CN103425875A - 一种光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法，针对光子束剂量分布获取的方法，构建了射束坐标系和目标体坐标系，并在目标体坐标系中建立剂量计算网格，其中，针对光子束中射线与目标体坐标系中剂量计算网格的交点坐标的获得过程中，采用了种子平面以及坐标平移的方法获得，可以有效提高交点坐标的获得速度，从而在保证光子束剂量分布获取精度的同时，实现了光子束剂量分布的快速获取,满足调强放射治疗计划优化设计的临床需求。

Description

一种光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法

技术领域

本发明涉及一种光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法。

背景技术

剂量分布获取是放射治疗计划系统的核心技术之一，在放射治疗过程中具有重要意义。在患者接受放射治疗之前，根据医学物理师设计的放射治疗计划，可以预先模拟计算出患者将接受到的剂量三维分布。剂量计算的准确性及计算的效率是衡量放射治疗计划系统优劣的重要指标。

目前常用的剂量分布获取方法包括蒙特卡罗方法、collapsed cone算法和笔形束算法，蒙特卡罗方法通过逼真模拟大量粒子能量沉积的过程，模拟结果是公认最精确的，但蒙特卡罗方法模拟计算时间过长，不能满足临床放射治疗计划制定的需求；笔形束算法是目前比较成熟的剂量分布获取方法，该方法是以笔形束核为模型的卷积叠加算法，它把连续的射束分成很多细小的射束，分别获得每个小射束在介质中的剂量沉积，将每个小射束的剂量贡献叠加，从而得到整个射束在体内沉积的总剂量，笔形束法算法简单、速度快但计算精度不高；CollapsedCone算法是以点核为模型的卷积叠加算法，它将散射剂量的积分划分为具有一定立体角的同轴锥形筒串，位于筒串轴的散射体积单元释放的能量沿筒串轴线性传递、衰减、沉积。与笔形束算法相比较，Collapsed Cone算法可以处理电子失衡区域的剂量分布获取问题，计算精度更高，但计算速度较慢；与蒙特卡罗方法相比较，计算速度较快但计算精度较低。在调强放射治疗计划优化中需要反复进行剂量的计算，但是Collapsed Cone算法进行剂量计算的速度限制了其在调强放射治疗计划制定中的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在保证光子束剂量计算精度的同时，能够有效提高光子束剂量计算速度的光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法，获得医用电子加速器发射光子束射向目标体，在目标体内形成的剂量分布，包括如下步骤：

步骤A01.构建射束坐标系和目标体坐标系，并在目标体坐标系中建立剂量计算网格；

步骤A02.获得射束坐标系与目标体坐标系之间的坐标转换关系；

步骤A03.在射束坐标系中，分别获得医用电子加速器所发射光子束中各条射线在目标体中单位质量释放的总能量；

步骤A04.针对光子束中各条射线射向目标体所分别产生的各个能量沉积方向，在射束坐标系中，获得各条经过射束坐标系原点的射线与目标体坐标系中剂量计算网格的交点坐标；

步骤A05.根据交点坐标、以及光子束中各条射线在目标体中单位质量释放的总能量分别获得各条射线在目标体上对应其能量沉积方向的沉积剂量，并把各条射线在目标体上沉积的剂量进行叠加，得到射束坐标系中光子束在目标体上沉积的剂量；

步骤A06.根据射束坐标系中光子束在目标体上沉积的剂量、以及射束坐标系与目标体坐标系之间的坐标转换关系，获得光子束在目标体坐标系中剂量计算网格点的剂量分布；

其中，所述步骤A04包括如下步骤：

步骤A041.针对光子束中各条射线射向目标体分别产生的各个能量沉积方向，定义在射束坐标系中与能量沉积方向余弦绝对值最大所对应的坐标轴方向相垂直、且产生该能量沉积方向的射线首次与目标体表面的接触点所在的平面为该能量沉积方向的种子平面；

步骤A042.针对分别产生各个能量沉积方向的各条射线，定义对应同一个能量沉积方向的各条射线之间平行且等间距，针对各个能量沉积方向，分别获得对应同一个能量沉积方向的各条射线中经过射束坐标系原点的一条射线与对应种子平面的交点坐标；

步骤A043.分别针对各个能量沉积方向，根据对应同一个能量沉积方向的各条射线之间的关系，以及对应同一个能量沉积方向的各条射线中经过射束坐标系原点的一条射线与对应种子平面的交点坐标，通过坐标平移关系，获得对应同一条能量沉积方向的各条射线与对应种子平面的交点坐标，即获得分别对应各个能量沉积方向的各条射线中，经过射束坐标系原点的射线与目标体坐标系中剂量计算网格的交点坐标。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A01中还包括，在射束坐标系下，设置目标体上光子束的覆盖区域为包围盒；所述步骤A02至步骤A06的操作在包围盒内进行。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A02至步骤A06的操作通过中央处理器与图形处理器相结合去完成。

