтому моделирование фотона может быть прекращено, когда толщина полупоглощения фотона составляет менее четверти минимального размера сетки.[00100] The human cell has a size of 2 to 200 microns, and in general, when using a radioactive beam irradiation system, the model grid has a minimum size of 0.8 mm, so the photon modeling can be stopped when the photon half-absorption thickness is less than a quarter of the minimum grid size.
[00101] В частности, толщину t полупоглощения фотона рассчитывают по формуле (1-1):[00101] In particular, the half-absorption thickness t of a photon is calculated using formula (1-1):
[00102] где - линейный коэффициент затухания фотона, определяемый материалом, через который проходит фотон, и энергией фотона.[00102] where - the linear attenuation coefficient of a photon, determined by the material through which the photon passes and the energy of the photon.
[00103] Толщины полупоглощения различных значений энергии фотонов в человеческом скелете рассчитаны ниже на примере человеческого скелета.[00103] The half-absorption thicknesses of various photon energies in the human skeleton are calculated below using the human skeleton as an example.
[00104] Из таблицы 2 можно видеть, что в скелете толщина полупоглощения фотонов составляет менее 0,2 мм, когда энергия фотона составляет менее 10 кэВ, то есть, когда энергия фотона составляет менее 10 кэВ, фотон может быть поглощен в сетке, где фотон находится в настоящее время с очень высокой вероятностью, и, следовательно, разница между дозой, полученной при прекращении моделирования фотона в это время, и дозой, полученной при дальнейшем моделирования фотона, находится в пределах приемлемого диапазона.[00104] It can be seen from Table 2 that in the skeleton, the half-absorption thickness of the photons is less than 0.2 mm when the photon energy is less than 10 keV, that is, when the photon energy is less than 10 keV, the photon can be absorbed in the grid where the photon is currently located with a very high probability, and therefore the difference between the dose obtained when the photon simulation is stopped at this time and the dose obtained when the photon simulation continues is within an acceptable range.
[00105] Поскольку толщина полупоглощения фотона в клеточной ткани зависит от материала, проходящего через фотон, и энергии фотона, для каждого материала может быть предусмотрена соответствующая энергия прерывания, и моделирование фотона может быть прекращено, когда энергия фотона ниже энергии прерывания. Доза фотона, соответствующая различным энергиям прерывания фотона, получается путем выполнения моделирования и расчета в модели человеческого тела ниже.[00105] Since the half-absorption thickness of a photon in a cellular tissue depends on the material passing through the photon and the energy of the photon, a corresponding interruption energy can be provided for each material, and the photon simulation can be terminated when the photon energy is lower than the interruption energy. The photon dose corresponding to different photon interruption energies is obtained by performing the simulation and calculation in the human body model below.
[00106] Из таблицы 2 можно видеть, что моделирование фотона прекращается, когда энергия фотона меньше или равна 10 кэВ, а погрешность между конечной рассчитанной дозой фотона и распределением дозы, рассчитанной путем непрерывного моделирования фотона, находится в пределах 0,1%.[00106] It can be seen from Table 2 that the photon simulation is stopped when the photon energy is less than or equal to 10 keV, and the error between the final calculated photon dose and the dose distribution calculated by continuous photon simulation is within 0.1%.
[00107] В заключение, во время моделирования и расчета фотона толщина полупоглощения фотона меньше размера клетки, когда энергия фотона меньше предустановленной энергии прерывания, причем в это время моделирование фотона останавливается, что может уменьшать время расчета дозы фотона без влияния на результат расчета распределения дозы.[00107] Finally, during the simulation and calculation of a photon, the half-absorption thickness of a photon is smaller than the cell size when the photon energy is less than the preset interruption energy, and at this time, the simulation of the photon is stopped, which can reduce the calculation time of the photon dose without affecting the calculation result of the dose distribution.
[00108] В других вариантах осуществления изобретения первое предустановленное значение и второе предустановленное значение могут быть установлены в соответствии с фактическими требованиями точности моделирования, при этом моделирование фотона прекращают в ответ на то, что толщина полупоглощения фотона меньше или равна первому предустановленному значению, или в ответ на то, что энергия фотона меньше или равна второму предустановленному значению. Первое предустановленное значение может быть больше, чем размер клетки, или может быть меньше, чем размер клетки, а второе предустановленное значение может быть 12 кэВ, 16 кэВ или тому подобное.[00108] In other embodiments of the invention, the first preset value and the second preset value may be set in accordance with the actual requirements of the accuracy of the simulation, wherein the simulation of the photon is terminated in response to the fact that the half-absorption thickness of the photon is less than or equal to the first preset value, or in response to the fact that the energy of the photon is less than or equal to the second preset value. The first preset value may be greater than the cell size, or may be less than the cell size, and the second preset value may be 12 keV, 16 keV, or the like.
[00109] Третий вариант: ускорение модуля расчета дозы с использованием параллельной технологии.[00109] Option three: Speeding up the dose calculation module using parallel technology.
