CN112035778A - 一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法及装置 - Google Patents
一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法及装置，该计算方法，包括以下步骤：步骤1：设计测试射野并导入射野的测量剂量；步骤2：设置光栅初始参数；步骤3：计算侧面半影；步骤4：利用Monte Carlo剂量计算方法计算得到射野的计算剂量；步骤5：计算Gamma通过率；步骤6：判断步骤5得到的Gamma通过率是否满足要求；若是，则停止；若否，执行步骤7；步骤7：调整侧面半影参数完成后，重复步骤4‑步骤6。本发明可以有效校正侧面半影对剂量计算造成的偏差。
Description
技术领域
本发明属于放射治疗领域，具体涉及一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法及装置。
背景技术
多叶光栅(Multi-Leaf Collimator，MLC)的主要功能是通过计算机控制叶片运动形成不规则野，从而实现适形放射治疗和调强放射治疗，它在临床中被广泛使用。MLC由多个叶片组成，单个叶片的整体形状如图1(a)所示，叶片高度L平行于射线入射方向D，叶片伸入射野内形成射野边界的表面为叶片端面11，相邻叶片接触的表面为叶片侧面12。叶片侧面12在设计时一般遵循两个原则：
1).叶片底面13和叶片顶面14聚焦于放射源位置；
2).相邻叶片之间的漏射线剂量最小。
因此，叶片侧面12一般如图1(b)所示形状，叶片侧面12设计的凹凸槽15防漏射。
从叶片侧面12设计的聚焦性可知，叶片侧面12形状和安装高度是一一对应关系。换言之，叶片的安装高度严格受限于叶片侧面形状，其对加速器生产厂家和光栅生产厂家的配合提出了一定要求。
特别地，当某些加速器所配套的叶片宽度较宽，不能很好地满足临床需求时，用户会转而寻求宽度更小的外置光栅作为实际执行装置。这时，叶片侧面不再有聚焦性，射线通过时会产生明显半影。
光栅半影是剂量计算准确性的影响因素之一，关系着患者实际受照剂量与计算剂量之间差异的大小，光栅半影的建模是否合理直接反映在计划的剂量验证通过率上。目前研究人员对于光栅半影的讨论集中在叶片端面，对叶片侧面的半影研究亟待提出。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法及装置，可以有效校正侧面半影对剂量计算造成的偏差。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一方面，本发明公开一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法，包括以下步骤：
步骤1：设计测试射野并导入射野的测量剂量；
步骤2：设置光栅初始参数；
步骤3：计算侧面半影；
步骤4：利用Monte Carlo剂量计算方法计算得到射野的计算剂量；
步骤5：计算Gamma通过率，Gamma通过率是衡量计算剂量与测量剂量之间差异的指标；
步骤6：判断步骤5得到的Gamma通过率是否满足要求；
若是，则停止；
若否，执行步骤7；
步骤7：调整侧面半影参数完成后，重复步骤4-步骤6。
在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：
作为优选的方案，步骤2中，光栅初始参数包括：光栅每对叶片的宽度，叶片的透射系数，半价层或线性衰减系数。
作为优选的方案，步骤3的计算原理为：
首先，根据叶片顶面和叶片底面聚焦于射线源以及光栅设计安装高度，计算出每一对叶片的锥度角；
其次，使用真实射线源到光栅中心的高度作为实际的安装高度，射线穿过光栅后的透射线强度与原射线强度的比值即为半影因子。
作为优选的方案，步骤3中，对于X射线，射线穿过物质时遵循
指数衰减规律，即：
I＝I0·e-μd； (1)
其中，I为透射线强度；
I0为原射线强度；
μ为线性衰减系数；
d为穿过物质的距离；
由公式(1)可知，如果计算出当前安装高度下射线穿过每一对叶片的厚度d，那么半影因子即为：
penF＝e-μd。 (2)
作为优选的方案，步骤3具体为：
在光栅原设计高度H1下，光栅侧面聚焦于射线源，叶片的设计锥度角满足：
tanα＝H1/X0； (3)
现实际的锥度角满足：
tanα＝H2/X0； (4)
其中，H1为光栅原设计高度；
H2为光栅真实的安装高度；
X0为叶片物理坐标；
Xiso为等中心层的叶片坐标；
SAD为源轴距；
将射线穿过叶片上端面顶点投影在等中心的点与穿过下端面顶点投影在等中心的点之间的距离定义为：等中心层的半影陡变区；
