CN113521561A - 正交双层光栅逆向旋转调强的实现方法、存储介质及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种正交双层光栅逆向旋转调强的实现方法、存储介质及装置。所述方法包括如下步骤：S1：确定旋转弧范围，并在旋转弧范围内添加射野；S2：设置处方和器官约束条件；S3：将各射野强度整合到光栅运行曲面上；S4：按规则分割曲面强度图，并计算子野位置和权重；S5：整合子野权重、光栅叶片位置、机架角度，保存数据库；S6：进行剂量计算。相比于传统的旋转调强方法，本发明的方法优化的角度更多，结合正交双层光栅的优势，可形成复杂的照射形状，提升计划质量。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，尤其涉及一种正交双层光栅逆向旋转调强的实现方法、存储介质及装置。
背景技术
容积旋转调强(Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT)是在IMRT和影像引导放射治疗(Image Guided Radiation Therapy，IGRT)技术发展的基础上，随着计算机、放疗技术以及放疗设备的改进而产生的更为先进的新技术。该技术与以往的3DCRT、IMRT等精确放疗技术的不同点在于，可使机架的角度、MLC叶片位置、剂量率、准直器角度等部分同时操作，并允许高度适形治疗计划实施。并因机架旋转时连续出束，减少了治疗时间，提高治疗工作效率。通过临床实践及研究，VMAT技术已在各种肿瘤治疗上获得了良好的效益。VMAT治疗过程中机架的运动轨迹和光栅的运动轨迹见图2。
目前旋转调强技术主要使用的是单层光栅或平行双层光栅实现，但单层光栅及平行双层光栅在子野分割时存在两个问题：叶片厚度方向的适形度不够；一个复杂的射野，需要多个子野才能够形成，照射效率低，而正交双层光栅(见图1)能够有效地解决这两个问题。因此，如何解决正交双层光栅的容积旋转调强计划设计的难题显得尤为重要。
发明内容
本发明公开了一种正交双层光栅逆向旋转调强的实现方法、存储介质及装置，其主要解决了正交双层光栅的容积旋转调强计划设计的难题。
具体地，本发明提供了一种基于曲面强度分割的正交双层光栅逆向旋转调强的实现方法，其括如下步骤：
S1：确定旋转弧范围，并在旋转弧范围内添加射野；
S2：设置处方和器官约束条件；
S3：将各射野强度整合到光栅运行曲面上；
S4：按规则分割曲面强度图，并计算子野位置和权重；
S5：整合子野权重、光栅叶片位置、机架角度，保存数据库；
S6：进行剂量计算。
进一步地，在步骤S1中，将旋转弧离散成等间距的若干固定机架角度的射野，机架角度间距为Δθ，用共轭梯度法优化射野强度分布，强度值离散到0～Nintensity范围。
进一步地，步骤S3包括：S31：优化强度图位于SAD高度，光栅中心高度为SCD，根据源、SCD、SAD平面的关系，计算投射到SCD高度处的强度图；S32：将SCD高度处的强度图投射到对应的角度上；S33：将曲面各角度上的强度叠加，展开后得曲面总强度。
进一步地，在步骤S31中，SAD高度处强度图MapSAD大小为M行N列，行间距为Δyi，(i＝[1,M])，列间距为Δxj，(j＝[1,N])，转化后的SCD高度处强度图MapSCD大小仍为M行N列，但是行间距变为Δyi’＝Δyi*(SCD/SAD)，列间距变为Δxj’＝Δxj*(SCD/SAD)，默认行间距Δyi为叶片厚度，列间距Δxj为叶片运动步长Xstep。
进一步地，在步骤S32中，强度网格到中心轴的距离xi，通过将网格所属的弧长近似用xi表示，建立弧长与角度关系式：
计算得xi与中心轴夹角θ，已知当前射野机架角度α，计算xi在圆弧上的角度β＝α+θ。
进一步地，步骤S4包括：
S41：定义分块规则，将曲面强度图分区块；
S42：设置弧的个数为Narc，iarc表示第iarc个弧，iarc∈[0,Narc()，初值iarc＝0；
S43：对iarc个弧，从初始照射区i＝0开始，执行下述步骤S431-S434：
S431：计算第i照射区的照射强度和子野形状；
S432：根据子野形状，求光栅叶片位置；
S433：从曲面强度图中减去当前照射区的分割值，进入下一
个照射区i＝i+1；
S434：重复步骤S431-S433，直至当前弧分割结束，iarc＝iarc+1；
S44：返回步骤S43，直至Narc个弧分割结束。
进一步地，在步骤S431中，当前射野机架角度α，形状边缘对应的角度β，则所求位置xi与中心轴夹角θ＝β-α，用弧长与角度的关系计算叶片位置xi，其中，子野形状要求满足光栅物理限制，如不满足，则找出满足限制的强度损失最小的子野形状。
本发明还提供了一种计算机存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在运行时执行如上所述的方法。