[00110] Метод Монте-Карло используется в модуле плана лечения системы облучения радиоактивными лучами, процессы моделирования различных частиц-источников полностью независимы, то есть, последовательности моделирования различных частиц не влияют на результат расчета. В соответствии с такими характеристиками расчета, задачи моделирования различных исходных частиц могут быть назначены различным процессам или потокам, и выполняется резюмирование после завершения задачи расчета каждого из процессов или потоков для получения конечного результата расчета. Компьютер может обеспечить две формы параллелизма: параллелизм процесса и параллелизм потока CPU, и ускорение GPU.[00110] The Monte Carlo method is used in the treatment plan module of the radioactive irradiation system, the simulation processes of different source particles are completely independent, that is, the simulation sequences of different particles do not affect the calculation result. According to such calculation characteristics, the simulation tasks of different source particles can be assigned to different processes or threads, and a summary is performed after the completion of the calculation task of each of the processes or threads to obtain the final calculation result. The computer can provide two forms of parallelism: CPU process parallelism and thread parallelism, and GPU acceleration.
[00111] Как показано на фиг.3, процесс расчета параллелизма процесса и параллелизма потока CPU выглядит следующим образом. Сначала система получает число процессов или потоков для получения числового значения n; затем система поровну делит частицы, необходимые для моделирования, на n частей; затем каждый из потоков или процессов отдельно моделирует и подсчитывает каждую часть частиц; и, наконец, система выполняет подсчет количества, полученного каждым из процессов или потоков, для получения конечной дозы. Поскольку частицы назначаются различным процессам или потокам так, чтобы выполнять моделирование и расчет одновременно, время моделирования и расчета сокращается до 1/n (процесс) или 1/2n времени, необходимого для использования одного потока или процесса для моделирования и расчета всех частиц.[00111] As shown in Fig. 3, the process of calculating the process parallelism and the CPU thread parallelism is as follows. First, the system obtains the number of processes or threads to obtain a numerical value n; then the system equally divides the particles required for the simulation into n parts; then each of the threads or processes separately simulates and counts each part of the particles; and finally, the system performs a count of the amount obtained by each of the processes or threads to obtain a final dose. Since the particles are assigned to different processes or threads so as to perform the simulation and calculation simultaneously, the simulation and calculation time is reduced to 1/n (process) or 1/2n of the time required to use one thread or process to simulate and calculate all the particles.
[00112] Каждый из параллелизма процесса и параллелизма потока реализует параллельное вычисление многоядерным процессором, при этом ускорение GPU реализуется параллельным вычислением множества процессоров GPU. Эффект каждого из параллелизма процесса и параллелизма потока ограничивается числом ядер CPU, причем число ядер общего автономного компьютера составляет четыре, параллелизм процесса и параллелизм потока могут увеличивать скорость в 4 раза (процесс) или в 8 раз (поток) максимум, а один GPU объединяет множество процессоров, и теоретически скорость расчета может быть увеличена во много раз.[00112] Each of the process parallelism and the thread parallelism realizes parallel computing by a multi-core processor, and the GPU acceleration is realized by parallel computing by a plurality of GPU processors. The effect of each of the process parallelism and the thread parallelism is limited by the number of CPU cores, and the number of cores of the general autonomous computer is four, the process parallelism and the thread parallelism can increase the speed by 4 times (process) or 8 times (thread) at most, and one GPU combines multiple processors, and theoretically the calculation speed can be increased many times.
[00113] Как показано на фиг.4, процесс моделирования и вычисления ускорения GPU выглядит следующим образом. Сначала система передает случайное число, данные поперечного сечения или тому подобное из памяти CPU в видеопамять GPU, после чего каждый из множества процессоров GPU моделирует, рассчитывает и подсчитывает одну частицу и засчитывает результат подсчета в глобальный подсчет; затем система определяет, имеются ли частицы, которые еще не смоделированы, передает результат подсчета из памяти GPU в память CPU в ответ на отсутствие частиц, которые еще не смоделированы, или возвращается к предыдущей операции в ответ на наличие частиц, которые еще не смоделированы, для продолжения моделирования и подсчета частиц, которые еще не смоделированы, до тех пор, пока не будет завершено моделирование всех частиц.[00113] As shown in Fig. 4, the process of simulating and calculating the acceleration of the GPU is as follows. First, the system transfers a random number, cross-section data or the like from the memory of the CPU to the video memory of the GPU, then each of the plurality of processors of the GPU simulates, calculates and counts one particle and counts the counting result into the global count; then the system determines whether there are particles that have not yet been simulated, transfers the counting result from the memory of the GPU to the memory of the CPU in response to the absence of particles that have not yet been simulated, or returns to the previous operation in response to the presence of particles that have not yet been simulated, to continue simulating and counting the particles that have not yet been simulated until the simulation of all the particles is completed.
[00114] Поскольку GPU имеет множество процессоров, моделирование и вычисление с ускорением GPU может значительно увеличить скорость расчета и сократить время расчета. При этом процессор использует CPU Intel Xeon с частотой 2,27 ГГц с ценой около 6000 юаней, GPU использует NVIDIA Tesla С2050 с ценой около 9000 юаней, при этом каждый GPU имеет в общей сложности 448 процессоров, эквивалентных 448 GPU. Время расчета CPU составляет от 50 до 70 раз больше времени вычисления GPU. Можно видеть, что по сравнению с CPU, GPU используется для выполнения моделирования и расчета, что имеет большие преимущества как в цене, так и во времени.[00114] Since the GPU has multiple processors, GPU-accelerated simulation and calculation can greatly improve the calculation speed and shorten the calculation time. In this case, the CPU uses the Intel Xeon CPU with a frequency of 2.27 GHz, priced at about 6,000 yuan, the GPU uses the NVIDIA Tesla C2050, priced at about 9,000 yuan, and each GPU has a total of 448 processors, equivalent to 448 GPUs. The CPU calculation time is 50 to 70 times that of the GPU calculation. It can be seen that compared with the CPU, the GPU is used to perform simulation and calculation, which has great advantages in both price and time.
