CN106932810A - 一种伽玛射线剂量的卷积计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伽玛射线剂量的卷积计算方法，通过蒙特卡罗方法模拟生成伽玛放射源点源在水中的剂量沉积分布，依据准直器尺寸采用光线追踪法计算由准直器形成的单个伽玛放射源在水中的原射线沉积分布，卷积计算生成单个源在水中的剂量沉积，单个源在水中的剂量沉积包括原射线和散射线。这样，采用卷积计算生成单个源在水中的剂量沉积就可以代替OAR和TMR，进行剂量计算。避免了每台机器出厂时要进行单源测试的问题。

Description

一种伽玛射线剂量的卷积计算方法

技术领域

本发明属于放射治疗计划剂量并行计算方法技术领域，涉及一种伽玛射线剂量的卷积计算方法。

背景技术

伽玛射线立体定向回转聚焦放疗机是一种融立体定向技术和放射外科技术于一体的立体定向放射外科治疗设备，它采用伽玛射线几何聚焦方式，通过精确的立体定向将经过规划的大剂量伽玛射线集中照射于体内的预选靶区，一次性、致死性地摧毁靶点内的组织，以达到外科手术切除或损毁的治疗效果，立体定向放射外科与普通外科有本质的不同，它避免了传统外科开放式手术所带来的术后出血、感染以及可能损伤重要功能器官的危险，创建了一种无创伤的手术方法。

目前，伽玛射线立体定向回转聚焦放疗机治疗计划的剂量计算，采用机器出厂时，测量各个尺寸准直器在单个伽玛放射源下在水中沉积剂量的OAR(离轴比)和TMR(深度剂量比)，作为剂量计算的基础数据；治疗计划的剂量分布是由受照区空间内所有单个体数据离散点的剂量组成，计算单个体数据点的剂量时，首先根据单个伽玛放射源的焦点剂量和放射源的空间分布以及OAR和TMR数据计算单个伽玛放射源在此点的剂量贡献，然后对所有放射源的剂量贡献进行数值积分，再结合该点的电子密度计算沉积剂量，结果即为该点的综合沉积剂量；最后遍历体数据的所有离散点，这样就完成了单个靶点的剂量计算，多个靶点的剂量由单个靶点的剂量叠加而成。

然而，每台机器出厂时，准直器尺寸因为工艺原因都有差异，而这个差异导致了OAR和TMR的差异，OAR和TMR的不准确会直接影响剂量计算的精度。所以，就每台机器出厂时都要进行单源测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种伽玛射线剂量的卷积计算方法，解决了现有技术中每台机器出厂时都要进行单源测试的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种伽玛射线剂量的卷积计算方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用蒙特卡罗方法模拟生成伽玛放射源点源在水中的剂量沉积分布K(x,y,z)；

步骤2，依据准直器编号对应的机械尺寸，采用光线追踪法计算由准直器形成的单个伽玛放射源在水中的原射线沉积分布T_n(x,y,z)，n为准直器的编号，共有N个准直器，n＝1,2,3,...,N，(x,y,z)为坐标点；

步骤3，将步骤1生成的放射源点源在水中的剂量沉积分布K(x,y,z)和步骤2中形成的单个伽玛放射源在水中的原射线沉积分布T_n(x,y,z)进行卷积计算，生成单个伽玛放射源在水中的剂量沉积分布：

G_n(x,y,z)＝T_n(x,y,z)*K(x,y,z)＝∫∫∫T_n(x,y,z)·K(X-x,Y-y,Z-z)dxdydz，

其中，n为准直器的编号；

步骤4，给伽玛射线立体定向回转聚焦放疗机的放疗计划系统中导入病人信息和影像体数据，导入或勾画皮肤轮廓、危及器官轮廓和靶区；

步骤5，根据步骤4导入的信息和数据，设计和调整靶点位置、权重、准直器编号、拉弧角度，制定放疗布靶方案；

步骤6，对步骤4导入体数据中的每个离散点采用GPU并行计算，计算单个靶点在体数据的吸收剂量分布：D_T＝(x,y,z；m)，m为靶点的编号，m＝1,2,3,...,M；