由于半影陡变区实际距离较小，将穿过该区域的射线看作平行射线，则：
其中，Height为光栅高度；
X_length为半影陡变区宽度；
dmax为射线经过光栅上面顶点时，穿过光栅的距离；
α为其中一光栅叶片的设计锥度角；
β为其中一光栅叶片的实际锥度角；
假设射线穿过光栅的长度与投影在等中心距光野的距离成正比，则正比系数slope满足：
slope＝dmax/X_length； (9)
距离光野任意一点的半影因子可表示为：
penF＝exp(-μ·slope·x)； (10)
其中，μ为线性衰减系数；
x为任意一点距光野的距离；
光野坐标可表示为：
XLightField≈Xiso-0.5·X_length； (11)
通过上述公式能够得到每对光栅叶片的光野坐标、等中心坐标和半影因子。
作为优选的方案，步骤4中，在利用Monte Carlo剂量计算方法计算得到射野的计算剂量前，采用下述步骤得到射线穿过光栅后的光子注量因子：
步骤a)：划分光子注量网格，该网格为Monte Carlo剂量计算方法的输入项；
步骤b)：判断当前网格是否在钨门范围内；
若是，则转入步骤d)；
若否，则转入步骤c)；
步骤c)：当前网格整体在钨门范围外，钨门起决定性作用，衰减因子为钨门透射率，注量因子为钨门透射率，转入步骤j)；
步骤d)：计算每个网格对应的射野范围和光野范围；
步骤e)：判断当前网格是否在光野范围内；
如是，则转入步骤f)；
若否，则转入步骤g)；
步骤f)：当前网格整体都在光野范围内，光子没有穿过物质引起的衰减，因子为1，转入步骤j)；；
步骤g)：当前网格整体或部分不在光野范围内，此时光子穿过叶片有指数衰减规律，根据步骤3)描述的半影因子计算公式计算出当前网格内每一个点的半影因子，求解网格内每一点的半影因子关于长度的积分；
步骤h)：积分除以长度即为平均半影因子；
步骤i)：半影因子即为该网格的注量因子；
步骤j)：得到注量因子。
作为优选的方案，步骤7中，侧面半影参数包括：光栅宽度、光栅实际安装高度以及线性衰减系数，光栅宽度影响计算剂量的开野大小，光栅实际安装高度和线性衰减系数影响半影区的剂量梯度。
另一方面，本发明还公开一种多叶光栅侧面穿射半影计算装置，包括计算机以及安装于计算机上的程序，程序用于执行多叶光栅侧面穿射半影计算方法。
本发明一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法及装置，在半影修正的基础上，计算了一系列射野的计算剂量与测量剂量之间的Gamma通过率，通过不断调整参数，使得半影修正后的射野通过率达到最佳，验证了侧面半影计算方法的合理性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为现有技术中MLC叶片示意图；
图1(a)为单个叶片的整体形状示意图；
图1(b)为单个叶片侧面形状示意图；
图2为本发明实施例提供的多叶光栅侧面穿射半影计算方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的Opening field试验的Beam003；
图4为本发明实施例提供的Closing field试验的Beam003；
图5为本发明实施例提供的光栅侧面半影计算示意图；
图6为本发明实施例提供的光栅侧面穿射半影局部示意图；
图7为本发明实施例提供的注量因子的计算方法流程图。
其中：L-叶片高度，D-射线入射方向，11-叶片端面，12-叶片侧面，13-叶片底面，14-叶片顶面，15-凹凸槽；
2-钨门，A-叶片打开区域，B-叶片关闭区域B。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
光栅侧面半影分为三种：几何半影、穿射半影以及散射半影。
本发明在计算光栅侧面半影时只考虑穿射半影，其原因在于：几何半影和散射半影在叶片侧面聚焦时也存在，此时在剂量计算时未考虑侧面半影，得到的剂量计算结果与实际测量结果相差不大，因此认为几何半影和散射半影不是叶片侧面半影的主要影响因素。
一方面，本发明实施例公开一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法，包括以下步骤，如图2所示：
步骤1：设计测试射野并导入射野的测量剂量；
步骤2：设置光栅初始参数；
步骤3：计算侧面半影；
步骤4：利用Monte Carlo剂量计算方法计算得到射野的计算剂量；
步骤5：计算Gamma通过率，Gamma通过率是衡量计算剂量与测量剂量之间差异的指标；
步骤6：判断步骤5得到的Gamma通过率是否满足要求；
若是，则停止；
若否，执行步骤7；
步骤7：调整侧面半影参数完成后，重复步骤4-步骤6。
本发明设计了一系列射野，并将其载入到加速器上，接着加速器出一定跳数，最后使用剂量采集系统采集等中心层的剂量分布。