[00115] Четвертый вариант: использование техники уменьшения дисперсии Монте-Карло для ускорения сходимости.[00115] Option 4: Use Monte Carlo variance reduction techniques to speed up convergence.
[00116] Метод Монте-Карло изобилует техниками уменьшения дисперсии для увеличения скорости расчета программы, при этом техники уменьшения дисперсии, которые могут использоваться системой плана лечения, включают поглощение уменьшением веса, игру в весовое окно, ставку на расщепление и тому подобное. При этом ставка на расщепление образована из техники ставки и техники расщепления. Техника ставки, техника расщепления, важность сеточного пространства, поглощение уменьшением веса и игра в весовое окно, участвующие в технике уменьшения дисперсии, описаны ниже.[00116] The Monte Carlo method is rich in variance reduction techniques to increase the speed of program calculation, and the variance reduction techniques that can be used by the treatment plan system include absorption by weight reduction, weight window game, split bet, and the like. In this case, split bet is formed from the bet technique and the split technique. The bet technique, split technique, importance of grid space, absorption by weight reduction, and weight window game involved in the variance reduction technique are described below.
[00117] Техника ставки: в целом, вес частицы имеет верхний предел 10 и нижний предел 0,25. Когда вес w частицы уменьшается до меньшего, чем определенное предустановленное значение (например, 0,25), случайное число х отбирается между 0 и 1, и когда х меньше, чем w, частица выживает, и вес частицы возвращается к 1; когда х больше или равно w, существует мертвая ставка для частицы, и моделирование частицы прекращается.[00117] Betting technique: In general, the particle weight has an upper limit of 10 and a lower limit of 0.25. When the weight w of a particle decreases to less than a certain preset value (e.g. 0.25), a random number x is sampled between 0 and 1, and when x is less than w, the particle survives and the particle weight returns to 1; when x is greater than or equal to w, there is a dead bet for the particle and the particle simulation is terminated.
[00118] Техника расщепления: когда вес w частицы больше определенного значения (например, 10), целая часть w устанавливается равной w1, десятичная часть w устанавливается равной w2, случайное число х выбирается между 0 и 1, w=w1+1 устанавливается, когда х меньше w2, и w=w1 устанавливается, когда х больше w2. Затем частица расщепляется на w частиц для моделирования до тех пор, пока вес каждой из частиц не уменьшится до 1.[00118] Splitting technique: When the weight w of a particle is greater than a certain value (e.g. 10), the integer part of w is set to w1, the decimal part of w is set to w2, a random number x is chosen between 0 and 1, w=w1+1 is set when x is less than w2, and w=w1 is set when x is greater than w2. The particle is then split into w particles for simulation until the weight of each particle decreases to 1.
[00119] Важность сеточного пространства: частицы в разных областях модели имеют различный вклад в дозу, вклад частицы в дозу характеризуется важностью пространства, причем важность сеточного пространства каждой сетки рассчитывается в соответствии с такими параметрами, как положение опухоли, характеристики модели или тому подобное, перед моделированием. Частица перемещается из сетки с важностью сеточного пространства 1n в сетку с важностью сеточного пространства причем когда установлен, частица расщепляется на m частиц, вес каждой из частиц уменьшается до 1/т исходного веса; когда на частице выполняется техника ставки, установлено случайное число х выбирается между 0 и 1, и когда х меньше Р, частица сохраняется и вес умножается на 1/Р, в противном случае для частицы предусмотрена мертвая ставка, и моделирование частицы прекращается.[00119] Grid space importance: particles in different regions of the model have different dose contributions, the dose contribution of a particle is characterized by the space importance, and the grid space importance of each grid is calculated according to parameters such as tumor position, model characteristics, or the like before modeling. The particle moves from a grid with a grid space importance of 1 n to a grid with a grid space importance of and when is established, the particle splits into m particles, the weight of each of the particles decreases to 1/t of the original weight; when the betting technique is performed on the particle, it is installed a random number x is chosen between 0 and 1, and when x is less than P, the particle is saved and the weight is multiplied by 1/P, otherwise a dead bet is given to the particle and the particle simulation is terminated.
[00120] Способ расчета важности сеточного пространства: важность сеточного пространства может быть получена путем расчета сопутствующего потока, полученного решением сопутствующего уравнения транспортировки, которое имеет вид:[00120] Method for calculating the importance of the grid space: The importance of the grid space can be obtained by calculating the associated flow obtained by solving the associated transport equation, which is:
[00121] где - сопровождающий поток, - сопровождающий источник, - скорость движения частицы, - направление движения частицы, - сечение реакции частицы, сталкивающейся с веществом, - поперечное сечение рассеяния, r - положение частицы, Е - энергия частицы, t - время.[00121] where - accompanying flow, - accompanying source, - the speed of the particle, - direction of particle movement, - the cross section of the reaction of a particle colliding with a substance, - scattering cross-section, r - particle position, E - particle energy, t - time.
