CN113181562A - 一种旋转式多层多叶光栅系统及其直接子野优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转式多层多叶光栅系统及其直接子野优化方法。属于医疗器械技术领域，所述的旋转式多层多叶光栅系统，安装于放疗设备的加速器机头下，包括一个主层光栅和若干个辅助层光栅，所述主层光栅的叶片和辅助层光栅的叶片所在平面互相平行，且垂直于所述加速器机头发出的射线方向，所述主层光栅的叶片和辅助层光栅的叶片的运动方向角度可以是0°‑360°之间任一角度；直接子野方法基于上述可变角度多层光栅装置，打通软硬件之间界限，深入耦合优化算法与光栅实际运动状态，提高照射精度。本发明提供的用于放疗设备的可变角度多层光栅系统及其直接子野优化方法，能够明显的提升照射质量和治疗效率，对于临床有着极其重要的意义。

Description

一种旋转式多层多叶光栅系统及其直接子野优化方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种基于旋转式多层多叶光栅系统及其调强放疗计划优化实现方法。

背景技术

放射治疗是肿瘤治疗的主要手段之一，其目的是在使用射线杀死肿瘤细胞的同时，最大限度地保护靶区周围的正常组织。调强放疗(IMRT)作为目前肿瘤精确放射治疗的主要实施方式之一，因其将多叶光栅(MLC)和逆向优化算法结合，在肿瘤靶区适形度和正常组织保护方面较传统三维适形照射方式有着非常明显的优势。

目前临床上用于肿瘤放射治疗的电子直线加速器配备的多叶光栅大多为单层，因此只能在单一方向上对肿瘤靶区保持较好的适形度，对于复杂形状的肿瘤，传统单层多叶光栅的适形度则表现较差，只能通过将射野分割为更小、更多的子野来解决此问题，但增加子野数目会使总治疗时间变长，小面积的子野会造成剂量的不准确等问题。使用多层多叶光栅，可有效提高调强能力，通过结合优化方法形成的多层多叶光栅系统可有效降低小子野数量并增大子野面积；多个角度的多层光栅更有利于避开重要器官，保护周边正常组织。因此，多层多叶光栅系统具有较高的临床实际意义。

为实现精确照射，需要建立结合旋转式多层多叶光栅的直接子野优化方法，实现精准快速优化。目前尚无使用基于旋转式多层多叶光栅的直接子野优化方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种旋转式多层多叶光栅，以及调强计划系统利用所述多叶光栅实现计划优化强度照射的方法。

本发明的技术方案是：一种旋转式多层多叶光栅系统，所述的旋转式多层多叶光栅系统安设于放疗设备的加速器机头下，其包括一个主层光栅和若干个辅助层光栅；

所述一个主层光栅和若干个辅助层光栅所在平面互相平行、且垂直于所述加速器机头发出的射线方向；

所述一个主层光栅和若干个辅助层光栅的所有叶片沿第一方向的射线投影，其中，所述主层光栅及辅助层光栅均包含有多对叶片；

所述主层光栅中的所有叶片均能沿叶片长度延伸方向、即第二方向运动，其中，第三方向为叶片厚度方向，第一方向、第二方向和第三方向互相垂直；

所述若干个辅助层光栅中的所有叶片均能沿叶片长度延伸方向，且沿着该层光栅摆放角度运动；

所述主层光栅的叶片和辅助层光栅的叶片的运动方向角度是0°-360°之间任一角度。

进一步的，步骤(2.1)、建立总强度与一个主层光栅和若干个辅助层光栅射线强度分布特征；

步骤(2.2)、建立总强度与叶片位置的直接映射关系；

步骤(2.3)、建立目标函数与叶片位置的直接映射关系；

步骤(2.4)、应用直接机器参数优化模型，采用共轭梯度法实现直接子野优化。

进一步的，在所述步骤(2.1)中，建立总强度与一个主层光栅和若干个辅助层光栅射线强度分布特征的具体操作方法如下：从射线源发出的射线经过若干个辅助层光栅后在等中心平面的强度分布I₂连续变化，I₂＝Φ(L_y)；

式中，L_y表示若干个辅助层光栅中所有叶片对的停靠位置；经过主层光栅后在等中心平面的强度分布I₁沿第二和第三方向连续变化：I₁＝Φ(L_x)，

其中，L_x表示主层光栅中所有叶片对的停靠位置；射线经过所述多角度多层多叶光栅后在等中心平面的强度分布I是由I₁和I₂在所有层光栅位置的乘积得到，即：I＝I₁*I₂＝Φ(L_x)*Φ(L_y)＝Φ(L_x,L_y)。