本发明所述一种光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明设计的光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法，在获得光子束中射线与目标体坐标系中剂量计算网格的交点坐标的过程中，采用了种子平面、以及坐标平移的方法获得，可以有效提高光子束中射线与交点坐标的获得速度，从而在保证光子束剂量计算精度的同时，实现了光子束在目标体内剂量分布的快速获取；

（2）本发明设计的光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法中，通过建立包围盒，并在包围盒的基础上实现整个方法，能够有效减小剂量计算过程中计算区域的范围，进而直接提高光子束剂量的计算速度；

（3）本发明设计的光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法中，通过中央处理器与图形处理器相结合去实现光子束剂量的获取方法，由于图形处理器具有体积小、功耗低、成本低的特点，且其双层并行结构使得计算性能大幅度地提高，把图形处理器的并行计算与中央处理器的计算结合起来，可有效提高光子束剂量计算的速度，满足调强放射治疗计划优化设计的临床需求。

附图说明

图1是本发明设计的光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明设计了一种光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法，获得医用电子加速器发射光子束射向目标体，在目标体内形成的剂量分布，包括如下步骤：

步骤A01.构建射束坐标系和目标体坐标系，并在目标体坐标系中建立剂量计算网格；

步骤A02.获得射束坐标系与目标体坐标系之间的坐标转换关系；

步骤A03.在射束坐标系中，分别获得医用电子加速器所发射光子束中各条射线在目标体中单位质量释放的总能量；

步骤A04.针对光子束中各条射线射向目标体所分别产生的各个能量沉积方向，在射束坐标系中，获得各条经过射束坐标系原点的射线与目标体坐标系中剂量计算网格的交点坐标；

步骤A05.根据交点坐标、以及光子束中各条射线在目标体中单位质量释放的总能量分别获得各条射线在目标体上对应其能量沉积方向的沉积剂量，并把各条射线在目标体上沉积的剂量进行叠加，得到射束坐标系中光子束在目标体上沉积的剂量；

步骤A06.根据射束坐标系中光子束在目标体上沉积的剂量、以及射束坐标系与目标体坐标系之间的坐标转换关系，获得光子束在目标体坐标系中剂量计算网格点的剂量分布；

其中，所述步骤A04包括如下步骤：

步骤A041.针对光子束中各条射线射向目标体分别产生的各个能量沉积方向，定义在射束坐标系中与能量沉积方向余弦绝对值最大所对应的坐标轴方向相垂直、且产生该能量沉积方向的射线首次与目标体表面的接触点所在的平面为该能量沉积方向的种子平面；

步骤A042.针对分别产生各个能量沉积方向的各条射线，定义对应同一个能量沉积方向的各条射线之间平行且等间距，针对各个能量沉积方向，分别获得对应同一个能量沉积方向的各条射线中经过射束坐标系原点的一条射线与对应种子平面的交点坐标；

步骤A043.分别针对各个能量沉积方向，根据对应同一个能量沉积方向的各条射线之间的关系，以及对应同一个能量沉积方向的各条射线中经过射束坐标系原点的一条射线与对应种子平面的交点坐标，通过坐标平移关系，获得对应同一条能量沉积方向的各条射线与对应种子平面的交点坐标，即获得分别对应各个能量沉积方向的各条射线中，经过射束坐标系原点的射线与目标体坐标系中剂量计算网格的交点坐标。

本发明设计的光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法，在获得光子束中射线与目标体坐标系中剂量计算网格的交点坐标的过程中，采用了种子平面、以及坐标平移的方法获得，可以有效提高光子束中射线与交点坐标的获得速度，从而在保证光子束剂量计算精度的同时，实现了光子束在目标体内剂量分布的快速获取。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A01中还包括，在射束坐标系下，设置目标体上光子束的覆盖区域为包围盒；所述步骤A02至步骤A06的操作在包围盒内进行。

本发明设计的光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法中，通过建立包围盒，并在包围盒的基础上实现整个方法，能够有效减小剂量计算过程中计算区域的范围，进而直接提高光子束剂量的计算速度。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A02至步骤A06的操作通过中央处理器与图形处理器相结合去完成。

本发明设计的光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法中，通过中央处理器与图形处理器相结合去实现光子束剂量的获得方法，由于图形处理器具有体积小、功耗低、成本低的特点，且其双层并行结构使得计算性能大幅度地提高，把图形处理器的并行计算与中央处理器的计算结合起来，可有效提高光子束剂量计算的速度，满足调强放射治疗计划优化设计的临床需求。

本发明设计的光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法在实际应用过程当中，按照如下步骤进行操作：

