СИСТЕМА ОБЛУЧЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫМИ ЛУЧАМИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЕЮ Российский патент 2025 года по МПК A61N5/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Один аспект изобретения относится к системе облучения радиоактивными лучами, а другой аспект изобретения - к способу управления системой облучения радиоактивными лучами.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] С развитием ядерных технологий радиотерапия, такая как Кобальт-60, 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.

[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.

[0004] В BNCT две сильно заряженные частицы ⁴Не и ⁷Li получают с использованием характеристики лекарственного средства, содержащего бор (¹⁰ В), имеющего высокую секцию захвата для теплового нейтрона, и посредством захвата нейтрона ¹⁰ В (n, a) 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.

[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.

[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.

[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.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[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 множества элементов, вступающих в реакцию 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.

[0009] В других вариантах осуществления изобретения элементы, фильтрованные модулем плана лечения, могут быть выбраны из одного или более из Н, He, Li, Be, В, С, N, О, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, C1, Ar, К и Ca.

[0010] Более конкретно, элементы, фильтрованные модулем плана лечения, могут представлять собой Н, He, Li, Be, В, С, N, О, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, CI, Ar, К и Ca.

[0011] В другом варианте осуществления модуль плана лечения может удалять базы данных, соответствующие другим температурам, кроме 294 К и 0 К, из базы данных поперечного сечения нейтрона, соответствующей каждому из элементов.

[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 линии заряженных частиц, которая взаимодействует с мишенью для генерации нейтронной линии. Формирующее пучок тело выполнено с возможностью регулирования нейтронной линии, генерируемой устройством генерации нейтронов, для обеспечения предустановленного качества пучка, причем нейтронная линия, генерируемая устройством генерации нейтронов, излучается на облучаемое тело на процедурном столе посредством формирующего пучок тела.

[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 множества элементов, вступающих в реакцию с нейтронами и фотонами, так что во время моделирования моделируются только фильтрованные элементы.

[0014] В других вариантах осуществления изобретения элементы, фильтрованные модулем плана лечения, могут быть выбраны из одного или более из Н, He, Li, Be, В, С, N, О, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, C1, Ar, К и Ca.

[0015] В частности, элементы, фильтрованные модулем плана лечения, могут представлять собой Н, He, Li, Be, В, С, N, О, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, CI, Ar, К и 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 К и 0 К, из базы данных поперечного сечения нейтрона, соответствующей каждому из элементов.

[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 линии заряженных частиц, которая взаимодействует с мишенью для генерации нейтронной линии. Формирующее пучок тело выполнено с возможностью регулирования нейтронной линии, генерируемой устройством генерации нейтронов, для обеспечения предустановленного качества пучка, причем нейтронная линия, генерируемая устройством генерации нейтронов, излучается на облучаемое тело на процедурном столе посредством формирующего пучок тела.

[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 множества элементов, вступающих в реакцию 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.

[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.

[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 линии заряженных частиц, которая взаимодействует с мишенью для генерации нейтронной линии. Формирующее пучок тело выполнено с возможностью регулирования нейтронной линии, генерируемой устройством генерации нейтронов, для обеспечения предустановленного качества пучка, причем нейтронная линия, генерируемая устройством генерации нейтронов, излучается на облучаемое тело на процедурном столе посредством формирующего пучок тела.

[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 п; 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.

[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.

[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.

[0024] В варианте осуществления изобретения частицы могут быть смоделированы параллелизмом процесса и параллелизмом потока CPU и ускорения GPU.

[0025] Предпочтительно каждый из параллелизма процесса и параллелизма потока может реализовывать параллельные вычисления посредством многоядерного 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 п; 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.

[0027] Предпочтительно ускорение GPU может быть реализовано параллельным вычислением множества процессоров GPU.

[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.

[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.

[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.

[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 линии заряженных частиц, которая взаимодействует с мишенью для генерации нейтронной линии. Формирующее пучок тело выполнено с возможностью регулирования нейтронной линии, генерируемой устройством генерации нейтронов, для обеспечения заданного качества пучка, причем нейтронная линия, генерируемая устройством генерации нейтронов, излучается на облучаемое тело на процедурном столе посредством формирующего пучок тела.