进一步的，在所述步骤(2.2)中，建立总强度与叶片位置的直接映射关系，为所述三维射线经过旋转式多层多叶光栅限束后形成的多个子野形成的总强度，即一系列单位强度矩阵叠加后强度与，其具体如下式所示：

Φ＝MU₁I_S1+MU₂I_S2+...+MU_nI_Sn

＝MU₁Φ_S1(L_x1,L_y1)+MU₂Φ_S2(L_x2,L_y2)+...+MU_nΦ_Sn(L_xn,L_yn)

其中，I_S1，I_S2，…，I_Sn表示每一个子野所对应的单位子野强度；MU₁， MU₂，…，MU_n表示各个单位强度矩阵的MU数。

进一步的，在所述步骤(2.3)中，建立目标函数与叶片位置的直接映射关系具体是：

所述三维射线强度分布由放射治疗计划系统的逆向优化模块计算得到：逆向优化模块通过计算目标函数F＝∑_i[D_i-D_p]ⁿ取得最小值时，靶区内体元的实际照射剂量D_i和处方剂量D_p相差最小时所对应的I即为所述三维射线强度分布，其中靶区内体元的照射剂量D_i和射束强度的关系：

D_i＝∑M_ij*I_j

其中，M_ij表示射野内小尺寸射束单元的剂量贡献矩阵；

故，计划逆向优化目标函数与所述多角度多层多叶光栅的叶片对位置关系表述为：

F＝F(L_x,L_y)＝min∑_i[∑_jM_ij*Φ_j(L_x,L_y)-D_p]ⁿ,n＝2,3,...

进一步的，在所述步骤(2.4)中，应用直接机器参数优化模型，采用共轭梯度法实现直接子野优化的具体操作步骤如下：

(2.4.1)、基于强度优化和子野分割得到初始子野；

(2.4.2)、基于目标函数对叶片位置的精确映射关系，得到目标函数对叶片位置的偏导数，偏导数计算公式如下式所示如下：

其中，F表示目标函数值，L_x表示叶片位置，D表示剂量贡献矩阵，I表示强度分布，根据公式求得目标函数对叶片位置的偏导数；

(2.4.3)、使用直接机器参数优化方法微调叶片位置，利用目标函数对叶片位置的偏导数，采用共轭梯度法计算，快速优化计划。

本发明的有益效果是：(1)、旋转式多层多叶光栅，在适形度上占有优势，可有效减少光栅漏射，可以更好地保护危及器官；(2)、通过对旋转式多层多叶光栅建模，建立了基于目标函数与叶片的精确映射，打通软硬件之间界限，深入耦合优化算法与光栅实际运动状态，提高照射精度。

附图说明

图1是本发明中以双层正交为例的旋转式多层多叶光栅侧面示意图；

图2中：(a)是传统单层多叶光栅对圆形靶区的适形示意图，(b)是本发明所述的以双层正交为例的旋转式多层多叶光栅对圆形靶区的适形示意图；

图3中：(a)是传统单层多叶光栅对复杂形状靶区的适形示意图，(b)是本发明所述的以双层正交为例的旋转式多层多叶光栅对复杂形状靶区的适形示意图；

图4是本发明实施例中一个旋转角度144°的双层多叶光栅对复杂形状靶区的适形示意图；

图中，1是辅助层光栅，2是主层光栅，3是射线源，4是靶区示例一，5是靶区示例二。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种旋转式多层多叶光栅系统，所述的旋转式多层多叶光栅系统安设于放疗设备的加速器机头下；所述的旋转式多层多叶光栅包括一个主层光栅2和若干个辅助层光栅1，所述的若干个辅助层光栅1的数量为N，N≥1；

