中国人动态模型外照条件下器官吸收剂量模拟计算的研究

模拟计算获得中国人呼吸状态下的外部辐射器官吸收剂量的分布数据库。通过分析临床CT获得的呼吸数据和体表传感器获得的人体呼吸数据，提取呼吸运动的轨迹特征点，并作为NURBS技术的控制点，基于现有的三维虚拟数字人技术，构建三维体素模型并进行仿真变形，模拟实现拥有呼吸循环过程的物理人模型。通过编写代码对物理人模型的呼吸状态过程进行抽样，并运用GEANT4代码实时对物理人模型中的主要器官剂量分布的模拟计算。从而获得不同呼吸阶段的器官剂量分布，该分布包含中国人生理学属性特征和解剖结构特征，更有利于指导、帮助临床医师和物理师控制辐射成像中的剂量和放射治疗过程中辐射剂量的制定。

肺癌是人类最常见的致命性疾病之一，放射治疗是肺癌治疗的主要手段之一。在放射治疗过程中由于受呼吸运动、心脏起搏等生理运动的影响，肿瘤靶区会发生移动和变形，从而造成肿瘤靶区位置的不确定性，严重影响放疗的效果，因此精确放射治疗在癌症治疗中具有重要的意义。在肿瘤的临床诊断和治疗中，人体器官辐射吸收剂量的评估是放射剂量设计、应用和控制的重要依据。目前，人体器官吸收剂量的计算主要是基于静态的人体解剖模型或近似的几何模型，无法反映人体肺部呼吸等动态生理特征，因而模拟计算得到的吸收剂量与实际值之间有较大误差。为此，本项目研究中，通过对中国人动态模型在光子外照条件下器官吸收剂量进行模拟计算，有效提升了模拟计算结果的精度和可信度。. 目前，肿瘤的诊断和放射治疗中使用的相关器官吸收剂量等参考数据是基于类人形数学公式的程式化模型和基于人体内部解刨结构特征的层析化模型得到，并用于临床治疗中。由于两种方式获得的器官吸收剂量没有考虑人体肺部呼吸等动态生理特征，在模拟计算中更多基于静态模型，计算结果的准确度和可信度都有待提高。本课题首先针对肺部基于体积变化的计算机断层图像的重建进行研究。采用VC++程序设计语言和VTK工具包，开发肺部CT图像重建软件系统，对采集的人体原始断层CT或MRI数据进行肺部图像配准、分割。其次，采用对获得的器官的图像数据集，运用VTK建立体素模型和mesh模型，通过Rhinoceros软件将建立的mesh模型转换为NURBS表面模型。接着，根据从图像中获得的呼吸运动过程中体表轮廓运动轨迹的特征点，设定控制点对各个器官的NURBS表面模型进行变形，建立每个时相起始时刻的肺部器官NURBS模型，不同时相间的肺部模型通过轨迹特征插值，获得动态人体模型。最后，通过将已建立的动态模型引入GEANT4模拟计算中，计算出呼吸运动表征的各个时相阶段肺部器官的吸收剂量并建立吸收剂量的数据库。. 通过本项目的研究，建立了表征呼吸特征的中国人体肺部动态模型，对人呼吸过程中肺部吸收剂量进行模拟计算，建立了包含中国人生理特征的器官吸收剂量的数据库，为肺癌诊断治疗过程中精准放射治疗控制辐射剂量提供了更加可靠地参考。