CN110398768A - 一种基于像素电离室的束斑动态监测方法及系统 - Google Patents

一种基于像素电离室的束斑动态监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于像素电离室的束斑动态监测方法及系统，在扫描层切换的时间间隙运行改进的高斯曲面拟合算法精确测量束斑位置和尺寸，在扫描层内部用快速的统计学方法监测束斑的变化。本发明摒弃传统基于图像的边缘检测、椭圆拟合来定位束斑中心的方法，考虑到实际束流会发生旋转、不同方向的伸缩等异常情况，采用改进的高斯曲面拟合算法，增加拟合参数θ，完整描述椭圆形束斑的五个参数，束斑监测的准确性更高。同时，改进的高斯曲面拟合算法将拟合数据的门限值设置成门限值区间，可以通过调整门限值大小控制拟合数据点数在一个固定值附近，保证各算法的运行时间可准确计算。

Description

一种基于像素电离室的束斑动态监测方法及系统
技术领域
本发明属于束流检测技术领域，更具体地，涉及一种基于像素电离室的束斑动态监测方法及系统。
背景技术
放射治疗中，束流位置的精准控制是治疗的核心要求之一。而能否对束流准确测量将直接影响束流配送系统的控制精度，对束流位置和尺寸的实时监测将可保证治疗的安全性。质子治疗装置中的束流强度小于5nA,并且束流探测要求无破坏性，故装置中的束流测量设备通常选用电离室，它具有探测灵敏度低于0.1nA、增益可调、引起束流散射较小的特点。
目前，放射治疗中，治疗头内的束流实时测量主要利用束流在束流截面上呈现两个正交的高斯分布模型，继而使用条带电离室与多丝电离室等一维测量设备分别在两个正交的方向进行高斯拟合，获取束流位置。此方法对束流品质很敏感，抗噪性差，而且要求使用两个正交的电离室与两套数据采集设备，增加了束流测量的成本。而利用图像的二维测量通常也只是简单的将束斑形状抽象成正椭圆模型，过于理想化，没有考虑到实际束流会发生旋转、不同方向的伸缩等异常情况。如果将束流模型抽象的过于复杂，则会显著增加计算时间，难以做到实时测量，这也限制了像素电离室在质子治疗中的使用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于像素电离室的束斑动态监测方法及系统，旨在解决现有束斑监测由于理想化高斯模型导致定位准确性低的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于像素电离室的束斑动态监测方法，包括以下步骤：
步骤S1、通过AD采样、I-V转换在二维平面上获取当前扫描层初始扫描点像素电离室的每个像素块的电流积分值，用于描述束流能量二维分布，以当前扫描层最大电流积分值Vmax为基准，设置数据门限值区间(w1*Vmax,w2*Vmax)和拟合数据点数N，其中w1和w2分别为门限值区间的上限和下限；
步骤S2、在数据门限值区间内线性调整数据门限值w，以得到最接近N的拟合数据点数N0，如果N0≠N，则判断w是否处于门限值区间(w1,w2)的上下限，如果处于下限w1则发出束斑尺寸过大预警，如果处于上限w2则发出束斑尺寸过小预警，在门限值区间(w1,w2)内部则不做处理；
步骤S3、运行改进的高斯曲面拟合算法，得到描述椭圆束斑的5个参数：束斑中心点位置x0、y0，束斑尺寸σx、σy，束斑与像素电离室直角坐标系的夹角θ，其中θ∈(-π/2,π/2)，判断束斑位置与尺寸与预设值的差的绝对值是否超过容忍范围，如果超过容忍范围则发出束斑位置或者大小不正确预警；
步骤S4、对当前扫描层内所有扫描点进行层内束斑动态监测；
步骤S5、当接收到扫描层切换的命令时，重复步骤S1～S4。
进一步地，层内束斑动态监测包括：
步骤S41、获取当前扫描点每个像素块的电流积分值，判断电离室中心四个像素块是否为所有像素块的电流积分值降幂排列后的前四个值，如果不是，则发出束斑位置不正确预警；
步骤S42、计算当前扫描点每个像素块的电流积分值与初始扫描点每个像素块的电流积分值之间的方差S并设计方差门限值T，如果S＞T则发出束流形状和分布不正确预警；