[00122] Поглощение уменьшением веса: когда частица взаимодействует с веществом, частица только рассеивается и не поглощается, а вес частицы умножается на Р рассеяния/Робщий в каждом столкновении. Когда вес частицы уменьшается до определенного значения (например, 0,25), частицу обрабатывают с использованием техники ставки.[00122] Weight reduction absorption: When a particle interacts with matter, the particle is only scattered and not absorbed, and the particle's weight is multiplied by P scattering / P total in each collision. When the particle's weight is reduced to a certain value (e.g. 0.25), the particle is processed using the betting technique.
[00123] Игра весового окна: когда вес частицы больше определенного значения, такого как 10, выполняется техника расщепления, а когда вес частицы меньше определенного значения, такого как 0,25, выполняется техника ставки. Здесь два значения устанавливаются в соответствии с производительностью программного обеспечения.[00123] Weight window game: When the particle weight is greater than a certain value such as 10, the splitting technique is performed, and when the particle weight is less than a certain value such as 0.25, the betting technique is performed. Here, the two values are set according to the performance of the software.
[00124] В общем, когда частица перемещается из места с малым значением сеточного пространства в место с большим значением сеточного пространства, вес частицы увеличивается, и для частицы отсутствует мертвая ставка; при этом случай, когда вес уменьшается, означает, что когда частица перемещается из места с большим значением сеточного пространства в место с малым значением сеточного пространства, вес частицы уменьшается, частица расщепляется или происходит поглощение уменьшением веса. Поскольку тепловой нейтрон имеет большое абсорбционное поперечное сечение в теле человека (в основном такие элементы, как N, В или тому подобные), для ускорения скорости сходимости расчета дозы сеток, удаленных от источника нейтронов, для перемещения частицы в сетки следует использовать поглощение уменьшением веса. Когда частица находится далеко от области лечения, продолжение моделирования расчета дозы частицы на области лечения не имеет большого значения, и в это время трата вычислительных ресурсов может быть вызвана непрерывным расчетом, поэтому вероятность возникновения этой ситуации может быть уменьшена путем установления важности сеточного пространства. Когда вес частицы слишком мал, очень мал и вклад частицы в подсчет, и продолжение моделирования приводит к потере вычислительных ресурсов, а когда вес частицы слишком велик, слишком велик и одиночный подсчет, что приводит к риску искажения результата, и, таким образом, должно быть предусмотрено весовое окно, чтобы вес частицы находился в подходящем диапазоне. Поэтому необходимо сочетать поглощение уменьшением веса, разумную настройку важности пространства сетки и игры весового окна, чтобы ускорить скорость конвергенции программы Монте-Карло.[00124] In general, when a particle moves from a place with a small grid space value to a place with a large grid space value, the weight of the particle increases and there is no dead weight for the particle; wherein the case where the weight decreases means that when a particle moves from a place with a large grid space value to a place with a small grid space value, the weight of the particle decreases, the particle is split or absorption by weight reduction occurs. Since a thermal neutron has a large absorption cross section in the human body (mainly elements such as N, B or the like), in order to accelerate the convergence rate of the dose calculation of the grids far from the neutron source, absorption by weight reduction should be used to move the particle to the grids. When the particle is far from the treatment area, continuing the particle dose calculation simulation on the treatment area does not have a great significance, and at this time, the waste of computing resources may be caused by the continuous calculation, so the probability of this situation occurring can be reduced by setting the importance of the grid space. When the particle weight is too small, the particle contribution to the count is very small, and continuing the simulation will waste computational resources, and when the particle weight is too large, the single count is too large, which will lead to the risk of distorting the result, and thus a weight window must be provided to ensure that the particle weight is in a suitable range. Therefore, it is necessary to combine the absorption of weight reduction, reasonable adjustment of the importance of the grid space and the play of the weight window to accelerate the convergence speed of the Monte Carlo program.
[00125] Как показано на фиг.5, процесс моделирования частиц с использованием техники уменьшения дисперсии выглядит следующим образом. В операции S1 получают исходную частицу. В операции S2 определяют, сталкивается ли частица в элементе решетки, и последовательно выполняют операции S3 и S4 в случае столкновения, в противном случае последовательно выполняют операции S5 и S6. В операции S3 выполняется поглощение уменьшением веса. В операции S4 определяют, является ли вес меньшим, чем весовое окно, и выполняют операцию S7 в ответ на то, что вес меньше, чем весовое окно, в противном случае процесс возвращается к операции S2. В операции S5 выполняется ставка на расщепление. В операции S6 определяют, выполняется ли ставка, и операция S7 выполняется в ответ на выполнение ставки, в противном случае процесс возвращается к операции S2. В операции S7 определяют, есть ли мертвая ставка, и выполняют операцию S8 в ответ на наличие мертвой ставки, в противном случае выполняют операцию S9, после чего процесс возвращается к операции S2. В операции S8 определяют, завершена ли обработка частиц, и процесс завершается в ответ на завершение обработки частиц, в противном случае процесс возвращается к операции S1. В операции S9 вес делится на вероятность мертвой ставки.[00125] As shown in Fig. 5, the process of modeling particles using the dispersion reduction technique is as follows. In operation S1, an original particle is obtained. In operation S2, it is determined whether the particle collides with a lattice element, and operations S3 and S4 are sequentially performed in the case of a collision, otherwise operations S5 and S6 are sequentially performed. In operation S3, absorption by reducing the weight is performed. In operation S4, it is determined whether the weight is less than the weight window, and operation S7 is performed in response to the fact that the weight is less than the weight window, otherwise the process returns to operation S2. In operation S5, a split bet is performed. In operation S6, it is determined whether the bet is performed, and operation S7 is performed in response to the performance of the bet, otherwise the process returns to operation S2. In operation S7, it is determined whether there is a dead bet, and operation S8 is performed in response to the presence of a dead bet, otherwise operation S9 is performed, after which the process returns to operation S2. In operation S8, it is determined whether the particle processing is complete, and the process is terminated in response to the completion of the particle processing, otherwise the process returns to operation S1. In operation S9, the weight is divided by the probability of a dead bet.