[0032] В одном варианте осуществления изобретения модуль плана лечения может рассчитывать толщину t полупоглощения фотона по формуле (1-1):

[0033] где μ - линейный коэффициент затухания фотона, определяемый материалом, через который проходит фотон, и энергией фотона.

[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.

[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 полупоглощения фотона меньше или равна первому предустановленному значению.

[0036] В одном варианте осуществления изобретения модуль плана лечения может рассчитывать толщину t полупоглощения фотона по формуле (1-1):

[0037] где μ - линейный коэффициент затухания фотона, определяемый материалом, через который проходит фотон, и энергией фотона.

[0038] Здесь первым предустановленным значением может быть размер клетки.

[0039] Предпочтительно первое заданное значение может составлять 0,2 мм.

[0040] Когда энергия фотона меньше или равна второму предустановленному значению, толщина полупоглощения фотона, соответствующая энергии фотона, меньше или равна первому предустановленному значению.

[0041] Предпочтительно второе предустановленное значение может составлять 10 кэВ.

[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.

[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.

[0044] При этом уменьшение дисперсии может включать в себя метод неявного захвата, метод весового окна и метод русской рулетки и расщепления. 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 линии заряженных частиц, которая взаимодействует с мишенью для генерации нейтронной линии. Устройство генерации нейтронов включает в себя ускоритель и мишень, ускоритель ускоряет заряженные частицы для генерации линии заряженных частиц, которая взаимодействует с мишенью для генерации нейтронной линии. Формирующее пучок тело выполнено с возможностью регулирования нейтронной линии, генерируемой устройством генерации нейтронов, для обеспечения предустановленного качества пучка, причем нейтронная линия, генерируемая устройством генерации нейтронов, излучается на облучаемое тело на процедурном столе посредством формирующего пучок тела.

[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.

[0046] При этом уменьшение дисперсии может включать в себя метод неявного захвата, метод весового окна и метод русской рулетки и расщепления. Операция моделирования частиц с использованием уменьшения дисперсии может включать в себя следующие операции с SI по S9. В операции S1 получают исходную частицу. В операции S2 определяют, сталкивается ли частица в элементе сетки, и последовательно выполняют операции S3 и S4 в случае столкновения, в противном случае последовательно выполняют операции S5 и S6. В операции S3 выполняется метод неявного захвата. 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 метод русской рулетки и расщепления. В операции S6 определяют, выполняется ли русская рулетка, и выполняется операция S7 в ответ на выполнение русской рулетки, в противном случае процесс возвращается к операции S2. В операции S7 определяют, имеет ли место прекращение моделирования частицы, и выполняют операцию S8 в ответ на прекращение моделирования частицы, 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 прекращения моделирования частицы.

[0047] При этом метод русской рулетки и расщепления может включать в себя следующие операции с S1 по S9. В операции S1 рассчитывается и регистрируется коэффициент ячейки сетки каждой клетки. В операции S2 получают частицы. В операции S3 на частице выполняется проверка весового окна и операция. В операции S4 рассчитывают коэффициент ячейки сетки I_n и I_n+1 до и после того, как частица перекрывает границу сетки. В операции S5 выполняется сравнение, чтобы определить, больше ли I_n, чем I_n+1, и выполняется операция S6, после чего процесс возвращается к операции S3 в ответ на то, что I_n не больше I_n+1, в противном случае выполняется операция S7. В операции S6 частица расщепляется, и уменьшается вес частицы. В операции S7 определяется, имеет ли место прекращение моделирования частицы, и операция S9 выполняется в ответ на определение, что прекращение моделирования частицы имеет место, 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.

[0048] При этом метод неявного захвата может включать в себя следующие операции S1-S7. В операции S1 получают частицы. В операции S2 определяют, сталкивается ли частица в элементе сетки, 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, имеет ли место прекращение моделирования частицы, и выполняют операцию S7 в ответ на наличие прекращения моделирования частицы, в противном случае выполняют операцию S6, после чего процесс возвращается к операции S2. В операции S6 вес делится на вероятность прекращения моделирования частицы. 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.