步骤S43：当接收到层内扫描点切换的命令时，重复步骤S11～S12。
进一步地，改进的高斯曲面拟合算法，考虑束流在输运过程中发生旋转形变，束斑形状为长短轴长度不同，并且均不与像素电离室直角坐标系重合的椭圆。
假定束斑在电离室中呈现二维高斯分布，并且束斑椭圆的长轴X’和短轴Y’分别与像素电离室直角坐标系的X轴和Y轴成θ角度。则X,Y轴中的坐标(x,y)X’,Y’轴中的坐标(x',y')的变换关系如下：
x'＝xcosθ+ysinθ
y'＝-xsinθ+ycosθ
则拟合模型为：
其中，A为束斑剂量的峰值，我们需要拟合的参数分别是θ,x0,y0,σx,σy，对拟合模型两边取对数并对平方项展开可得：
为防止求解过程中产生奇异矩阵，方程两边同时乘以f得到：
如果用于拟合的坐标数(xi,yi,fi)共有N个，那么可以得到如下矩阵表达式：
AN*1＝BN*6*C6*1
A＝[f1*ln(f1),...,fN*ln(fN)]T，
B＝[b1,b2,...bN]T
C＝[c1,c2,c3,c4,c5,c6]T
拟合的误差计算分析：
其中，矩阵E＝A-BC，为了减小计算量，对矩阵B进行QR分解，B＝QR，分解后Q为一个N*N的正交矩阵，R为一个N*6的上三角矩阵，对E＝A-BC进行如下推导：
由于Q为正交矩阵，可以得到：
令：
其中：
S为一个6维列向量；T为一个N-6维列向量；R1为一个6*6的上三角方阵，则
上式中，当S＝R1*C时取得最小值，因此只需解出：
并引入三个中间变量k1,k2,k3
k1＝(c4 2-4c5c6)*(c4 2+c5 2-2c5c6+c6 2)
k3＝c4 2-4c5c6
因此有：
按照本发明的另一方面，提供了一种基于像素电离室的束斑动态监测系统，包括：
数据转换模块，用于将电流信号转换为电压信号，再将模拟电压信号转换成数字信号以获取当前扫描层像素电离室每个像素块的电流积分值；
层间监测模块，用于通过改进的高斯曲面拟合监测束斑的位置与尺寸是否满足治疗计划预设的容忍范围之内；
层内监测模块，用于监测层内束斑的位置和剂量在各像素块上的分布是否发生显著的变化。
进一步地，层间监测模块包括：
门限值调整模块，在数据门限值范围内线性调整数据门限值w，以得到最接近N的拟合数据点数N0，如果N0≠N，判断w是否处于门限值区间(w1,w2)的上下限，如果处于下限w1则发出束斑尺寸过大预警，如果处于上限w2则发出束斑尺寸过小预警，在门限值区间(w1,w2)内部则不做处理；
束斑参数获取模块，运行改进的高斯曲面拟合算法，得到束斑参数，判断束斑位置或者尺寸与预设值的差的绝对值是否超过容忍范围，如果超过容忍范围则发出束斑位置或者大小不正确预警。
进一步地，层内监测模块包括：
真值判断单元，获取当前扫描点每个像素块的电流积分值，判断电离室中心四个像素块是否为所有像素块的电流积分值降幂排列后的前四个值，如果不是，则发出束斑位置不正确预警；
方差判断单元，计算当前扫描点每个像素块的电流积分值与初始扫描点每个像素块的电流积分值之间的方差S并设计方差门限值T，如果S＞T则发出束流形状和分布不正确预警。
进一步地，数据转换模块的电压信号的积分值反映束斑剂量。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的基于像素电离室的束斑动态监测方法，摒弃传统基于图像的边缘检测、椭圆拟合来定位束斑中心的方法，考虑到实际束流会发生旋转、不同方向的伸缩等异常情况，采用改进的高斯曲面拟合算法，增加拟合参数θ，完整描述椭圆形束斑的5个参数，束斑监测的准确性更高；
2、本发明采用的改进的高斯曲面拟合算法将拟合数据的门限值设置成门限值区间，可以通过调整门限值大小控制拟合数据点数在一个固定值附近，保证各算法的运行时间可准确计算；
3、本发明在每个扫描能量层只运行一次改进的高斯曲面拟合算法，层内仅监测各像素块的电流积分值相对于各初始拟合时电流积分值的变化来判断束斑形状和中心点是否发生变化，达到实时监测束流的能力；
4、本发明采用的改进的高斯曲面拟合算法利用了高斯曲面拟合本身良好的抗噪性，并能在少量像素块坏死的情况下正常工作；