步骤7，重复步骤6，对所有靶点在体数据的吸收剂量分布进行叠加，得到靶区的吸收剂量分布：式中，m为靶点的编号，M为靶点的个数；

步骤8，对经步骤7得到靶区的吸收剂量分布和治疗计划进行评价，如果不满足临床要求，则转入步骤5；如果满足临床要求，则输出计划，计算结束。

本发明的特点还在于，

步骤6中计算单个靶点在体数据的吸收剂量分布，具体按照以下步骤实施：

步骤6.1，初始化GPU，进入并行计算；

步骤6.2，把治疗头的旋转角度离散化，每隔0.5～5度采样一次，计算各个采样角度处每个放射源的源皮距；

步骤6.3，计算在各个角度下单个伽玛放射源的剂量分布：D_A(x,y,z；j)＝F_SSD(j)·W_s(j)·G_n(x,y,d)式中，G_n(x,y,d)为有效深度为d的剂量沉积横截面分布，n为准直器的编号，W_s为放射源的输出因子，F_SSD为放射源的源皮距因子，源皮距因子表示源皮距对百分深度剂量影响的系数，由源皮距计算所得，j为采样角度的编号，共采样J个角度，j＝1,2,3,...,J；

步骤6.4，计算单个伽玛放射源的剂量沉积分布，即叠加单个伽玛放射源在各个角度下的剂量分布：

式中，n为准直器的编号，Ω(ρ)为该计算点组织电子密度转换的射线吸收系数，j为采样角度编号，J为采样角度数目，W_C为射线经过定位床壁的校正因子，DR为治疗头在最大剂量处的输出剂量率，t为计算时的日期，T为照射时间；

步骤6.5，将步骤6.4计算的单个伽玛放射源的剂量沉积分布进行叠加，叠加所有放射源的剂量沉积，得出单个靶点在体数据的吸收剂量分布：其中，n为准直器的编号，N为准直器数量，m为靶点的编号。

本发明的有益效果是，本发明的一种伽玛射线剂量的卷积并行计算方法，采用蒙特卡罗方法模拟生成放射源点源在水中的剂量沉积分布，同时使用光线追踪法计算由准直器形成的单个伽玛放射源在水中的原射线沉积分布，卷积计算生成不同准直器对应放射源在水中的剂量沉积，避免了每台机器的单源测试，大幅降低了生产成本；并且，完全采用理论计算，避免了测量中带来的测量误差和系统误差，提高了计算精度；计算时，对于设计要求范围内的任意尺寸准直器都可以计算，所以，使设计连续方形野尺寸的准直器成为可能，因为连续方形野尺寸准直器更贴近临床使用的需求；采用GPU并行计算，大幅提高了计算速度，缩短了计划设计时间。

附图说明

图1是本发明一种伽玛射线剂量的卷积计算方法的流程图；

图2是本发明一种伽玛射线剂量的卷积计算方法的单个靶点在体数据的吸收剂量并行计算的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开的一种伽玛射线剂量的卷积计算方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用蒙特卡罗方法模拟生成伽玛放射源点源在水中的剂量沉积分布K(x,y,z)；

步骤2，依据准直器编号对应的机械尺寸，采用光线追踪法计算由准直器形成的单个伽玛放射源在水中的原射线沉积分布T_n(x,y,z)，n为准直器的编号，共有N个准直器，n＝1,2,3,...,N，(x,y,z)为坐标点；

步骤3，将步骤1生成的放射源点源在水中的剂量沉积分布K(x,y,z)和步骤2中形成的单个伽玛放射源在水中的原射线沉积分布T_n(x,y,z)进行卷积计算，生成单个伽玛放射源在水中的剂量沉积分布：

G_n(x,y,z)＝T_n(x,y,z)*K(x,y,z)＝∫∫∫T_n(x,y,z)·K(X-x,Y-y,Z-z)dxdydz，

其中，n为准直器的编号；

步骤4，给伽玛射线立体定向回转聚焦放疗机的放疗计划系统中导入病人信息和影像体数据，导入或勾画皮肤轮廓、危及器官轮廓和靶区；

步骤5，根据步骤4导入的信息和数据，设计和调整靶点位置、权重、准直器编号、拉弧角度，制定放疗布靶方案；

步骤6，对步骤4导入体数据中的每个离散点采用GPU并行计算，并行计算单个靶点在体数据的吸收剂量分布：D_T＝(x,y,z；m)，m为靶点的编号，m＝1,2,3,...,M；

步骤7，将步骤6中计算的对所有单个靶点在体数据的吸收剂量分布进行叠加，得到靶区的吸收剂量分布：式中，m为靶点的编号，M为靶点的个数；

步骤8，对经步骤7得到靶区的吸收剂量分布和治疗计划进行评价，如果不满足临床要求，则转入步骤5；如果满足临床要求，则输出计划，计算结束。

步骤6中计算单个靶点在体数据的吸收剂量分布，具体按照以下步骤实施：

步骤6.1，初始化GPU，进入并行计算；

步骤6.2，把治疗头的旋转角度离散化，每隔0.5～5度采样一次，计算各个采样角度处每个放射源的源皮距；

步骤6.3，计算在各个角度下单个伽玛放射源的剂量分布：D_A(x,y,z；j)＝F_SSD(j)·W_s(j)·G_n(x,y,d)式中，G_n(x,y,d)为有效深度为d的剂量沉积横截面分布，n为准直器的编号，W_s为放射源的输出因子，F_SSD为放射源的源皮距因子，源皮距因子表示源皮距对百分深度剂量影响的系数，由源皮距计算所得，j为采样角度的编号，共采样J个角度，j＝1,2,3,...,J；