[0049] При этом метод весового окна 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, имеет ли место прекращение моделирования частицы, и процесс завершается в ответ на наличие прекращения моделирования частицы, в противном случае выполняется операция S6, после чего процесс возвращается к операции S1. В операции S6 вес частицы увеличивается.

[0050] В одном варианте осуществления изобретения коэффициент ячейки сетки может быть получен путем решения сопутствующего уравнения транспортировки, которое имеет следующий вид:

[0051] где ϕ* - сопровождающий поток, S* - сопровождающий источник, v -скорость движения частицы, Ω. - направление движения частицы, Σt - поперечное сечение реакции частицы, сталкивающейся с веществом, Σs - поперечное сечение рассеяния, г -положение частицы, Е - энергия частицы, t время.

[0052] В частности, частица может перемещаться из сетки с коэффициентом ячейки сетки I_n в сетку с коэффициентом ячейки сетки I_n+1, при этом когда задано I_n+1>I_n, m=I_n+1/I_n, частица расщепляется на m частиц, вес каждой из частиц уменьшается до 1/m исходного веса; когда I_n+1<I_n, на частице выполняется техника русской рулетки, Р=I_n+1/I_n 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 моделирование частицы прекращается.

[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=wl 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.

[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.

[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.

[0056] При этом размер клетки важной области может быть установлен модулем плана лечения меньшим, чем размер клетки неважной области.

[0057] При этом размер сетки области, где расположена опухоль, может быть установлен модулем плана лечения меньшим или равным 0,4 мм.

[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.

[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.

[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 линии заряженных частиц, которая взаимодействует с мишенью для генерации нейтронной линии. Формирующее пучок тело выполнено с возможностью регулирования нейтронной линии, генерируемой устройством генерации нейтронов, для обеспечения заданного качества пучка, причем нейтронная линия, генерируемая устройством генерации нейтронов, излучается на облучаемое тело на процедурном столе посредством формирующего пучок тела.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0066] Фиг. 1 - схематическая модульная схема системы BNCT в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0067] Фиг. 2 - схематическая структурная схема системы BNCT в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0068] Фиг. 3 -блок-схема вычислений параллелизма процесса и параллелизма потока CPU в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0069] Фиг. 4 - блок-схема моделирования и вычисления ускорения GPU в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0070] Фиг. 5 - блок-схема моделирования частиц с использованием техники уменьшения дисперсии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0071] Фиг. 6 - блок-схема метода русской рулетки и расщепления в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0072] Фиг. 7 - блок-схема метода неявного захвата в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

[0073] Фиг. 8 - блок-схема метода весового окна в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[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.

[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 (¹⁰ В), имеющего высокое сечение захвата для теплового нейтрона, и посредством захвата нейтрона ¹⁰ В (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 а-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.

[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.

[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:

[0078] Поток надтепловых нейтронов>1 х 10⁹ н/см²с

[0079] Загрязнение быстрыми нейтронами<2 х10^-13 Гр-см²/н

[0080] Загрязнение фотонами<2 х10^-13 Гр-см²/н

[0081] Отношение потока тепловых и надтепловых нейтронов<0,05

[0082] Отношение тока надтепловых нейтронов к потоку>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.

[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

[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 линии Р заряженных частиц, такой как линия протонов, причем линия Р заряженных частиц излучается на мишень Т и взаимодействует с мишенью Т для генерации линии 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) 9 В, 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.

[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.

[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, A1F₃, Fluenal™, CaF₂, Li₂CO₂₃, MgF₂ или A1₂O₃. 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.

[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 ⁴Не и ⁷Li с использованием характеристики лекарственного средства, содержащего бор (В-10), имеющего высокое сечение захвата для теплового нейтрона, и посредством захвата нейтрона 10 В (n, a) ⁷Li 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 ⁷Li 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.

[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, линия 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.

[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.

[0091] Первый вариант: оптимизация базы данных в модуле 20 плана лечения.

[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%.

[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.