5、本发明采用的改进的高斯曲面拟合的过程中为了防止对像素矩阵中各像素值取对数后数值过于小，产生奇异矩阵，本方法拟合的不再是像素矩阵中各像素值的对数，而是各像素值对数与各像素值的乘积；并使用QR分解的方式代替矩阵求逆运算，降低运算量。
附图说明
图1是本发明提供的基于像素电离室的束斑动态监测装置的示意图；
图2是本发明提供的基于像素电离室的束斑动态监测方法的流程示意图；
图3为本发明束斑椭圆的长短轴坐标系X’,Y’分别与像素电离室直角坐标系的X,Y所成夹角的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于像素电离室的束斑动态监测方法，在扫描层切换的时间间隙运行改进的高斯曲面拟合算法精确测量束斑位置和尺寸，在扫描层内部用快速的统计学方法监测束斑的变化，扫描装置如图1所示。
图2所示为本发明提供的基于像素电离室的束斑动态监测方法的流程示意图，包括以下步骤：
步骤S1、通过AD采样、I-V转换在二维平面上获取当前扫描层初始扫描点像素电离室的每个像素块的电流积分值，用于描述束流能量二维分布步骤S2、，以当前扫描层最大电流积分值Vmax为基准，设置数据门限值区间(w1*Vmax,w2*Vmax)和拟合数据点数N，其中w1和w2分别为门限值区间的上限和下限；
步骤S2、在数据门限值区间内线性调整数据门限值w，以得到最接近N的拟合数据点数N0，如果N0≠N，则判断w是否处于门限值区间(w1,w2)的上下限，如果处于下限w1则发出束斑尺寸过大预警，如果处于上限w2则发出束斑尺寸过小预警，在门限值区间(w1,w2)内部则不做处理；
步骤S3、运行改进的高斯曲面拟合算法，得到描述椭圆束斑的5个参数：束斑中心点位置x0、y0，束斑尺寸σx、σy，束斑与像素电离室直角坐标系的夹角θ，其中θ∈(-π/2,π/2)，判断束斑位置与尺寸与预设值的差的绝对值是否超过容忍范围，如果超过容忍范围则发出束斑位置或者大小不正确预警；
步骤S4、对当前扫描层所有扫描点运行层内束斑动态监测；
步骤S5、当接收到扫描层切换的命令时，重复步骤S1～S4。
具体地，层内束斑动态监测包括：
步骤S41、获取当前扫描点每个像素块的电流积分值，判断电离室中心四个像素块是否为所有像素块的电流积分值降幂排列后的前四个值，如果不是，则发出束斑位置不正确预警；
步骤S42、计算当前扫描点每个像素块的电流积分值与初始扫描点每个像素块的电流积分值之间的方差S并设计方差门限值T，如果S＞T则发出束流形状和分布不正确预警；
S43：当接收到层内扫描点切换的命令时，重复步骤S11～S12。具体地，S4中改进高斯曲面拟合算法具体如下：
具体地，改进的高斯曲面拟合算法考虑束流在输运过程中发生旋转形变，束斑形状为长短轴长度不同，并且均不与电离室安装正方向重合的椭圆。假定束斑在电离室中呈现二维高斯分布，并且束斑椭圆的长短轴坐标系X’,Y’分别与像素电离室直角坐标系的X,Y成θ角度，如图3所示。则X,Y轴中的坐标(x,y)与X’,Y’轴中的坐标(x',y')的变换关系如下：
x'＝xcosθ+ysinθ
y'＝-xsinθ+ycosθ
则拟合模型为：
其中，A为束斑剂量的峰值，我们需要拟合的参数分别是θ,x0,y0,σx,σy，对拟合模型两边取对数并对平方项展开可得：
为防止求解过程中产生奇异矩阵，方程两边同时乘以f得到:
如果用于拟合的坐标数(xi,yi,fi)共有N个，那么可以得到如下矩阵表达式：
AN*1＝BN*6*C6*1
A＝[f1*ln(f1),...,fN*ln(fN)]T，
B＝[b1,b2,...bN]T
C＝[c1,c2,c3,c4,c5,c6]T
拟合的误差计算分析：
其中，矩阵E＝A-BC，为了减小计算量，对矩阵B进行QR分解，B＝QR，分解后Q为一个N*N的正交矩阵，R为一个N*6的上三角矩阵，对E＝A-BC进行如下推导：
由于Q为正交矩阵，可以得到：
令：
其中：
S为一个6维列向量；T为一个N-6维列向量；R1为一个6*6的上三角方阵，则
上式中，当S＝R1*C时取得最小值，因此只需解出：
并引入三个中间变量k1,k2,k3