同时，治疗计划系统(treatment planning system，TPS)将使用侧面半影校正后的Monte Carlo剂量计算方法(MC算法)计算等中心层的剂量分布。
通过比较测量剂量和计算剂量的差异，我们可以验证光栅侧面半影校正的合理性。试验所用的加速器为LinaTech公司的6MV VenusX，所用光栅为LinaTech公司的内置光栅(51对)，所用的剂量测量设备为IBA公司的Matrixx二维矩阵。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在上述实施方式中，步骤2中，光栅初始参数包括：光栅每对叶片的宽度，叶片的透射系数，半价层或线性衰减系数。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在上述实施方式中，步骤3的计算原理为：
首先，根据叶片顶面和叶片底面聚焦于射线源以及光栅设计安装高度，计算出每一对叶片的锥度角；
其次，使用真实射线源到光栅中心的高度作为实际的安装高度，射线穿过光栅后的透射线强度与原射线强度的比值即为半影因子。
本发明认为光栅生产厂家在设计光栅侧面时遵循“顶面和底面聚焦于射线源”这一特征，并且光栅的设计安装高度是已知的，那么可计算出每一对叶片的锥度角。这时，使用真实射线源到光栅中心的高度作为实际的安装高度，射线穿过光栅后的透射线强度与原射线强度的比值即为半影因子。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在上述实施方式中，步骤3中，对于X射线，射线穿过物质时遵循指数衰减规律，即：
I＝I0·e-μd； (1)
其中，I为透射线强度；
I0为原射线强度；
μ为线性衰减系数；
d为穿过物质的距离；
由公式(1)可知，如果计算出当前安装高度下射线穿过每一对叶片的厚度d，那么半影因子即为：
penF＝e-μd。 (2)
为了进一步地优化本发明的实施效果，在上述实施方式中，步骤3具体为：
侧面半影计算时，只考虑穿射半影，暂时不考虑凹凸槽，认为光栅在设计时遵循“顶面和底面聚焦于射线源”这一特征，以光栅中点在等中心的投影宽度作为光栅宽度，侧面半影计算的示意图如图5所示；
光栅生产时的设计思路为：在光栅原设计高度H1下，光栅侧面聚焦于射线源，因此叶片的设计锥度角满足：
tanα＝H1/X0； (3)
现实际的锥度角满足：
tanα＝H2/X0； (4)
其中，H1为光栅原设计高度，光栅生产厂商可提供该数据；
H2为光栅真实的安装高度，加速器生产厂商可提供该数据；
X0为叶片物理坐标；
Xiso为等中心层的叶片坐标；
SAD为源轴距；
将射线穿过叶片上端面顶点投影在等中心的点与穿过下端面顶点投影在等中心的点之间的距离定义为：等中心层的半影陡变区；
由于半影陡变区实际距离较小，将穿过该区域的射线看作平行射线，射线穿过此区域的局部视图如图6所示，则：
其中，Height为光栅高度，光栅生产厂商可提供该数据；
X_length为半影陡变区宽度；
dmax为射线经过光栅上面顶点时，穿过光栅的距离；
α为其中一光栅叶片的设计锥度角；
β为其中一光栅叶片的实际锥度角；
假设射线穿过光栅的长度与投影在等中心距光野的距离成正比，则正比系数slope满足：
slope＝dmax/X_length； (9)
距离光野任意一点的半影因子可表示为：
penF＝exp(-μ·slope·x)； (10)
其中，μ为线性衰减系数，可以但不限于取0.73；
x为任意一点距光野的距离；
光野坐标可表示为：
XLightField≈Xiso-0.5·X_length； (11)
通过上述公式能够得到每对光栅叶片的光野坐标、等中心坐标和半影因子。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在上述实施方式中，加入光栅侧面半影后，TPS可得到射线穿过光栅后的光子能量注量，接着在TPS中使用MC方法可计算得到等中心层的剂量分布，即为计算剂量；
故步骤4中，在利用Monte Carlo剂量计算方法计算得到射野的计算剂量前，采用下述步骤得到射线穿过光栅后的光子注量因子，如图7所示：
步骤a)：划分光子注量网格，该网格为Monte Carlo剂量计算方法的输入项；
步骤b)：判断当前网格是否在钨门范围内；
若是，则转入步骤d)；
若否，则转入步骤c)；
步骤c)：当前网格整体在钨门范围外，钨门起决定性作用，衰减因子为钨门透射率，注量因子为钨门透射率，转入步骤j)；
步骤d)：计算每个网格对应的射野范围和光野范围；
步骤e)：判断当前网格是否在光野范围内；
如是，则转入步骤f)；
若否，则转入步骤g)；