[0094] Элементы (выбранные из одного или более из Н, He, Li, Be, В, С, N, О, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar, К 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.

[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 К, 1200 К, 2500 К, 250 К, 294 К, 600 К, 900 К, однако в сценах применения системы облучения радиоактивными лучами необходимо моделировать и рассчитывать только модель человеческого тела, а нормальная температура человеческого тела составляет от 310 К до 315 К. 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 К, хранящуюся в базе данных, и выполняет моделирование и расчет, принимая 294 К в качестве параметра. При этом при расчете доплеровского эффекта используется температура 0 К. Другими словами, в сценах применения системы облучения радиоактивными лучами используются только две температуры 294 К и 0 К 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 К и 0 К, 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.

[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 К, 310 К и 330 К соответственно.

Таблица 1: Результат выполнения системой Монте-Карло моделирования и расчета нейтронной дозы на одной и той же модели человеческого тела при температурах 294 К, 310 К и 330 к

[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 К и хранящаяся в системе, которая может удовлетворять требованиям использования, при этом ошибка, генерируемая конечным результатом расчета, находится в допустимом диапазоне.

[0098] Второй вариант: прерывание процесса во время моделирования частиц для сокращения времени моделирования частиц.

[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%.

[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.

[00101] В частности, толщину t полупоглощения фотона рассчитывают по формуле (1-1):

[00102] где μ - линейный коэффициент затухания фотона, определяемый материалом, через который проходит фотон, и энергией фотона.

[00103] Толщины полупоглощения различных значений энергии фотонов в человеческом скелете рассчитаны ниже на примере человеческого скелета.

[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.

[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.

[00106] Из таблицы 3 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%.

[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.

[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.

[00109] Третий вариант: ускорение модуля расчета дозы с использованием параллельной технологии.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[00115] Четвертый вариант: использование техники уменьшения дисперсии Монте-Карло для ускорения сходимости.

[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 метод неявного захвата, метод весового окна, метод русской рулетки и расщепления и тому подобное. При этом метод русской рулетки и расщепления образован из техники русской рулетки и техники расщепления. Техника русской рулетки, техника расщепления, коэффициент ячейки сетки, метод неявного захвата и метод весового окна, участвующие в технике уменьшения дисперсии, описаны ниже.

[00117] Техника русской рулетки: 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, моделирование частицы прекращается.

[00118] Техника расщепления: когда вес w частицы больше определенного значения (например, 10), целая часть w устанавливается равной wl, 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.

[00119] Коэффициент ячейки сетки: частицы в разных областях модели имеют различный вклад в дозу, вклад частицы в дозу характеризуется коэффициентом ячейки сетки, причем коэффициент ячейки сетки каждой сетки рассчитывается в соответствии с такими параметрами, как положение опухоли, характеристики модели или тому подобное, перед моделированием. Частица перемещается из сетки с коэффициентом ячейки сетки I_n в сетку с коэффициентом ячейки сетки I_n+1, причем когда I_n+1>I_n, m=I_n+1/I_n установлен, частица расщепляется на m частиц, вес каждой из частиц уменьшается до 1/m исходного веса; когда I_n+1<I_n, на частице выполняется техника рулетки, установлено Р=I_n+1/I_n, случайное число х выбирается между 0 и 1, и когда х меньше Р, частица сохраняется и вес умножается на 1/Р, в противном случае моделирование частицы прекращается.

[00120] Способ расчета коэффициента ячейки сетки: коэффициент ячейки сетки может быть получен путем расчета сопутствующего потока, полученного решением сопутствующего уравнения транспортировки, которое имеет вид:

[00121] где ϕ* - сопровождающий поток, S* - сопровождающий источник, v -скорость движения частицы, Ω - направление движения частицы, Σt - сечение реакции частицы, сталкивающейся с веществом, Σs - поперечное сечение рассеяния, r - положение частицы, Е - энергия частицы, t - время.

[00122] Метод неявного захвата: когда частица взаимодействует с веществом, частица только рассеивается и не поглощается, а вес частицы умножается на Р _{рассеяния}/Р_общий в каждом столкновении. Когда вес частицы уменьшается до определенного значения (например, 0,25), частицу обрабатывают с использованием техники рулетки.