[00126] Как показано на фиг.6, процесс ставки на расщепление выглядит следующим образом. В операции S1 рассчитывают и регистрируют важность сеточного пространства каждой сетки. В операции S2 получают частицы. В операции S3 на частице выполняется проверка весового окна и операция. В операции S4 рассчитывают важность сеточного пространства до и после того, как частица перекрывает границу сетки. В операции S5 выполняется сравнение, чтобы определить, больше ли чем и выполняется операция S6, после чего процесс возвращается к операции S3 в ответ на то, что не больше в противном случае выполняется операция S7. В операции S6 частица расщепляется, и уменьшается вес частицы. В операции S7 определяется, есть ли мертвая ставка для частицы, и операция S9 выполняется в ответ на определение, что для частицы имеется мертвая ставка, в противном случае выполняется операция S8, после чего процесс возвращается к операции S3. В операции S8 вес частицы увеличивается. В операции S9 определяют, завершено ли моделирование частиц, и процесс возвращается к операции S2 в ответ на определение, что моделирование частиц не завершено, в противном случае процесс завершается.[00126] As shown in Fig. 6, the splitting bet process is as follows. In operation S1, the grid space importance of each grid is calculated and recorded. In operation S2, particles are obtained. In operation S3, a weight window check is performed on the particle and the operation is performed. In operation S4, the grid space importance is calculated before and after the particle overlaps the mesh boundary. In operation S5, a comparison is made to determine whether the particle is greater than how and operation S6 is performed, after which the process returns to operation S3 in response to the fact that no more otherwise, operation S7 is performed. In operation S6, the particle is split and the weight of the particle is decreased. In operation S7, it is determined whether there is a dead rate for the particle, and operation S9 is performed in response to the determination that there is a dead rate for the particle, otherwise operation S8 is performed, after which the process returns to operation S3. In operation S8, the weight of the particle is increased. In operation S9, it is determined whether the particle simulation is complete, and the process returns to operation S2 in response to the determination that the particle simulation is not complete, otherwise the process ends.
[00127] Как показано на фиг.7, процесс поглощения уменьшением веса выглядит следующим образом. В операции S1 получают частицы. В операции S2 определяют, сталкивается ли частица в элементе решетки, и выполняют операцию S3 в случае столкновения, в противном случае процесс возвращается к операции S1. В операции S3 вес умножается на вероятность возникновения рассеяния. В операции S4 определяют, меньше ли вес частицы, чем наименьший вес, и операцию S5 выполняют в ответ на то, что вес меньше, чем наименьший вес, в противном случае процесс возвращается к операции S2. В операции S5 определяют, есть ли для частицы мертвая ставка, и выполняют операцию S7 в ответ на наличие для частицы мертвой ставки, в противном случае выполняют операцию S6, после чего процесс возвращается к операции S2. В операции S6 вес делится на вероятность мертвой ставки. В операции S7 определяют, завершено ли моделирование частиц, и процесс возвращается к операции S1 в ответ на определение, что моделирование частиц не завершено, в противном случае процесс завершается.[00127] As shown in Fig. 7, the process of absorption by weight reduction is as follows. In operation S1, particles are obtained. In operation S2, it is determined whether the particle collides with the lattice element, and operation S3 is performed in the case of a collision, otherwise the process returns to operation S1. In operation S3, the weight is multiplied by the probability of occurrence of scattering. In operation S4, it is determined whether the weight of the particle is less than the smallest weight, and operation S5 is performed in response to the fact that the weight is less than the smallest weight, otherwise the process returns to operation S2. In operation S5, it is determined whether there is a dead bet for the particle, and operation S7 is performed in response to the presence of a dead bet for the particle, otherwise operation S6 is performed, after which the process returns to operation S2. In operation S6, the weight is divided by the probability of a dead bet. In operation S7, it is determined whether the simulation of the particles is complete, and the process returns to operation S1 in response to determining that the simulation of the particles is not complete, otherwise the process ends.
