基于血流动力学模型模拟下的循环血细胞剂量累积算法

1.本发明涉及循环血细胞剂量累积算法领域，尤其涉及一种基于血流动力学模型模拟下的循环血细胞剂量累积算法。


背景技术：

2.中国是人口大国，癌症是导致人类死亡的三大疾病之一。恶性肿瘤传统的主要治疗方式有手术、放疗、化疗三大模式，且约60％-70％的肿瘤病人需进行放射治疗。近年来，随着临床肿瘤学、医学影像学、放射物理学、放射生物学和肿瘤免疫学的发展，放射治疗技术经历了从二维照射技术到三维照射技术的变更。从二维的普放照射技术(2d-crt)到三维适形放射技术(3d-crt)，再从调强技术(imrt)到容积旋转调强技术(vmat)、螺旋断层放疗技术(tomo)，更是“三精”(精确定位、精确计划、精确治疗)的体现和追求。
3.精确治疗基于精确的放疗方案，放疗方案设计基于病人的定位ct影像。临床放疗医生根据人体解剖学结构，分割出肿瘤照射治疗区以及需保护的组织器官轮廓。
4.使用放射治疗计划系统(treatment planning system,tps)对病人进行放疗方案设计时，ct上病人各组织器官其实是人体某时刻的“静止”状态，而tps对各组织器官计算出的放疗剂量，则被视作病人在整疗程下受到的累积剂量。但对人体血液循环系统而言，它是为一个循环的“动态”过程，照射区域内血流状态在每秒间都有变化(受照射后的血液不断流出照射区域，新鲜血液不断流入照射区域)。实际流动的血液系统与tps计算基于的“静止”状态ct图像造成了一对鲜明矛盾，tps系统的剂量计算完全不能真实统计体循环系统中血液受照剂量。在当前临床任一款tps产品中，尚无此理念及算法技术的植入和展现。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于血流动力学模型模拟下的循环血细胞剂量累积算法，提供血液受照剂量计算工具，实现血液中免疫细胞实际受照剂量在tps系统中完成统计与计算；创建放射治疗临床中病人流动血液细胞的受照累积剂量统计模型，开创人体血液系统剂量统计学技术。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种基于血流动力学模型模拟下的循环血细胞剂量累积算法，包括步骤：
7.s1：根据ct定位影像，取血管系统中肿瘤放疗区域内单一血管，设定该血管的血流速度和血管横截面积，建立所述血管的血流动力学模型，所述血流动力学模型包括多个血流参数；
8.s2：根据放射治疗计划系统的放疗计划方案参数，在三维空间上将所述血管的血流动力学模型的位置对齐到放疗射野投照系统；
9.s3：解析所述ct定位影像获得剂量投照系统参数；并利用所述剂量投照系统参数、所述血流参数和一血流剂量投照动态卷积模型统计所述血管中动态血液放疗时所受的沉积剂量；
10.s4：根据所述沉积剂量绘制一人体血液细胞计量累积微分统计图，所述人体血液细胞计量累积微分统计图的x轴为血细胞个数，y轴为血细胞在放疗中的沉积剂量。
11.优选地，所述s3步骤中：
12.解析所述ct定位影像的dicom标准格式的rt plan文件，所述rt plan文件包含有驱动放疗加速器按帧执行的所述剂量投照系统参数，所述剂量投照系统参数包括放疗状态控制点信息和剂量信息，根据所述剂量信息逐帧画出剂量投照时间轴。
13.优选地，所述s3步骤中，所述血流剂量投照动态卷积模型包括公式：
[0014][0015][0016]
其中，ω
t
表示血液流动求解域；u＝(u
x
,uy,uz)表示血液流动速度场，u
x
,uy,uz分别为所述血液流动速度场中沿x轴、y轴和z轴的血流流动速度的分量；p表示压力场；v表示粘性系数；ρ表示血液密度；(x,y,z)表示求解域的笛卡尔坐标系；d(x,y,z)表示所述笛卡尔坐标系下(x,y,z)处的沉积剂量；ψ(u,v,w)为体微元dudvdw中心处的通量；k(u,v,w)表示能量沉积的电核；e表示粒子的能量；表示质量衰减系数；t表示时间。
[0017]
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
[0018]
本发明利用血流剂量投照动态卷积模型，模拟还原病人体内血液循环系统在接受放疗剂量实施的过程，填补了放疗计划系统(tps)中只能统计计算“静止”器官累积剂量，而不能实现“动态”血流系统中血液细胞实际累积受照剂量的问题，且血液细胞受照剂量统计真实可靠性强。基于卷积算法的血流剂量投照动态卷积模型易于实现。
附图说明
[0019]
图1为本发明实施例的血管通量示意图。
具体实施方式
[0020]
下面根据附图图1，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
[0021]
请参阅图1，本发明实施例的一种基于血流动力学模型模拟下的循环血细胞剂量累积算法，包括步骤：
[0022]
s1：根据ct定位影像，取血管系统中肿瘤放疗区域内单一血管，设定该血管的血流速度和血管横截面积，建立血管的血流动力学模型，血流动力学模型包括多个血流参数，如图1所示；