步骤f)：当前网格整体都在光野范围内，光子没有穿过物质引起的衰减，因子为1，转入步骤j)；；
步骤g)：当前网格整体或部分不在光野范围内，此时光子穿过叶片有指数衰减规律，根据步骤3)描述的半影因子计算公式计算出当前网格内每一个点的半影因子，积分得到该网格内半影因子的总和，求解网格内每一点的半影因子关于长度的积分；
步骤h)：积分除以长度即为平均半影因子；
步骤i)：半影因子即为该网格的注量因子；
步骤j)：得到注量因子。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在上述实施方式中，步骤7中，侧面半影参数包括：光栅宽度、光栅实际安装高度以及线性衰减系数，光栅宽度影响计算剂量的开野大小，光栅实际安装高度和线性衰减系数影响半影区的剂量梯度。
另一方面，本发明还公开一种多叶光栅侧面穿射半影计算装置，包括计算机以及安装于计算机上的程序，程序用于执行多叶光栅侧面穿射半影计算方法。
为了更便于理解，具体实施方式如下：
本发明开一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法包括以下步骤：
步骤1：设计测试射野并导入射野的测量剂量；
步骤1中设计的一系列射野分为两类：
第一类，Opening field试验，如图3所示，钨门2范围内的全部叶片闭合，以最中间叶片(第26对)为始，中间叶片次第打开，每个射野序号(BeamID)依次排列，如：BeamID为1的射野表示其他叶片闭合，第26对叶片打开，BeamID为2的射野表示其他叶片闭合，第25，26，27对叶片打开，叶片打开区域A，如图3所示；
第二类，Closing field试验，如图4所示，钨门2范围内的全部叶片打开，以最中间叶片(第26对)为始，中间叶片次第关闭，每个射野序号(BeamID)依次排列，如：BeamID为1的射野表示其他叶片打开，第26对叶片关闭，BeamID为2的射野表示其他叶片打开，第25，26，27对叶片闭合，叶片关闭区域B，如图4所示；
由此可以看出，每对叶片的侧面半影在此试验下得以体现；
步骤2：设置光栅初始参数，设置光栅每对叶片的宽度，叶片的透射系数，半价层或线性衰减系数；
步骤3：通过上述公式计算侧面半影；
步骤4：利用Monte Carlo剂量计算方法计算得到射野的计算剂量；
步骤5：计算Gamma通过率，Gamma通过率是衡量计算剂量与测量剂量之间差异的指标；
步骤6：判断步骤5得到的Gamma通过率是否满足要求；
若是，则停止；
若否，执行步骤7；
采用2mm/3％/10％作为Gamma分析的评价标准，以90％的通过率作为剂量验证要求；
通过率大于等于90％将视为合格；
通过率小于90％则需要调整参数；
值得注意的是，一旦参数发生改变，那么所有射野的计算剂量都将发生变化，因此调整参数时需兼顾所有射野；
步骤7：调整侧面半影参数完成后，重复步骤4-步骤6。
注意的是，一旦调整侧面半影参数，那么需要在TPS中重新计算所有射野的剂量。
统计所有射野在侧面半影校正前后的Gamma通过率，统计表如表1所示。
由表1可知，半影校正后Gamma通过率有了明显提升，证明了侧面半影计算方法的合理性。
表1光栅侧面半影校正前后的Gamma通过率
本发明一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法及装置，在半影修正的基础上，计算了一系列射野的计算剂量与测量剂量之间的Gamma通过率，通过不断调整参数，使得半影修正后的射野通过率达到最佳，验证了侧面半影计算方法的合理性。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设计测试射野并导入射野的测量剂量；
步骤2：设置光栅初始参数；
步骤3：计算侧面半影；
步骤4：利用Monte Carlo剂量计算方法计算得到射野的计算剂量；
步骤5：计算Gamma通过率，Gamma通过率是衡量计算剂量与测量剂量之间差异的指标；
步骤6：判断步骤5得到的Gamma通过率是否满足要求；
若是，则停止；
若否，执行步骤7；
步骤7：调整侧面半影参数完成后，重复步骤4-步骤6。
2.根据权利要求1所述的多叶光栅侧面穿射半影计算方法，其特征在于，所述步骤2中，所述光栅初始参数包括：光栅每对叶片的宽度，叶片的透射系数，半价层或线性衰减系数。
3.根据权利要求1所述的多叶光栅侧面穿射半影计算方法，其特征在于，所述步骤3的计算原理为：
首先，根据叶片顶面和叶片底面聚焦于射线源以及光栅设计安装高度，计算出每一对叶片的锥度角；
其次，使用真实射线源到光栅中心的高度作为实际的安装高度，射线穿过光栅后的透射线强度与原射线强度的比值即为半影因子。
4.根据权利要求3所述的多叶光栅侧面穿射半影计算方法，其特征在于，所述步骤3中，对于X射线，射线穿过物质时遵循指数衰减规律，即：