步骤6.4，计算单个伽玛放射源的剂量沉积分布，即叠加单个伽玛放射源在各个角度下的剂量分布：

式中，n为准直器的编号，Ω(ρ)为该计算点组织电子密度转换的射线吸收系数，j为采样角度编号，J为采样角度数目，W_C为射线经过定位床壁的校正因子，DR为治疗头在最大剂量处的输出剂量率，t为计算时的日期，T为照射时间；

步骤6.5，将步骤6.4计算的单个伽玛放射源的剂量沉积分布进行叠加，叠加所有放射源的剂量沉积，得出单个靶点在体数据的吸收剂量分布：其中，n为准直器的编号，N为准直器数量，m为靶点的编号。

本发明计算在各个角度下单个伽玛放射源剂量分布时，可以根据体数据的大小、GPU的处理单元数量对体数据分区进行并行计算，并行的数量由GPU的实际运算能力决定。

实施例

本发明采用四组准直器，准直器编号以及对应的机械尺寸依次为：3号：14mm×14mm，4号：14mm×20mm，5号：14mm×40mm，6号：14mm×60mm。在计算各个角度下单个伽玛放射源的剂量分布D_A(x,y,z；j)时，每个1度采样一次。

一种伽玛射线剂量的卷积计算方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用蒙特卡罗方法模拟生成伽玛放射源点源在水中的剂量沉积分布K(x,y,z)；

步骤2，依据准直器编号对应的机械尺寸，采用光线追踪法计算由准直器形成的单个伽玛放射源在水中的原射线沉积分布T_n(x,y,z)，n为准直器的编号，共有4个准直器，n＝3,4,5,6，(x,y,z)为坐标点；

步骤3，将步骤1生成的放射源点源在水中的剂量沉积分布K(x,y,z)和步骤2中形成的单个伽玛放射源在水中的原射线沉积分布T_n(x,y,z)进行卷积计算，生成单个伽玛放射源在水中的剂量沉积分布：

G_n(x,y,z)＝T_n(x,y,z)*K(x,y,z)＝∫∫∫T_n(x,y,z)·K(X-x,Y-y,Z-z)dxdydz，

其中，n为准直器的编号；

步骤4，给伽玛射线立体定向回转聚焦放疗机的放疗计划系统中导入病人信息和影像体数据，导入或勾画皮肤轮廓、危及器官轮廓和靶区；

步骤5，根据步骤4导入的信息和数据，设计和调整靶点位置、权重、准直器编号、拉弧角度，制定放疗布靶方案；

步骤6，对步骤4导入体数据中的每个离散点采用GPU计算，并行计算单个靶点在体数据的吸收剂量分布：D_T＝(x,y,z；m)，m为靶点的编号，m＝1,2,3,...,M；具体按照以下步骤实施：

步骤6.1，初始化GPU，进入并行计算；

步骤6.2，把治疗头的旋转角度离散化，每隔1度采样一次，计算各个采样角度处每个放射源的源皮距；

步骤6.3，计算在各个角度下单个伽玛放射源的剂量分布：D_A(x,y,z；j)＝F_SSD(j)·W_s(j)·G_n(x,y,d)式中，G_n(x,y,d)为有效深度为d的剂量沉积横截面分布，n为准直器的编号，W_s为放射源的输出因子，F_SSD为放射源的源皮距因子，源皮距因子表示源皮距对百分深度剂量影响的系数，由源皮距计算所得，j为采样角度的编号，共采样J个角度，j＝1,2,3,...,J；

步骤6.4，计算单个伽玛放射源的剂量沉积分布，即叠加单个伽玛放射源在各个角度下的剂量分布：

式中，n为准直器的编号，Ω(ρ)为该计算点组织电子密度转换的射线吸收系数，j为采样角度编号，J为采样角度数目，W_C为射线经过定位床壁的校正因子，DR为治疗头在最大剂量处的输出剂量率，t为计算时的日期，T为照射时间；

步骤6.5，将步骤6.4计算的单个伽玛放射源的剂量沉积分布进行叠加，叠加所有放射源的剂量沉积，得出单个靶点在体数据的吸收剂量分布：其中，n为准直器的编号，m为靶点的编号；

