面向CT影像的OpenMC自动化建模方法与流程

本发明涉及一种基于ct影像的建模方法，具体涉及一种面向ct影像的openmc自动化建模方法。

背景技术：

1、硼中子俘获治疗(boron neutron capture therapy，简称bnct)是通过中子与10b反应产生α、7li重离子杀死癌细胞的二元疗法。由于含硼的药物在生物组织中具有靶向性的特点，在进入人体后会选择性富集于肿瘤组织中，经热中子照射，发生反应，并产生α粒子和7li粒子。而这些粒子具有高rbe（相对生物效应）、高let（传能线密度）、短射程，可以在对正常组织有很小伤害的前提下，更有针对性地摧毁肿瘤组织。硼中子俘获治疗相较于传统的光电子放疗，是一种在细胞层级上直接灭杀肿瘤细胞的二元靶向疗法。

2、为了达成在患者肿瘤区域精准给剂量的目的，放射治疗计划系统（treatmentplanning system，tps）利用专业的算法程序对人体组织吸收剂量的分布进行模拟，估算出靶区及周围组织的剂量分布情况，使得中子加速器出束、硼药剂量及患者摆位达到最优化的配置。因此在bnct治疗过程中，tps是关乎成败非常关键的一环。目前bnct的治疗计划主要内容需要以下几个方面：一、患者医学影像的获取，可以读取患者的ct或mri影像数据；二、依托影像数据对人体几何三维重建；三、根据几何体的需要设置束的相关参数；四、利用专业算法计算剂量分布情况；五、根据剂量的结果分布，确定治疗方案。根据上述所需内容，可以将tps分为三部分来研究：一、人体三维模型的建成，包括几何和材料；二、粒子输运计算，涉及中子与10b及其它组织材料的核反应；三、图像及剂量结果的可视化。

3、无论是最初使用反应堆作为bnct装置的中子源，还是近几年基于质子加速器的中子源，都需要对中子的行为进行输运计算，确定最终的照射剂量。对于中子输运的计算，基于随机抽样的蒙特卡罗方法更合适。在众多蒙特卡罗程序中，成熟的程序，版权要求高，开发所受局限性大。openmc虽然从发布时间来看相对还比较年轻，但他完全开源的特性有着极强的可塑性可开发性，对于计划系统的自研有着非常重要的支持性。

4、医学数字影像与通讯(digital imaging and communications in medicine，dicom)是满足临床中各医疗信息系统储存以及传输医学数字影像的标准。在bnct计划系统中，不仅需要dicom格式作为定位、靶区勾画等的图像基础，也需要用dicom格式的ct影像重建形成人体模型。在剂量计算中，基于ct影像建立人体模型，可以模拟计算出更接近真实情况的剂量分布。而dicom格式的图像无法直接用于蒙特卡罗程序计算。

5、在bnct计划系统中，使用近似人体组织和形状的模型，基于蒙特卡罗模拟方法进行剂量计算至关重要。因此，需要开发一种将ct影像在蒙特卡罗程序中建模的方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种面向ct影像的openmc自动化建模方法，以解决基于ct影像在openmc蒙特卡罗程序中的建模后的剂量计算问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种面向ct影像的openmc自动化建模方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤1，将dicom格式的ct影像数据导入vtk可视化工具包进行处理，提取基于hu值的ct数据；

5、步骤2，vtk可视化工具包根据正常人体组织的hu值，将采集到的hu值与对应的ct数据的像素位置建立一一对应的关系，形成三维矩阵数据集；

6、步骤3，将步骤2中的三维矩阵数据集重新合并归类，形成重组后的材料数据，根据hu值划分多个区间，对每个区间定义一种材料和对应的材料密度，使多个区间合并为多种材料和编号的集合，所述编号为区间的编号；

7、步骤4，将步骤3中的多种材料和编号的集合按openmc中的材料模块的创建编写方法编写模型材料，形成蒙特卡罗程序设定的可以计算的运行文档；

8、步骤5，根据ct影像数据的像素大小和扫描间隔，在openmc中建立相应尺寸的几何曲面元；

9、步骤6，利用openmc中栅元功能，将步骤4中建立的模型材料写入步骤5中的几何曲面元中，从而建立栅元；

10、步骤7，利用openmc中宇宙功能，将步骤6中建立的栅元编入宇宙中，得到具有材料属性的体素元；

11、步骤8，利用openmc中的栅格功能，确定体素元的大小和位置后，将步骤7中编好的体素元，按步骤3中的三维矩阵数据集中包含的三维矩阵对应的位置数据编写入openmc中，输出形成ct影像体素模型；

12、步骤9，使用中子源项数据，基于建成的ct影像体素模型进行中子剂量计算，进而统计整个模型内的中子通量，得到输出文件，该文件是一组三维矩阵数据。

13、本发明的有益效果：

14、可以将dicom格式的ct影像数据根据hu值进行提取，转化成由hu值和对应位置信息组成的三维矩阵，经过对材料信息的合并归类，重组成新的材料数据，编号后在openmc中建立体素元，经lattice功能，可以将编号的体素元建立成以ct数据为基础的体素模型，使用openmc对此模型进行中子剂量计算，可以得到与原始ct图像轮廓近似的剂量云图，达到建立可用于蒙特卡罗计算的ct模型的目的。

技术特征：

1.一种面向ct影像的openmc自动化建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的面向ct影像的openmc自动化建模方法，其特征在于，在步骤5中，ct影像数据的像素大小是，扫描相隔为1mm，在openmc中建立1mm×1mm×1mm几何曲面元。

3.根据权利要求1所述的面向ct影像的openmc自动化建模方法，其特征在于，在步骤9中，使用在蒙特卡罗程序中设计的计数网格以用于中子剂量计算，设计的计数网格与ct影像体素模型体素元一一对应。

4.根据权利要求1所述的面向ct影像的openmc自动化建模方法，其特征在于，在步骤9中，输出文件格式为.out，且通过该输出文件可以得到中子通量。

技术总结
本发明公开了一种面向CT影像的OpenMC自动化建模方法，包括以下步骤：将DICOM格式的CT影像数据导入VTK可视化工具包提取基于HU值的CT数据；形成三维矩阵数据集；将三维矩阵数据集重新合并归类；将多种材料和编号的集合编写成蒙特卡罗程序设定的可以计算的运行文档；在OpenMc中建立相应尺寸的几何曲面元；将建立的模型材料写入几何曲面元中，从而建立栅元；将建立的栅元编入宇宙中，得到具有材料属性的体素元；将编好的体素元，按三维矩阵数据集中包含的三维矩阵对应的位置数据编写入OpenMC中；进行中子剂量计算，进而统计整个模型内的中子通量。本发明可得到与原始CT图像轮廓近似的剂量云图，建立可用于蒙特卡罗计算的CT模型。

技术研发人员：郭鑫,卢棚,林辉,伍秋染,金龙泉,梁立振
受保护的技术使用者：合肥综合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室）
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23