步骤A01.根据医用电子加速器的机床角、机架角、机头角和射野，构建射束坐标系；并根据目标体，构建目标体坐标系，并在两个坐标系中建立剂量计算网格，并根据射线跟踪算法获得射束坐标系下光子束覆盖目标体的区域作为包围盒。

步骤A02.计算获得射束坐标系与目标体坐标系之间的坐标转换关系。

步骤A03.医用电子加速器向目标体发射光子束，在射束坐标系中，分别获得光子束中各条射线在目标体中单位质量释放的总能量，其中，具体的获得方法包括如下步骤：

步骤A031.根据光子束能谱，按照如下公式（1）获得光子束中射线在目标体上能量沉积方向上的离散点r位置的平均线性衰减系数

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}\left(r\right)=\frac{1}{\mathrm{\ψ}\left(r_0\right)}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\ψ}\left(E_i\right)\mathrm{\μ}(E_i,r)---\left(1\right)$

其中，Ψ(E_i)表示射线标称能量为E_i时的能量注量，μ(E_i,r)是标称能量为E_i的光子束在目标体上能量沉积方向上的离散点r位置的线性衰减系数；r₀是射线与参考平面相交的参考点，Ψ(r₀)表示参考点r₀处的能量注量。

步骤A032.根据如下公式（2）获得光子束中射线在目标体上能量沉积方向上的离散点r位置单位质量释放的总能量T(r)；

$T\left(r\right)={(d/l)}^2\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}\left(r\right)}{\mathrm{\ρ}\left(r\right)}\mathrm{\ψ}{\left(r_0\right)}^{\exp [-\underset{d}{\overset{l}{\∫}}\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}\left(x\right)\mathrm{dx}]}---\left(2\right)$

其中，其中r₀是射线与参考平面相交的参考点；d表示离散点r位置在相应射线上与射线源点的距离；l表示参考点r₀在射线上与射线源点的距离；ρ(r)表示目标体上离散点r位置的质量密度；Ψ(r₀)表示参考点r₀处的能量注量；指数项

采用等效放射距离法对能量衰减进行修正，它表示对参考点r₀处能量注量的衰减程度。

步骤A04.针对光子束中各条射线射向目标体分别产生的各个能量沉积方向，在射束坐标系中，获得各条经过射束坐标系原点的射线与目标体坐标系中剂量计算网格的交点坐标，具体包括如下步骤：

步骤A041.针对光子束中各条射线射向目标体分别产生的各个能量沉积方向，定义在射束坐标系中与能量沉积方向余弦绝对值最大所对应的坐标轴方向相垂直、且产生该能量沉积方向的射线首次与目标体表面的接触点所在的平面为该能量沉积方向的种子平面。

步骤A042.基于包围盒，在目标体上各个能量沉积方向的种子平面的区域上，针对分别产生各个能量沉积方向的各条射线，定义对应同一个能量沉积方向的各条射线之间平行且等间距，针对各个能量沉积方向，分别获得对应同一个能量沉积方向的各条射线中经过射束坐标系原点的一条射线与对应种子平面的交点坐标。

步骤A043.同样，基于包围盒，在目标体上各个能量沉积方向的种子平面的区域上，分别针对各个能量沉积方向，根据对应同一个能量沉积方向的各条射线之间的关系，以及对应同一个能量沉积方向的各条射线中经过射束坐标系原点的一条射线与对应种子平面的交点坐标，通过坐标平移关系，获得对应同一条能量沉积方向的各条射线与对应种子平面的交点坐标，即获得分别对应各个能量沉积方向的各条射线与目标体坐标系中剂量计算网格的交点坐标。

其中，通过计算包围盒限定种子平面的大小，能够有效减小剂量计算过程中计算区域的范围，进而直接提高光子束剂量的计算速度。

步骤A05.根据交点坐标、以及光子束中各条射线在目标体中单位质量释放的总能量分别获得各条射线在目标体中对应其能量沉积方向的沉积剂量，并把各条射线在目标体上沉积的剂量进行叠加，得到射束坐标系中光子束在目标体中沉积的剂量。

其中，各条射线在目标体上对应其能量沉积方向的沉积剂量的获得，通过如下步骤实现：

步骤A051.设m、n分别为光子束射线照射目标体后，相对于射线入射方向的天顶角和方位角的离散方向，通过如下公式（4）迭代获得由m、n确定的能量沉积方向相对目标体上离散点r位置的原射线剂量贡献

以及通过如下公式（5）迭代获得由m、n确定的能量沉积方向相对目标体上离散点r位置的散射线剂量贡献

$D_{\mathrm{mn}}^P\left(r_i\right)=D_{\mathrm{mn}}^P\left(r_{i-1}\right)e^{-a_m{\mathrm{\η}}_i\mathrm{\Δr}}+T\left(r_i\right){\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{mn}}\frac{A_m}{a_m}(1-e^{-a_m{\mathrm{\η}}_i\mathrm{\Δr}})---\left(4\right)$