[00128] Как показано на фиг.8, процесс игры весового окна выглядит следующим образом. В операции S1 моделируют движение частиц. В операции S2 определяют, попадает ли вес частицы в диапазон весового окна, и процесс возвращается к операции S1 в ответ на попадание веса частицы в диапазон весового окна, в противном случае выполняется операция S3. В операции S3 определяют, является ли вес большим, чем весовое окно, выполняют операцию S4, после чего процесс возвращается к операции S1 в ответ на то, что вес больше, чем весовое окно, в противном случае выполняют операцию S5. В операции S4 частица расщепляется, и вес уменьшается. В операции S5 определяют, есть ли мертвая ставка, и процесс завершается в ответ на наличие мертвой ставки, в противном случае выполняется операция S6, после чего процесс возвращается к операции S1. В операции S6 вес частицы увеличивается.[00128] As shown in Fig. 8, the process of the weight window game is as follows. In operation S1, the movement of particles is simulated. In operation S2, it is determined whether the weight of the particle falls within the range of the weight window, and the process returns to operation S1 in response to the weight of the particle falling within the range of the weight window, otherwise, operation S3 is performed. In operation S3, it is determined whether the weight is greater than the weight window, operation S4 is performed, after which the process returns to operation S1 in response to the fact that the weight is greater than the weight window, otherwise, operation S5 is performed. In operation S4, the particle is split and the weight is reduced. In operation S5, it is determined whether there is a dead bet, and the process ends in response to the presence of a dead bet, otherwise, operation S6 is performed, after which the process returns to operation S1. In operation S6, the weight of the particle is increased.
[00129] Для сравнения эффектов ускорения техники уменьшения дисперсии, приводящей к расчету дозы, сравнивают стандартные отклонения результатов и времени вычисления в случае использования поглощения уменьшением веса и неиспользования поглощения уменьшением веса. Для той же индивидуальной мембранной модели расcчитывают десять миллионов частиц, время вычисления составляет 1584 с, а стандартное отклонение расчета дозы составляет 11% с использованием техники поглощения уменьшением веса, при этом без использования поглощения уменьшением веса время вычисления составляет 1258 с, а стандартное отклонение расчета дозы составляет 14,5%. Чтобы уменьшить стандартное отклонение до того же уровня, как при использовании поглощения уменьшением веса, необходимо увеличить количество смоделированных частиц до 16 миллионов и увеличить время моделирования и расчета до 2045 с, что увеличивает время расчета на 461 с по сравнению с использованием техники поглощения уменьшением веса, то есть использование техники поглощения уменьшением веса сокращает время расчета примерно на 20%.[00129] To compare the effects of accelerating the dispersion reduction technique leading to dose calculation, the standard deviations of the results and the calculation time are compared in the case of using the weight reduction absorption technique and without using the weight reduction absorption technique. For the same individual membrane model, ten million particles are calculated, the calculation time is 1584 s, and the standard deviation of the dose calculation is 11% using the weight reduction absorption technique, while without using the weight reduction absorption technique, the calculation time is 1258 s, and the standard deviation of the dose calculation is 14.5%. To reduce the standard deviation to the same level as when using the weight reduction absorption, it is necessary to increase the number of simulated particles to 16 million and increase the simulation and calculation time to 2045 s, which increases the calculation time by 461 s compared to using the weight reduction absorption technique, that is, using the weight reduction absorption technique reduces the calculation time by about 20%.
[00130] Пятый вариант: выполнение моделирования и расчета с использованием неравномерных прямоугольных сеток.[00130] Option 5: Performing simulation and calculation using non-uniform rectangular grids.
[00131] Традиционный расчет мембраны тела обычно использует однородные сетки, и иногда количество сеток должно быть увеличено для точного расчета некоторых областей, так что время расчета увеличивается, а память увеличивается в экспоненциальном порядке. Обычно однородные сетки получают из модели, считанной из КТ или ПЭТ, здесь многие связанные области имеют один и тот же материал, такой как воздух, кровь или тому подобное, и некоторые из областей не нуждаются в точном вычислении тщательного распределения дозы, так что тонкая сетка может быть заменена более толстой сеткой; и для важных положений, таких как опухоли или тому подобное, более тонкие сетки должны быть разделены для достижения более точного вычисления. Доза рассчитывается с использованием неоднородных сеток, точность расчета важной области может быть улучшена без значительного увеличения времени расчета, а время расчета сокращается в случае, если достигается точность расчета неважной области.[00131] The traditional calculation of the body membrane usually uses uniform meshes, and sometimes the number of meshes needs to be increased to accurately calculate some areas, so that the calculation time increases and the memory increases exponentially. Generally, uniform meshes are obtained from the model read from CT or PET, here many related areas have the same material such as air, blood or the like, and some of the areas do not need to accurately calculate the careful dose distribution, so the fine mesh can be replaced by a thicker mesh; and for important positions such as tumors or the like, finer meshes need to be divided to achieve more accurate calculation. The dose is calculated using non-uniform meshes, the calculation accuracy of the important area can be improved without significantly increasing the calculation time, and the calculation time is shortened in the case where the calculation accuracy of the unimportant area is achieved.
[00132] Для выполнения моделирования и расчета ниже задаются сетки различных размеров, и сравнивается влияние различных размеров сеток на время моделирования и точность расчета.[00132] To perform the simulation and calculation below, grids of different sizes are specified and the effects of different grid sizes on the simulation time and calculation accuracy are compared.