所述主层光栅2和若干个辅助层光栅1所在平面互相平行，且垂直于所述加速器机头发出的射线方向；

一个主层光栅2和若干个辅助层光栅1沿第一方向、即叶片高度方向依次设置、也是射线方向，其中，所述主层光栅2比辅助层光栅1更远离射线源3；

所述一个主层光栅2和若干个辅助层光栅3的所有叶片沿第一方向的射线投影，主层光栅2包含多对叶片，若干个辅助层光栅1包含多对叶片；

主层光栅2中的叶片均能沿叶片长度延伸方向、即第二方向运动，其中第三方向为叶片厚度方向，第一方向、第二方向和第三方向互相垂直；

若干个辅助层光栅1中的叶片均能沿叶片长度延伸方向，沿着该层叶片组摆放角度运动；

所述摆放角度，除主层光栅2外，若干个辅助层光栅1均可旋转；旋转角度可以是0°-360°之间任一角度旋转；旋转角度即叶片运动角度。

进一步的，一种旋转式多层多叶光栅系统的直接子野优化方法，使用了旋转式多层多叶光栅系统，

步骤如下：首先，建立总强度与一个主层光栅2和多个辅助层光栅1射线强度分布特征；其次，建立总强度与叶片位置的直接映射关系；然后，建立目标函数与叶片位置的直接映射关系；最后，应用直接机器参数优化模型，采用共轭梯度法实现直接子野优化。

具体的，1、建立总强度与一个主层光栅2和多个辅助层光栅1射线强度分布特征的具体操作方法如下：从射线源3发出的射线经过若干个辅助层光栅1 后在等中心平面的强度分布I₂连续变化，I₂＝Φ(L_y)，

其中，L_y表示多个辅助层光栅1中所有叶片对的停靠位置；经过主层光栅2 后在等中心平面的强度分布I₁沿第二和第三方向连续变化，I₁＝Φ(L_x)，

其中，L_x表示主层光栅2中所有叶片对的停靠位置；射线经过所述多角度多层多叶光栅后在等中心平面的强度分布I是由I₁和I₂在所有叶片组位置的乘积得到，即：

I＝I₁*I₂＝Φ(L_x)*Φ(L_y)＝Φ(L_x,L_y)

2、建立目标函数与叶片位置的直接映射关系，为所述三维射线经过旋转式多层多叶光栅限束后形成的多个子野形成的总强度，即一系列单位强度矩阵叠加后强度与，具体如下式所示：

Φ＝MU₁I_S1+MU₂I_S2+...+MU_nI_Sn

＝MU₁Φ_S1(L_x1,L_y1)+MU₂Φ_S2(L_x2,L_y2)+...+MU_nΦ_Sn(L_xn,L_yn)

其中，I_S1，I_S2，…，I_Sn表示每一个子野所对应的单位子野强度；MU₁， MU₂，…，MU_n表示各个单位强度矩阵的MU数；

3、建立目标函数与叶片位置的直接映射关系具体是：所述三维射线强度分布由放射治疗计划系统的逆向优化模块计算得到：

逆向优化模块通过计算目标函数F＝∑_i[D_i-D_p]ⁿ取得最小值时，靶区内体元的实际照射剂量D_i和处方剂量D_p相差最小时所对应的I即为所述三维射线强度分布，其中靶区内体元的照射剂量D_i和射束强度的关系：

D_i＝∑M_ij*I_j

其中，M_ij表示射野内小尺寸射束单元的剂量贡献矩阵；

因此，计划逆向优化目标函数与所述多角度多层多叶光栅的叶片对位置关系表述为：

F＝F(L_x,L_y)＝min∑_i[∑_jM_ij*Φ_j(L_x,L_y)-D_p]ⁿ,n＝2,3,...。

4、应用直接机器参数优化模型，采用共轭梯度法实现直接子野优化的具体操作步骤如下：步骤如下：(1)、基于强度优化和子野分割得到初始子野；(2)、基于目标函数与叶片位置精确映射关系，得到目标函数对叶片位置的偏导数，偏导数计算公式如下：

其中，F为目标函数值，L_x为叶片位置，D为剂量贡献矩阵，I为强度分布，根据公式求得目标函数对叶片位置的偏导数；(3)、使用直接机器参数优化方法微调叶片位置，利用目标函数对叶片位置的偏导数，采用共轭梯度法计算，快速优化计划。

具体实施例：如图1所述，旋转式多层多叶光栅，以正交方式双层光栅为例，包括：若干个辅助层光栅1和一个主层光栅2，沿第一方向依次设置，辅助层光栅1比主层光栅2更靠近射线源3，辅助层光栅1中的叶片均能沿叶片长度延伸方向、即第二方向运动，主层光栅2中的叶片均能沿叶片长度延伸方向、即第三方向运动，第一方向、第二方向和第三方向互相垂直；辅助层光栅2只有一层，并且旋转到90°方向，并与主层光栅2垂直。