$D_{\mathrm{mn}}^S\left(r_i\right)=D_{\mathrm{mn}}^S\left(r_{i-1}\right)(1-b_m{\mathrm{\η}}_i\mathrm{\Δr})+T\left(r_i\right){\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{mn}}{B}_m{\mathrm{\η}}_i\mathrm{\Δr}---\left(5\right)$

其中，r_i、r_i-1分别表示目标体上同一能量沉积方向上的相邻两个离散点位置，T(r_i)为射线在目标体上能量沉积方向上的离散点r位置单位质量释放的总能量（TERMA）；Ω_mn为离散点r_i和r_i-1所在同一能量沉积方向筒串的立体角；η_i为当前目标体上离散点r_i位置相对于水的电子密度；Δr＝r_i-r_i-1表示相邻两个离散点r_i、r_i-1间的距离；a_m，b_m，A_m，B_m分别表示天顶角m为Δθ的四个能量沉积系数，Δθ表示天顶角的离散增量。

步骤A052.由于沉积剂量等于原射线剂量和散射线剂量的和，所以根据如下公式（6）获得光子束射线在目标体上能量沉积方向上的离散点r位置的沉积剂量D(r)。

$D\left(r\right)=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}[D_{\mathrm{mn}}^P\left(r\right)+D_{\mathrm{mn}}^S\left(r\right)]---\left(6\right)$

步骤A06.根据射束坐标系中光子束在目标体上沉积的剂量、以及射束坐标系与目标体坐标系之间的坐标转换关系，获得光子束在目标体坐标系中剂量计算网格点的剂量分布。

以上步骤A02至步骤A06的操作通过中央处理器与图形处理器相结合去完成，把图形处理器的并行计算与中央处理器的计算结合起来，可有效提高光子束剂量计算的速度，满足调强放射治疗计划优化设计的临床需求。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法，获得医用电子加速器所发射光子束在目标体内形成的剂量分布，包括如下步骤：

步骤A01. 构建射束坐标系和目标体坐标系，并在目标体坐标系中建立剂量计算网格；

步骤A02. 获得射束坐标系与目标体坐标系之间的坐标转换关系；

步骤A03. 在射束坐标系中，分别获得医用电子加速器所发射光子束中各条射线在目标体中单位质量释放的总能量；

步骤A04. 针对光子束中各条射线射向目标体所分别产生的各个能量沉积方向，在射束坐标系中，获得各条经过射束坐标系原点的射线与目标体坐标系中剂量计算网格的交点坐标；

步骤A05. 根据交点坐标、以及光子束中各条射线在目标体中单位质量释放的总能量分别获得各条射线在目标体上对应其能量沉积方向的沉积剂量，并把各条射线在目标体上沉积的剂量进行叠加，得到射束坐标系中光子束在目标体上沉积的剂量；

步骤A06. 根据射束坐标系中光子束在目标体上沉积的剂量、以及射束坐标系与目标体坐标系之间的坐标转换关系，获得光子束在目标体坐标系中剂量计算网格点的剂量分布；

其特征在于，所述步骤A04包括如下步骤：

步骤A041. 针对光子束中各条射线射向目标体分别产生的各个能量沉积方向，定义在射束坐标系中与能量沉积方向余弦绝对值最大所对应的坐标轴方向相垂直、且产生该能量沉积方向的射线首次与目标体表面的接触点所在的平面为该能量沉积方向的种子平面； 

步骤A042. 针对分别产生各个能量沉积方向的各条射线，定义对应同一个能量沉积方向的各条射线之间平行且等间距，针对各个能量沉积方向，分别获得对应同一个能量沉积方向的各条射线中经过射束坐标系原点的一条射线与对应种子平面的交点坐标；

步骤A043. 分别针对各个能量沉积方向，根据对应同一个能量沉积方向的各条射线之间的关系，以及对应同一个能量沉积方向的各条射线中经过射束坐标系原点的一条射线与对应种子平面的交点坐标，通过坐标平移关系，获得对应同一条能量沉积方向的各条射线与对应种子平面的交点坐标，即获得分别对应各个能量沉积方向的各条射线中，经过射束坐标系原点的射线与目标体坐标系中剂量计算网格的交点坐标。

2.根据权利要求1所述一种光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法，其特征在于：所述步骤A01中还包括，在射束坐标系下，设置目标体上光子束的覆盖区域为包围盒；所述步骤A02至步骤A06的操作在包围盒内进行。

3.根据权利要求1至2中任意一项所述一种光子束在目标体内剂量分布的快速获取方法，其特征在于：所述步骤A02至步骤A06的操作通过中央处理器与图形处理器相结合去完成。

Images