[00133] В данном эксперименте используют смешанную сетку, образованную сетками 0,4 мм, занимающими первые 5 см в направлении падения нейтронов, сетками 0,8 мм, занимающими средние 5 см в направлении падения нейтронов, и сетками 1,6 мм, занимающими остальную часть смешанной сетки. Из таблицы 3 можно видеть, что общее количество сеток может быть уменьшено до 2/5 от первоначального количества сеток 0,4 мм при использовании неоднородных сеток, память, требуемая сетками, также уменьшается до 1/3 от первоначальной памяти, время расчета сокращается до 34,7% от первоначального времени расчета. За эталон принимается результат, полученный расчетом по сеткам 0,4 мм, при этом результат, полученный расчетом с использованием смешанных сеток, имеет нейтронную погрешность менее 0,1% и фотонную погрешность менее 0,2%.[00133] In this experiment, a mixed grid is used, formed by 0.4 mm grids occupying the first 5 cm in the direction of neutron incidence, 0.8 mm grids occupying the middle 5 cm in the direction of neutron incidence, and 1.6 mm grids occupying the rest of the mixed grid. It can be seen from Table 3 that the total number of grids can be reduced to 2/5 of the original number of 0.4 mm grids when using non-uniform grids, the memory required by the grids is also reduced to 1/3 of the original memory, and the calculation time is reduced to 34.7% of the original calculation time. The result obtained by calculation using 0.4 mm grids is taken as a standard, while the result obtained by calculation using mixed grids has a neutron error of less than 0.1% and a photon error of less than 0.2%.
[00134] Состав смешанной сетки не ограничивается режимом, как проиллюстрировано выше, и может быть установлен в соответствии с конкретной ситуацией подлежащего облучению тела. Как правило, размер сетки определяется степенью важности области, например, размер сетки области, где расположена опухоль, является небольшим и устанавливается как сетка, меньшая или равная 0,4 мм, размер сетки области, где расположено каждое из крови, воздуха и кости, является относительно большим и устанавливается большим или равным 1,6 мм, а размер сетки области, где расположена другая ткань, такая как нормальная мышца или тому подобное, устанавливается большим чем 0,8 мм и меньшим чем 1,6 мм.[00134] The composition of the mixed mesh is not limited to the mode as illustrated above, and can be set according to the specific situation of the body to be irradiated. Generally, the mesh size is determined by the degree of importance of the region, for example, the mesh size of the region where a tumor is located is small and is set as a mesh smaller than or equal to 0.4 mm, the mesh size of the region where each of blood, air, and bone is located is relatively large and is set as greater than or equal to 1.6 mm, and the mesh size of the region where other tissue such as normal muscle or the like is located is set as greater than 0.8 mm and smaller than 1.6 mm.
[00135] Алгоритм, используемый для расчета дозы, является алгоритмом Монте-Карло, который имеет преимущество высокой точности расчета и недостатки низкой скорости сходимости и длительного времени расчета, так что оптимизация эффективности расчета является наиболее важной частью оптимизации. Согласно способу оптимизации каждого из вариантов осуществления изобретения с первого по пятый, эффективность расчета может быть повышена с различными степенями, а время работы может быть сокращено.[00135] The algorithm used for calculating the dose is a Monte Carlo algorithm, which has the advantage of high calculation accuracy and the disadvantages of low convergence speed and long calculation time, so that optimization of the calculation efficiency is the most important part of the optimization. According to the optimization method of each of the first to fifth embodiments of the invention, the calculation efficiency can be improved to different degrees, and the operating time can be shortened.
[00136] Выше были описаны иллюстративные конкретные варианты осуществления изобретения так, что специалист в данной области техники понимает изобретение, однако должно быть очевидно, что изобретение не ограничено объемом этих конкретных вариантов, различные изменения очевидны для специалиста в данной области и подпадают под объем правовой охраны изобретения, если эти изменения соответствуют сущности и объему правовой охраны изобретения, определенным в прилагаемой формуле изобретения.[00136] The above described illustrative specific embodiments of the invention are such that a person skilled in the art understands the invention, however, it should be obvious that the invention is not limited to the scope of these specific embodiments, various changes are obvious to a person skilled in the art and fall within the scope of legal protection of the invention if these changes correspond to the essence and scope of legal protection of the invention, as defined in the attached claims.