[0023]
s2：根据放射治疗计划系统的放疗计划方案参数，在三维空间上将血管的血流动力学模型的位置对齐到放疗射野投照系统；
[0024]
s3：解析ct定位影像获得剂量投照系统参数；并利用剂量投照系统参数、血流参数和一血流剂量投照动态卷积模型统计血管中动态血液放疗时所受的沉积剂量；
[0025]
s4：根据沉积剂量绘制一人体血液细胞计量累积微分统计图，人体血液细胞计量
累积微分统计图的x轴为血细胞个数，y轴为血细胞在放疗中的沉积剂量。
[0026]
s3步骤中：
[0027]
解析ct定位影像的dicom标准格式的rt plan文件，rt plan文件包含有驱动放疗加速器按帧执行的剂量投照系统参数，剂量投照系统参数包括放疗状态控制点信息和剂量信息，根据剂量信息逐帧画出剂量投照时间轴。
[0028]
s3步骤中，血流剂量投照动态卷积模型包括公式：
[0029][0030][0031]
其中，ω
t
表示血液流动求解域；u＝(u
x
,uy,uz)表示血液流动速度场，u
x
,uy,uz分别为血液流动速度场中沿x轴、y轴和z轴的血流流动速度的分量；p表示压力场；v表示粘性系数；ρ表示血液密度；(x,y,z)表示求解域的笛卡尔坐标系；d(x,y,z)表示笛卡尔坐标系下(x,y,z)处的沉积剂量；ψ(u,v,w)为体微元dudvdw中心处的通量；k(u,v,w)表示能量沉积的电核；e表示粒子的能量；表示质量衰减系数；t表示时间。
[0032]
以肝细胞肝癌病人为例，通过病人放疗前采集的定位ct影像，使用tps系统工具分割出肝癌放疗靶区放疗区域内血管系统，包括肝门静脉、肝动脉、肝静脉等，通过轮廓分割线，建立肝脏以及肿瘤放疗照射范围(20％处方剂量线内)三维血管网。
[0033]
考虑稳态血液流动，通过流体力学计算各个血管分支的流速、通量等。参照一级分支大血管给定的参考血流流速(临床应用已给出参考值)，按照分支血管横截面逐级分配血流流速并标记流向。例如肝静脉流速32.8cm/s，肝动脉流速72.6cm/s，门静脉22.8cm/s，分支血管根据其分级和截面积，逐级配比血流流速。人体血容量取平均值5l，30s完成一次体循环，每次体循环周期结束后，视为血液内所有血细胞重新均匀分布。建立一套流动着的三维血管血流模型。
[0034]
根据已有的tps放疗方案，将dicom格式的放疗rt plan文件进行读取、解析，获取放疗实施计划参数值，包括加速器剂量投照模式、放疗子野(segment)大小信息、投照剂量率(mu/min)、单次处方剂量(mu)和驱动放疗加速器执行剂量投照过程各状态点的控制点信息等。每个控制点可视为一帧，加速器的逐帧执行可画出剂量投照时间轴t。
[0035]
将三维血管血流系统中心位置及方向参照放疗计划方案对齐到上述放疗剂量投照系统。通过已知的曝光照射时间、照射剂量率、射野大小、输出因子、算法计算核等参数可计算出每一帧状态下病人体内累积剂量，将血管血流剂量投照进行卷积计算，可逐帧画出血液体积在时间轴t上的动态剂量累积分布情况。建立起血流剂量投照动态卷积模型。
[0036]
从最初放射线打开时开始计时，放射线会将其能量沉积在人体血液中，根据血流剂量投照卷积模型可统计出三维血管系统中血液受到的累积剂量，参照公式(1)和公式(2)。对时间轴进行微分，将δt＝0.1s作为最小时间单元，可计算最小时间单元内病人体内三维剂量投射分布；对时间轴t进行积分，可获得病人体内血液经过放疗后的总剂量累积分布情况，即血液系统的血液体积剂量图。
[0037]
考虑血液流动性，在每个血液体循环后，受照血细胞都被视为重新均匀分布至整
个体循环系统，并在加速器放射治疗时间轴内经历了多次体循环。
[0038]
本发明实施例的一种基于血流动力学模型模拟下的循环血细胞剂量累积算法，利用完成的血液系统血流剂量投照动态卷积模型统计算法，可结合放疗计划系统(tps)直观便利地查看血液受照剂量情况，及时可靠地向临床肿瘤医生展现量化数据结果。对tps不能统计的流动血液细胞受照累积剂量情况，作为其另一部分功能的补充。
[0039]
肿瘤的综合治疗模式在演化，肿瘤免疫治疗在迅速发展，其疗法也越来越受肿瘤治疗学重视。人类血液循环系统中存在大量免疫细胞，通过血管血流剂量投照的卷积方法建立计算模型，统计动态血液循环中血细胞受照剂量，进而与病人放疗免疫反应相结合研究。目前肿瘤免疫学研究大都是基于骨髓造血细胞受照剂量与放疗毒性的相关研究，鲜有人提及血液受照剂量与放疗毒性的相关性研究，究其瓶颈即为无良好的方法解决血液循环系统中流动血液细胞所受剂量的统计方法和量化结果，无法获取血液细胞实际累积剂量。此发明专利即为解决该方面问题，将血液细胞受照剂量以模拟拟合方式做出计算，以满足临床剂量的统计，为临床放疗免疫学研究提供剂量之工具，创立人体动态血液系统剂量统计学技术。
[0040]
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。