[00123] Метод 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 рулетки. Здесь два значения устанавливаются в соответствии с производительностью программного обеспечения.

[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 прекращение моделирования частицы; 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 неявный захват. 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 метод неявного захвата. 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 коэффициента ячейки сетки. 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 метод неявного захвата, разумную настройку коэффициента ячейки сетки и метода весового окна, чтобы ускорить скорость конвергенции программы Монте-Карло.

[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 сетки, и последовательно выполняют операции S3 и S4 в случае столкновения, в противном случае последовательно выполняют операции S5 и S6. В операции S3 выполняется метод неявного захвата. 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 метод русской рулетки и расщепления. В операции S6 определяют, выполняется ли русская рулетка, и операция S7 выполняется в ответ на выполнение русской рулетки, в противном случае процесс возвращается к операции S2. В операции S7 определяют, имеет ли место прекращение моделирования частицы, и выполняют операцию S8 в ответ на прекращение моделирования частицы, 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 прекращения моделирования частицы.

[00126] Как показано на фиг.6, процесс метода русской рулетки и расщепления выглядит следующим образом. В операции S1 рассчитывают и регистрируют коэффициент ячейки сетки каждой сетки. В операции S2 получают частицы. В операции S3 на частице выполняется проверка весового окна и операция. В операции S4 рассчитывают коэффициент ячейки сетки I_n и I_n+1 до и после того, как частица перекрывает границу сетки. В операции S5 выполняется сравнение, чтобы определить, больше ли I_n, чем I_n+1, и выполняется операция S6, после чего процесс возвращается к операции S3 в ответ на то, что I_n не больше I_n+1, в противном случае выполняется операция S7. В операции S6 частица расщепляется, и уменьшается вес частицы. В операции S7 определяется, имеет ли место прекращение моделирования частицы, и операция S9 выполняется в ответ на определение, что для частицы имеет место прекращение моделирования частицы, 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.

[00127] Как показано на фиг. 7, процесс метода неявного захвата выглядит следующим образом. В операции S1 получают частицы. В операции S2 определяют, сталкивается ли частица в элементе сетки, 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, имеет ли место прекращение моделирования частицы, и выполняют операцию S7 в ответ на наличие прекращения моделирования частицы, в противном случае выполняют операцию S6, после чего процесс возвращается к операции S2. В операции S6 вес делится на вероятность прекращения моделирования частицы. 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.

[00128] Как показано на фиг.8, процесс метода 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, имеет ли место прекращение моделирования частицы, и процесс завершается в ответ на прекращение моделирования частицы, в противном случае выполняется операция S6, после чего процесс возвращается к операции S1. В операции S6 вес частицы увеличивается.

[00129] Для сравнения эффектов ускорения техники уменьшения дисперсии, приводящей к расчету дозы, сравнивают стандартные отклонения результатов и времени вычисления в случае использования метода неявного захвата и неиспользования метода неявного захвата. Для той же индивидуальной мембранной модели рассчитывают десять миллионов частиц, время вычисления составляет 1584 с, а стандартное отклонение расчета дозы составляет 11% с использованием техники метода неявного захвата, при этом без использования метода неявного захвата время вычисления составляет 1258 с, а стандартное отклонение расчета дозы составляет 14,5%. Чтобы уменьшить стандартное отклонение до того же уровня, как при использовании метода неявного захвата, 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 метода неявного захвата, то есть использование техники метода неявного захвата сокращает время расчета примерно на 20%.

[00130] Пятый вариант: выполнение моделирования и расчета с использованием неравномерных прямоугольных сеток.

[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.

[00132] Для выполнения моделирования и расчета ниже задаются сетки различных размеров, и сравнивается влияние различных размеров сеток на время моделирования и точность расчета.

Таблица 4: время моделирования и точность расчета, соответствующие сеткам с различными размерами

[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 4 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%.

[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.

[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.

[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.