k1＝(c4 2-4c5c6)*(c4 2+c5 2-2c5c6+c6 2)
k3＝c4 2-4c5c6
因此有：
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于像素电离室的束斑动态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、获取当前扫描层初始时刻像素电离室的每个像素块的电流积分值，以当前扫描层最大电流积分值Vmax为基准，设置数据门限值区间(w1*Vmax,w2*Vmax)和拟合数据点数N，其中w1和w2分别为门限值区间的上限和下限；
步骤S2、在数据门限值区间内线性调整数据门限值w，以得到最接近N的拟合数据点数N0，如果N0≠N，判断w是否处于门限值区间(w1,w2)的上下限，如果处于下限w1则发出束斑尺寸过大预警，如果处于上限w2则发出束斑尺寸过小预警，在门限值区间(w1,w2)内部则不做处理；
步骤S3、运行改进的高斯曲面拟合算法，得到束斑参数，判断束斑位置或者尺寸与预设值的差的绝对值是否超过容忍范围，如果超过容忍范围则发出束斑位置或者大小不正确预警；
步骤S4、对当前扫描层内所有扫描点进行层内束斑动态监测；
步骤S5、当接收到扫描层切换的命令时，重复步骤S1～S4。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述改进的高斯曲面拟合算法考虑束流在输运过程中发生旋转形变，束斑形状为长短轴长度不同，并且均不与像素电离室直角坐标系重合的椭圆。
3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述层内束斑动态监测包括：
步骤S41、获取当前扫描点每个像素块的电流积分值，判断电离室中心四个像素块是否为所有像素块的电流积分值降幂排列后的前四个值，如果不是，则发出束斑位置不正确预警；
步骤S42、计算当前扫描点每个像素块的电流积分值与初始扫描点每个像素块的电流积分值之间的方差S并设计方差门限值T，如果S＞T则发出束流形状和分布不正确预警；
步骤S43：当接收到层内扫描点切换的命令时，重复步骤S11～S12。
4.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述束斑参数包括束斑中心点位置x0、y0，束斑尺寸σx、σy，束斑与像素电离室直角坐标系的夹角θ，其中θ∈(-π/2,π/2)。
5.一种基于像素电离室的束斑动态监测系统，其特征在于，包括：
数据转换模块，用于将电流信号转换为电压信号，再将模拟电压信号转换成数字信号以获取当前扫描层像素电离室每个像素块的电流积分值；
层间监测模块，用于通过改进的高斯曲面拟合监测束斑的位置与尺寸是否满足治疗计划预设的容忍范围之内；
层内监测模块，用于监测层内束斑的位置和剂量在各像素块上的分布是否发生显著的变化。
6.根据权利要求5所述的监测系统，其特征在于，所述层间监测模块包括：
门限值调整模块，在数据门限值范围内线性调整数据门限值w，以得到最接近N的拟合数据点数N0，如果N0≠N，判断w是否处于门限值区间(w1,w2)的上下限，如果处于下限w1则发出束斑尺寸过大预警，如果处于上限w2则发出束斑尺寸过小预警，在门限值区间(w1,w2)内部则不做处理；
束斑参数获取模块，运行改进的高斯曲面拟合算法，得到束斑参数，判断束斑位置或者尺寸与预设值的差的绝对值是否超过容忍范围，如果超过容忍范围则发出束斑位置或者大小不正确预警。
7.根据权利要求5所述的监测系统，其特征在于，所述层内监测模块包括：
真值判断单元，获取当前扫描点每个像素块的电流积分值，判断电离室中心四个像素块是否为所有像素块的电流积分值降幂排列后的前四个值，如果不是，则发出束斑位置不正确预警；
方差判断单元，计算当前扫描点每个像素块的电流积分值与当前扫描层初始扫描点每个像素块的电流积分值之间的方差S并设计方差门限值T，如果S＞T则发出束流形状和分布不正确预警。
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