肿瘤靶区为圆形时，所述多叶光栅对靶区示例一4进行适形；传统单层多叶光栅对靶区示例一4的适形结果如图2a所示，此时射线经过传统单层多叶光栅后的强度分布为I₁；使用本发明所述双层多叶光栅对靶区示例一4进行适形，则射线的强度分布为I₁和I₂的乘积(如图2b所示)：

I＝I₁*I₂＝Φ(L_x)∩Φ(L_y)＝Φ(L_x,L_y)

形成的总强度分布，能对圆形靶区更好地适形，对正常组织的保护更好。

肿瘤靶区为复杂形状时，所述多叶光栅对示例二5进行适形；传统单层多叶光栅对复杂形状靶区的适形结果如图3a所示，本发明所述双层多叶光栅对复杂形状靶区的适形结果如图3b所示；可见传统单层多叶光栅对复杂形状靶区的“一次性”适形效果较差，若要提高靶区适形度，需要增加较多数量的照射子野，即下式中需要较多的单位强度矩阵和MU来实现靶区照射剂量：

Φ＝MU₁I_S1+MU₂I_S2+...+MU_nI_Sn

＝MU₁Φ_S1(L_x1,L_y1)+MU₂Φ_S2(L_x2,L_y2)+...+MU_nΦ_Sn(L_xn,L_yn)

其中，I_S1，I_S2，…，I_Sn表示每一个子野所对应的单位子野强度；MU₁， MU₂，…，MU_n为各个单位强度矩阵的MU数。

进行直接子野优化时，步骤在于：

首先，根据如上公式，建立目标函数与叶片位置的直接映射关系，所述三维射线强度分布由放射治疗计划系统的逆向优化模块计算得到：

逆向优化模块通过计算目标函数F＝∑_i[D_i-D_p]ⁿ取得最小值时，靶区内体元的实际照射剂量D_i和处方剂量D_p相差最小时所对应的I即为所述三维射线强度分布，其中靶区内体元的照射剂量D_i和射束强度的关系：

D_i＝∑M_ij*I_j

其中，M_ij表示射野内小尺寸射束单元的剂量贡献矩阵；

因此，计划逆向优化目标函数与所述双层多叶光栅的叶片对位置关系表述为：

F＝F(L_x,L_y)＝min∑_i[∑_jM_ij*Φ_j(L_x,L_y)-D_p]ⁿ,n＝2,3,...

一种旋转式多层多叶光栅系统的直接子野优化方法，包括以下步骤；基于强度优化和子野分割得到初始子野；基于已得到的半影模型，建立子野位置与强度转换关系；通过半影模型得到目标函数对叶片位置的偏导数，偏导数计算公式如下：

其中，F为目标函数值，L_x为叶片位置，D为剂量贡献矩阵，I为强度分布，根据公式求得目标函数对叶片位置的偏导数；使用直接机器参数优化方法微调叶片位置，利用目标函数对叶片位置的偏导数，采用共轭梯度法计算，快速优化计划。

使用所述的双层多叶光栅(图3b)，可以使用较少的单位强度矩阵和MU数，即可使目标函数F＝∑_i[D_i-D_p]ⁿ取得最小值；同时由于靶区照射需要的MU数减少，靶区周围的正常组织接受的辐射也会减少，更利于正常组织的保护。

如图4所示，旋转角度为144°的双层多叶光栅，可以很好的贴合复杂形状的靶区。

因此，所述双层多叶光栅能够对复杂形状的靶区可以实现一次性、单射野、高适形度照射，能够减少计划优化强度的分割数量，减少总治疗时间，从而更好地保护正常组织。

最后，应当理解的是，本发明中所述实施例仅用以说明本发明实施例的原则；其他的变形也可能属于本发明的范围；因此，作为示例而非限制，本发明实施例的替代配置可视为与本发明的教导一致；相应地，本发明的实施例不限于本发明明确介绍和描述的实施例。

Claims (6)