步骤7，将步骤6中计算的对所有单个靶点在体数据的吸收剂量分布进行叠加，得到靶区的吸收剂量分布：式中，m为靶点的编号，M为靶点的个数；

步骤8，对经步骤7得到靶区的吸收剂量分布和治疗计划进行评价，如果不满足临床要求，则转入步骤5；如果满足临床要求，则输出计划，计算结束。

使用LUNA-260伽玛射线立体定向回转聚焦放疗机，分别以本发明的一种伽玛射线剂量的卷积计算方法与PDD-OAR计算方法，分别在头模靶区测试坐标为(274.5,137,125.5)和体模模靶区测试坐标为(324.5,137,75.6)，将计算得到靶区的吸收剂量和现场测试数据对比，如表1所示：

表1

本发明的一种伽玛射线剂量的卷积计算方法与PDD-OAR计算方法的剂量计算速度进行对比，速度提升200％左右；面积重合率测试大于90％，满足行业标准要求。

Claims (2)

1.一种伽玛射线剂量的卷积计算方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用蒙特卡罗方法模拟生成伽玛放射源点源在水中的剂量沉积分布K(x,y,z)；

步骤2，依据准直器编号对应的机械尺寸，采用光线追踪法计算由准直器形成的单个伽玛放射源在水中的原射线沉积分布T_n(x,y,z)，n为准直器的编号，共有N个准直器，n＝1,2,3,...,N，(x,y,z)为坐标点；

步骤3，将步骤1生成的放射源点源在水中的剂量沉积分布K(x,y,z)和步骤2中形成的单个伽玛放射源在水中的原射线沉积分布T_n(x,y,z)进行卷积计算，生成单个伽玛放射源在水中的剂量沉积分布：

G_n(x,y,z)＝T_n(x,y,z)*K(x,y,z)＝∫∫∫T_n(x,y,z)·K(X-x,Y-y,Z-z)dxdydz，

其中，n为准直器的编号；

步骤4，给伽玛射线立体定向回转聚焦放疗机的放疗计划系统中导入病人信息和影像体数据，导入或勾画皮肤轮廓、危及器官轮廓和靶区；

步骤5，根据步骤4导入的信息和数据，设计和调整靶点位置、权重、准直器编号、拉弧角度，制定放疗布靶方案；

步骤6，对步骤4导入体数据中的每个离散点采用GPU计算，并行计算单个靶点在体数据的吸收剂量分布：D_T＝(x,y,z；m)，m为靶点的编号，m＝1,2,3,...,M；

步骤7，将步骤6中计算的对所有单个靶点在体数据的吸收剂量分布进行叠加，得到靶区的吸收剂量分布：式中，m为靶点的编号，M为靶点的个数；

步骤8，对经步骤7得到靶区的吸收剂量分布和治疗计划进行评价，如果不满足临床要求，则转入步骤5；如果满足临床要求，则输出计划，计算结束。

2.根据权利要求1所述的一种伽玛射线剂量的卷积计算方法，其特征在于，所述步骤6中计算单个靶点在体数据的吸收剂量分布，具体按照以下步骤实施：

步骤6.1，初始化GPU，进入并行计算；

步骤6.2，把治疗头的旋转角度离散化，每隔0.5～5度采样一次，计算各个采样角度处每个放射源的源皮距；

步骤6.3，计算在各个角度下单个伽玛放射源的剂量分布：D_A(x,y,z；j)＝F_SSD(j)·W_s(j)·G_n(x,y,d)式中，G_n(x,y,d)为有效深度为d的剂量沉积横截面分布，n为准直器的编号，W_s为放射源的输出因子，F_SSD为放射源的源皮距因子，源皮距因子表示源皮距对百分深度剂量影响的系数，由源皮距计算所得，j为采样角度的编号，共采样J个角度，j＝1,2,3,...,J；

步骤6.4，计算单个伽玛放射源的剂量沉积分布，即叠加单个伽玛放射源在各个角度下的剂量分布：

式中，n为准直器的编号，Ω(ρ)为该计算点组织电子密度转换的射线吸收系数，j为采样角度编号，J为采样角度数目，W_C为射线经过定位床壁的校正因子，DR为治疗头在最大剂量处的输出剂量率，t为计算时的日期，T为照射时间；

步骤6.5，将步骤6.4计算的单个伽玛放射源的剂量沉积分布进行叠加，叠加所有放射源的剂量沉积，得出单个靶点在体数据的吸收剂量分布：n为准直器的编号，N为准直器数量，m为靶点的编号。