Изобретение относится к системе облучения радиоактивным излучением и способу управления системой облучения радиоактивным излучением и может использоваться в лучевой терапии. Техническим результатом является сокращение времени расчета распределения дозы облучения за счет увеличения скорости расчета модуля плана лучевого воздействия, а также уменьшение используемой памяти модулем плана лечения. Система содержит устройство облучения пучком, генерирующее лечебный пучок, модуль плана лечения, а также модуль управления, управляющий излучением устройства облучения пучком в соответствии с планом лечения. Причем модуль плана лечения выполнен с возможностью моделирования потоков нейтронов и фотонов с уменьшением дисперсии методом неявного захвата, методом весового окна и методом русской рулетки и расщепления и расчета дозы в соответствии с параметрами лечебного пучка и данными медицинской визуализации облучаемого участка и генерирования плана лечения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил., 4 табл.

1. Система облучения радиоактивным излучением, отличающаяся тем, что система облучения радиоактивным излучением содержит:

устройство облучения пучком, генерирующее лечебный пучок и излучающее лечебный пучок на облучаемое тело для образования облучаемого участка;

модуль плана лечения, выполненный с возможностью моделирования потоков нейтронов и фотонов с уменьшением дисперсии методом неявного захвата, методом весового окна и методом русской рулетки и расщепления и расчета дозы в соответствии с параметрами лечебного пучка и данными медицинской визуализации облучаемого участка и генерирования плана лечения; и

модуль управления, управляющий излучением устройства облучения пучком в соответствии с планом лечения,

причем система облучения радиоактивным излучением представляет собой систему нейтронозахватной терапии, а устройство облучения пучком содержит устройство генерации нейтронов, тело формирования пучка и процедурный стол, при этом устройство генерации нейтронов содержит ускоритель и мишень, ускоритель ускоряет заряженные частицы для генерации линии заряженных частиц, взаимодействующей с мишенью для генерации линии нейтронов, тело формирования пучка способно регулировать линию нейтронов, генерируемую устройством генерации нейтронов, чтобы иметь предустановленное качество пучка, причем линия нейтронов, генерируемая устройством генерации нейтронов, излучается на облучаемое тело на процедурном столе посредством тела формирования пучка.

2. Способ управления системой облучения радиоактивным излучением, отличающийся тем, что система облучения пучком содержит: устройство облучения пучком, генерирующее лечебный пучок и излучающее лечебный пучок на облучаемое тело для образования облучаемого участка; модуль плана лечения, выполняющий моделирование и расчет дозы в соответствии с параметрами лечебного пучка и данными медицинской визуализации облучаемого участка и генерирующий план лечения; и модуль управления, управляющий излучением устройства облучения пучком в соответствии с планом лечения,

способ управления системой облучения радиоактивным излучением содержит: моделирование модулем плана лечения частиц с использованием уменьшения дисперсии методом неявного захвата, методом весового окна и методом русской рулетки и расщепления, причем моделирование частиц с использованием уменьшения дисперсии содержит: S1: получение исходной частицы; S2: определение, сталкивается ли частица в элементе решетки, и последовательное выполнение S3 и S4 в случае столкновения, в противном случае последовательное выполнение S5 и S6; S3: выполнение метода неявного захвата; S4: определение, является ли вес меньшим, чем весовое окно, и выполнение S7 в ответ на то, что вес меньше, чем весовое окно, в противном случае возвращение к S2; S5: выполнение метода русской рулетки и расщепления; S6: определение, выполняется ли русская рулетка, и выполнение S7 в ответ на выполнение русской рулетки, в противном случае возвращение к S2; S7: определение, является ли результатом русской рулетки прекращение моделирования частицы, и выполнение S8, если результатом русской рулетки является прекращение моделирования частицы, в противном случае выполнение S9, после чего возвращение к S2; S8: определение, завершена ли обработка частиц, и окончание процесса в ответ на завершение обработки частиц, в противном случае возвращение к S1; и S9: деление веса на вероятность того, что результатом русской рулетки является прекращение моделирования частицы.