I＝I0·e-μd； (1)
其中，I为透射线强度；
I0为原射线强度；
μ为线性衰减系数；
d为穿过物质的距离；
由公式(1)可知，如果计算出当前安装高度下射线穿过每一对叶片的厚度d，那么半影因子即为：
penF＝e-μd。 (2)
5.根据权利要求4所述的多叶光栅侧面穿射半影计算方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
在光栅原设计高度H1下，光栅侧面聚焦于射线源，叶片的设计锥度角满足：
tanα＝H1/X0； (3)
现实际的锥度角满足：
tanα＝H2/X0；
(4)
其中，H1为光栅原设计高度；
H2为光栅真实的安装高度；
X0为叶片物理坐标；
Xiso为等中心层的叶片坐标；
SAD为源轴距；
将射线穿过叶片上端面顶点投影在等中心的点与穿过下端面顶点投影在等中心的点之间的距离定义为：等中心层的半影陡变区；
由于半影陡变区实际距离较小，将穿过该区域的射线看作平行射线，则：
其中，Height为光栅高度；
X_length为半影陡变区宽度；
dmax为射线经过光栅上面顶点时，穿过光栅的距离；
α为其中一光栅叶片的设计锥度角；
β为其中一光栅叶片的实际锥度角；
假设射线穿过光栅的长度与投影在等中心距光野的距离成正比，则正比系数slope满足：
slope＝dmax/X_length； (9)
距离光野任意一点的半影因子可表示为：
penF＝exp(-μ·slope·x)； (10)
其中，μ为线性衰减系数；
x为任意一点距光野的距离；
光野坐标可表示为：
XLightField≈Xiso-0.5·X_length； (11)
通过上述公式能够得到每对光栅叶片的光野坐标、等中心坐标和半影因子。
6.根据权利要求5所述的多叶光栅侧面穿射半影计算方法，其特征在于，所述步骤4中，在利用Monte Carlo剂量计算方法计算得到射野的计算剂量前，采用下述步骤得到射线穿过光栅后的光子注量因子：
步骤a)：划分光子注量网格，该网格为Monte Carlo剂量计算方法的输入项；
步骤b)：判断当前网格是否在钨门范围内；
若是，则转入步骤d)；
若否，则转入步骤c)；
步骤c)：当前网格整体在钨门范围外，钨门起决定性作用，衰减因子为钨门透射率，注量因子为钨门透射率，转入步骤j)；
步骤d)：计算每个网格对应的射野范围和光野范围；
步骤e)：判断当前网格是否在光野范围内；
如是，则转入步骤f)；
若否，则转入步骤g)；
步骤f)：当前网格整体都在光野范围内，光子没有穿过物质引起的衰减，因子为1，转入步骤j)；；
步骤g)：当前网格整体或部分不在光野范围内，此时光子穿过叶片有指数衰减规律，根据步骤3)描述的半影因子计算公式计算出当前网格内每一个点的半影因子，求解网格内每一点的半影因子关于长度的积分；
步骤h)：积分除以长度即为平均半影因子；
步骤i)：半影因子即为该网格的注量因子；
步骤j)：得到注量因子。
7.根据权利要求1-6任一项所述的多叶光栅侧面穿射半影计算方法，其特征在于，所述步骤7中，侧面半影参数包括：光栅宽度、光栅实际安装高度以及线性衰减系数，所述光栅宽度影响计算剂量的开野大小，所述光栅实际安装高度和线性衰减系数影响半影区的剂量梯度。
8.一种多叶光栅侧面穿射半影计算装置，其特征在于，包括计算机以及安装于所述计算机上的程序，所述程序用于执行如权利要求1-7任一项所述的多叶光栅侧面穿射半影计算方法。
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| PCT/CN2020/131313 WO2022048043A1 (zh) | 2020-09-01 | 2020-11-25 | 一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法及装置 |
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| CN202010906688.5A CN112035778B (zh) | 2020-09-01 | 2020-09-01 | 一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法及装置 |
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| CN202010906688.5A Active CN112035778B (zh) | 2020-09-01 | 2020-09-01 | 一种多叶光栅侧面穿射半影计算方法及装置 |
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