1.一种旋转式多层多叶光栅系统，所述的旋转式多层多叶光栅系统安设于放疗设备的加速器机头下，其特征在于，其包括一个主层光栅和若干个辅助层光栅；

所述一个主层光栅和若干个辅助层光栅所在平面互相平行、且垂直于所述加速器机头发出的射线方向；

所述一个主层光栅和若干个辅助层光栅的所有叶片沿第一方向的射线投影，其中，所述主层光栅及辅助层光栅均包含有多对叶片；

所述主层光栅中的所有叶片均能沿叶片长度延伸方向、即第二方向运动，其中，第三方向为叶片厚度方向，第一方向、第二方向和第三方向互相垂直；

所述若干个辅助层光栅中的所有叶片均能沿叶片长度延伸方向，且沿着该层光栅摆放角度运动；

所述主层光栅的叶片和辅助层光栅的叶片的运动方向角度是0°-360°之间任一角度。

2.如权利要求1所述的一种旋转式多层多叶光栅系统的直接子野优化方法，其特征在于，

步骤(2.1)、建立总强度与一个主层光栅和若干个辅助层光栅射线强度分布特征；

步骤(2.2)、建立总强度与叶片位置的直接映射关系；

步骤(2.3)、建立目标函数与叶片位置的直接映射关系；

步骤(2.4)、应用直接机器参数优化模型，采用共轭梯度法实现直接子野优化。

3.根据权利要求2所述的一种旋转式多层多叶光栅系统的直接子野优化方法，其特征在于，

在所述步骤(2.1)中，建立总强度与一个主层光栅和若干个辅助层光栅射线强度分布特征的具体操作方法如下：从射线源发出的射线经过若干个辅助层光栅后在等中心平面的强度分布I₂连续变化，I₂＝Φ(L_y)；

式中，L_y表示若干个辅助层光栅中所有叶片对的停靠位置；经过主层光栅后在等中心平面的强度分布I₁沿第二和第三方向连续变化：I₁＝Φ(L_x)，

其中，L_x表示主层光栅中所有叶片对的停靠位置；射线经过所述多角度多层多叶光栅后在等中心平面的强度分布I是由I₁和I₂在所有层光栅位置的乘积得到，即：I＝I₁*I₂＝Φ(L_x)*Φ(L_y)＝Φ(L_x,L_y)。

4.根据权利要求2所述的一种旋转式多层多叶光栅系统的直接子野优化方法，其特征在于，

在所述步骤(2.2)中，建立总强度与叶片位置的直接映射关系，为所述三维射线经过旋转式多层多叶光栅限束后形成的多个子野形成的总强度，即一系列单位强度矩阵叠加后强度与，其具体如下式所示：

Φ＝MU₁I_S1+MU₂I_S2+...+MU_nI_Sn

＝MU₁Φ_S1(L_x1,L_y1)+MU₂Φ_S2(L_x2,L_y2)+...+MU_nΦ_Sn(L_xn,L_yn)

其中，I_S1，I_S2，…，I_Sn表示每一个子野所对应的单位子野强度；MU₁，MU₂，…，MU_n表示各个单位强度矩阵的MU数。

5.根据权利要求2所述的一种旋转式多层多叶光栅系统的直接子野优化方法，其特征在于，在所述步骤(2.3)中，建立目标函数与叶片位置的直接映射关系具体是：所述三维射线强度分布由放射治疗计划系统的逆向优化模块计算得到：

逆向优化模块通过计算目标函数F＝∑_i[D_i-D_p]ⁿ取得最小值时，靶区内体元的实际照射剂量D_i和处方剂量D_p相差最小时所对应的I即为所述三维射线强度分布，其中靶区内体元的照射剂量D_i和射束强度的关系：

D_i＝∑M_ij*I_j

其中，M_ij表示射野内小尺寸射束单元的剂量贡献矩阵；

故，计划逆向优化目标函数与所述多角度多层多叶光栅的叶片对位置关系表述为：

F＝F(L_x,L_y)＝min∑_i[∑_jM_ij*Φ_j(L_x,L_y)-D_p]ⁿ,n＝2,3,... 。

6.根据权利要求2所述的一种旋转式多层多叶光栅系统的直接子野优化方法，其特征在于，在所述步骤(2.4)中，应用直接机器参数优化模型，采用共轭梯度法实现直接子野优化的具体操作步骤如下：

(2.4.1)、基于强度优化和子野分割得到初始子野；

(2.4.2)、基于目标函数对叶片位置的精确映射关系，得到目标函数对叶片位置的偏导数，偏导数计算公式如下式所示如下：

其中，F表示目标函数值，L_x表示叶片位置，D表示剂量贡献矩阵，I表示强度分布，根据公式求得目标函数对叶片位置的偏导数；

(2.4.3)、使用直接机器参数优化方法微调叶片位置，利用目标函数对叶片位置的偏导数，采用共轭梯度法计算，快速优化计划。

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