3. Способ управления системой облучения радиоактивным излучением по п. 2, в котором метод русской рулетки и расщепления содержит: S1: вычисление и регистрацию коэффициента ячейки сетки каждой сетки; S2: получение частиц; S3: выполнение проверки весового окна и операции S4 над частицей; S4: вычисление коэффициента ячейки сетки I_n и I_n+1 до и после того, как частица перекрывает границу сетки; S5: выполнение сравнения для определения, больше ли I_n, чем I_n+1, и выполнение S6, после чего возвращение к S3 в ответ на то, что I_n не больше, чем I_n+1, в противном случае выполнение S7; S6: расщепление частицы и уменьшение веса частицы; S7: определение, является ли результатом русской рулетки прекращение моделирования частицы и выполнение S9, если результатом русской рулетки является прекращение моделирования частицы, в противном случае выполнение S8, после чего возвращение к S3; S8: увеличение веса частицы; S9: определение, завершено ли моделирование частиц, и возвращение к S2 в ответ на определение, что моделирование частиц не завершено, если моделирование завершено, процесс завершается.

4. Способ управления системой облучения радиоактивным излучением по п. 2, в котором метод неявного захвата содержит: S1: получение частиц; S2: определение, сталкивается ли частица в ячейке сетки, и выполнение S3 в случае столкновения, в противном случае возвращение к S1; S3: умножение веса на вероятность возникновения рассеяния; S4: определение, является ли вес частицы меньшим, чем наименьший вес, и выполнение S5 в ответ на то, что вес меньше наименьшего веса, в противном случае возвращение к S2; S5: определение, является ли результатом русской рулетки прекращение моделирования частицы, и выполнение S7, если результатом русской рулетки является прекращение моделирования частицы, в противном случае выполнение S6, после чего возвращение к S2; S6: деление веса на вероятность прекращения моделирования частицы; S7: определение, завершено ли моделирование частиц, и возвращение к S1 в ответ на определение, что моделирование частиц не завершено, если моделирование завершено, процесс завершается.

5. Способ управления системой облучения радиоактивным излучением по п. 2, в котором метод весового окна содержит: S1: моделирование движения частиц; S2: определение, попадает ли вес частицы в диапазон весового окна и возвращение к S1 в ответ на попадание веса частицы в диапазон весового окна, в противном случае выполнение S3; S3: определение, превышает ли вес весовое окно, выполнение S4, после чего возвращение к S1 в ответ на превышение весом весового окна, в противном случае выполнение S5; S4: расщепление частицы и уменьшение веса; S5: определение, является ли результатом русской рулетки прекращение моделирования частицы, и завершение процесса, если результатом русской рулетки является прекращение моделирования частицы, в противном случае выполнение S6, после чего возвращение к S1; и S6: увеличение веса частицы.

6. Способ управления системой облучения радиоактивным излучением по п. 3, в котором коэффициент ячейки сетки получают путем решения уравнения транспортировки, которое имеет следующий вид:

где ϕ* - сопровождающий поток, S* - сопровождающий источник, v - скорость движения частицы, Ω - направление движения частицы, Σ_t поперечное сечение реакции частицы, сталкивающейся с веществом, Σ_s - поперечное сечение рассеяния, r - положение частицы, Е - энергия частицы, t - время.

7. Способ управления системой облучения радиоактивным излучением по п. 6, в котором частица перемещается из сетки с коэффициентом ячейки сетки I_n в сетку с коэффициентом ячейки сетки I_n+1 и, когда устанавливается I_n+1>I_n, m=I_n+1/I_n, частицу расщепляют на m частиц, вес каждой из частиц уменьшается до 1/m исходного веса; когда I_n+1<I_n, на частице выполняется русская рулетка, устанавливается Р=I_n+1/I_n, отбирается случайное число х между 0 и 1 и, когда х меньше Р, частица сохраняется, а вес умножается на 1/Р, в противном случае моделирование частицы прекращается.

8. Способ управления системой облучения радиоактивным излучением по любому из пп. 2-7, в котором вес частицы имеет 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, w=w1 устанавливается, когда х больше w2, после чего частицу расщепляют на w частиц для моделирования до тех пор, пока вес каждой из частиц не уменьшается до 1.