Claims (12)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011637729.1 | 2020-12-31 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2023117571A Division RU2820986C1 (en) | 2020-12-31 | 2021-12-22 | Radiation exposure system and method of controlling it |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2024115213A RU2024115213A (en) | 2024-07-04 |
| RU2840334C2 true RU2840334C2 (en) | 2025-05-21 |
Family
ID=
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5844241A (en) * | 1996-07-19 | 1998-12-01 | City Of Hope | System and method for determining internal radioactivity and absorbed dose estimates |
| US20020106054A1 (en) * | 2000-09-22 | 2002-08-08 | Numerix, Llc. | Radiation therapy treatment method |
| CN104367217A (en) * | 2014-11-30 | 2015-02-25 | 蒋明 | Full-automatic multifunctional rice washer |
| CN103955567B (en) * | 2014-04-10 | 2017-02-08 | 中国科学院近代物理研究所 | GPU-base (Graphics Processing Unit-based) multi-particle transport simulation method |
| CN109985316A (en) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 北京连心医疗科技有限公司 | A kind of Radiotherapy dosimetry quick calculation method, equipment and the storage medium of complexity launched field |
| CN110310720A (en) * | 2018-03-20 | 2019-10-08 | 北京连心医疗科技有限公司 | A kind of Monte Carto dosage computing method, equipment and storage medium |
| CN110310743A (en) * | 2018-03-20 | 2019-10-08 | 北京连心医疗科技有限公司 | A kind of Monte Carto dosage computing method, equipment and storage medium |
| RU2727576C1 (en) * | 2016-12-23 | 2020-07-22 | Нойборон Медтех Лтд. | Neutron capture therapy system and target for beam particle generation device |
| RU2736917C1 (en) * | 2017-01-11 | 2020-11-23 | Нойборон Медтех Лтд. | Method for analyzing elements and ratios of weights of tissue elements and a method for constructing a geometric model based on a medical image |
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5844241A (en) * | 1996-07-19 | 1998-12-01 | City Of Hope | System and method for determining internal radioactivity and absorbed dose estimates |
| US20020106054A1 (en) * | 2000-09-22 | 2002-08-08 | Numerix, Llc. | Radiation therapy treatment method |
| CN103955567B (en) * | 2014-04-10 | 2017-02-08 | 中国科学院近代物理研究所 | GPU-base (Graphics Processing Unit-based) multi-particle transport simulation method |
| CN104367217A (en) * | 2014-11-30 | 2015-02-25 | 蒋明 | Full-automatic multifunctional rice washer |
| RU2727576C1 (en) * | 2016-12-23 | 2020-07-22 | Нойборон Медтех Лтд. | Neutron capture therapy system and target for beam particle generation device |
| RU2736917C1 (en) * | 2017-01-11 | 2020-11-23 | Нойборон Медтех Лтд. | Method for analyzing elements and ratios of weights of tissue elements and a method for constructing a geometric model based on a medical image |
| CN109985316A (en) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 北京连心医疗科技有限公司 | A kind of Radiotherapy dosimetry quick calculation method, equipment and the storage medium of complexity launched field |
| CN110310720A (en) * | 2018-03-20 | 2019-10-08 | 北京连心医疗科技有限公司 | A kind of Monte Carto dosage computing method, equipment and storage medium |
| CN110310743A (en) * | 2018-03-20 | 2019-10-08 | 北京连心医疗科技有限公司 | A kind of Monte Carto dosage computing method, equipment and storage medium |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Далечина А.В. и др. Увеличение эффективности моделирования источника излучения электронного ускорителя в дозиметрическом планировании методом Монте-Карло, "Медицинская физика", 2015, N2, c. 43-47. * |
| Таскаев С.Ю. Бор-нейтронозахватная терапия злокачественных опухолей: основы, история и текущее состояние, Онкологический журнал, 2019, т. 2, N2, с. 66-83. * |
| Физические величины, справочник под ред. И.С. Григорьева, М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 966. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US12383766B2 (en) | Radiation irradiation system and control method therefor | |
| RU2721658C1 (en) | Radiation based on medical images radiation shielding device and method | |
| Rasouli et al. | Design and optimization of a beam shaping assembly for BNCT based on D–T neutron generator and dose evaluation using a simulated head phantom | |
| US12172031B2 (en) | Radiotherapy system and therapy plan generation method therefor | |
| Fantidis et al. | Optimization of beam shaping assembly design for boron neutron capture therapy based on a transportable proton accelerator | |
| CN109173082B (en) | Design method of neutron reshaping device | |
| Zhu et al. | Conceptional design of an adjustable moderator for BNCT based on a neutron source of 2.8 áMeV proton bombarding with Li target | |
| RU2840334C2 (en) | Radioactive irradiation system and method of its control | |
| RU2839902C2 (en) | System of irradiation with radioactive beams and method of its control | |
| RU2820986C1 (en) | Radiation exposure system and method of controlling it | |
| CN118098503A (en) | Optimization method of Monte Carlo calculation and neutron capture treatment system | |
| Williams et al. | Deterministic calculations of photon spectra for clinical accelerator targets | |
| Bagherzadeh-Atashchi et al. | Design of beam line for BNCT applications in HEC-1 channel of IRT-T research reactor | |
| TWI857841B (en) | Boron neutron capture therapy system and working method thereof | |
| Garny | Development of a biophysical treatment planning system for the FRM II neutron therapy beamline | |
| Dowdell | Pencil beam scanning proton therapy: the significance of secondary particles | |
| Song et al. | Impact of nuclear cross-section libraries on neutron beam quality and dose distribution in accelerator-based BNCT: a full-process Monte Carlo study | |
| Busch | Use of Automatic Metaheuristic Optimizations for Boron Neutron Capture Therapy | |
| Bulenga | Advancing an Open-Source Radiation Treatment Planning System for Orthovoltage X-ray and Cobalt-60 Teletherapy | |
| Nazir | Range uncertainty and dose uniformity in proton therapy in the presence of inhomogeneities in tissue and phantom materials | |
| Missaglia | Prompt gamma imaging with a slit camera for range monitoring in carbon ion radiation therapy: a Monte Carlo feasibility study | |
| Wemple et al. | Modifications to rtt_MC for Fast Neutron Therapy Treatment Planning | |
| Nemecek | Monte Carlo versus pencil beam based dose calculation for scanned proton therapy: assessment of optimal calculation and user interface parameters | |
| Al-Yahya | Energy modulated electron therapy: design, implementation, and evaluation of a novel method of treatment planning and delivery | |
| Sroka et al. | Design of a moderator assembly delimiter for an ABNS for BNCT |