本发明还提供了一种放射治疗装置，所述装置的光栅为正交双层光栅，所述装置采用如上所述的方法来进行旋转调强，或者包括如上所述的计算机存储介质。
本发明的算法的核心是先将旋转射野离散成若干固定射野，对固定射野进行强度优化，将优化后的强度图通过叠加的方式组合成一个全局通量图，并通过曲面强度图分割算法得到分割后的子野形状和权重，在调整过程中综合考虑光栅运动速度、剂量率和机架运动速度的限制。
相比于传统的旋转调强方法，本发明的方法优化的角度更多，结合正交双层光栅的优势，可形成复杂的照射形状，提升计划质量。
附图说明
图1为本发明的正交双层光栅示意图；
图2为本发明的旋转调强过程中光栅和机架运动轨迹示意图结构示意图；
图3为本发明的基于曲面强度分割的旋转调强主流程；
图4为本发明的基于曲面强度分割流程；
图5为本发明的不同高度强度图转化示意图；
图6为本发明的强度图分块与机架角度对应的示意图；
图7为本发明的光栅运动曲面弧长与角度的对应关系示意图。
图中标号：201-机架运动轨迹；202-光栅运动轨迹。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本文提出一种基于曲面强度分割的正交双层光栅逆向旋转调强的实现方法，更好的解决临床治疗的问题。
本发明提供了一种基于曲面强度分割的正交双层光栅逆向旋转调强的实现方法，其括如下步骤：
S1：确定旋转弧范围，并在旋转弧范围内添加射野；
S2：设置处方和器官约束条件；
S3：将各射野强度整合到光栅运行曲面上；
S4：按规则分割曲面强度图，并计算子野位置和权重；
S5：整合子野权重、光栅叶片位置、机架角度，保存数据库；
S6：进行剂量计算。
进一步地，在步骤S1中，将旋转弧离散成等间距的若干固定机架角度的射野，机架角度间距为Δθ，用共轭梯度法优化射野强度分布，强度值离散到0～Nintensity范围。
进一步地，步骤S3包括：S31：优化强度图位于SAD高度，光栅中心高度为SCD，根据源、SCD、SAD平面的关系，计算投射到SCD高度处的强度图；S32：将SCD高度处的强度图投射到对应的角度上；S33：将曲面各角度上的强度叠加，展开后得曲面总强度。
进一步地，在步骤S31中，SAD高度处强度图MapSAD大小为M行N列，行间距为Δyi，(i＝[1,M])，列间距为Δxj，(j＝[1,N])，转化后的SCD高度处强度图MapSCD大小仍为M行N列，但是行间距变为Δyi’＝Δyi*(SCD/SAD)，列间距变为Δxj’＝Δxj*(SCD/SAD)，默认行间距Δyi为叶片厚度，列间距Δxj为叶片运动步长Xstep。
进一步地，在步骤S32中，强度网格到中心轴的距离xi，通过将网格所属的弧长近似用xi表示，建立弧长与角度关系式：
计算得xi与中心轴夹角θ，已知当前射野机架角度α，计算xi在圆弧上的角度β＝α+θ。
进一步地，步骤S4包括：
S41：定义分块规则，将曲面强度图分区块；
S42：设置弧的个数为Narc，iarc表示第iarc个弧，iarc∈[0,Narc()，初值iarc＝0；
S43：对iarc个弧，从初始照射区i＝0开始，执行下述步骤S431-S434：
S431：计算第i照射区的照射强度和子野形状；
S432：根据子野形状，求光栅叶片位置；
S433：从曲面强度图中减去当前照射区的分割值，进入下一
个照射区i＝i+1；
S434：重复步骤S431-S433，直至当前弧分割结束，iarc＝iarc+1；
S44：返回步骤S43，直至Narc个弧分割结束。
进一步地，在步骤S431中，当前射野机架角度α，形状边缘对应的角度β，则所求位置xi与中心轴夹角θ＝β-α，用弧长与角度的关系计算叶片位置xi，其中，子野形状要求满足光栅物理限制，如不满足，则找出满足限制的强度损失最小的子野形状。
本发明主要是通过以下技术方案来实现的：
1.本发明基于的设备为一种正交双层多叶准直器，共有上下两层叶片，每一层的叶片运动方向为沿垂直于射线方向，且两层叶片运动方向为正交，该光栅相对于传统单层光栅，及双层平行光栅来说，适形度更高，两个方向均能够达到小于1mm的走位精度，能形成更复杂的子野形状，提升计划质量；
2.将固定野强度叠加并用曲面强度分割，可显著减少射野MU，加之正交双层光栅可以一次性形成多个形状，显著提高了计划的执行效率。
在本发明的具体实施方式中，参见图3，一种基于曲面强度分割的正交双层光栅逆向旋转调强放疗的优化方法具体步骤如下：
1.确定旋转弧(Arc)的范围，设置处方和器官约束条件：
将Arc离散成等间距的若干固定机架角度的射野，机架角度间距为Δθ，用共轭梯度法优化射野强度分布，强度值离散到0～Nintensity范围。
2.将各射野强度整合到光栅运行曲面上，具体方法如下(参见图4)：
A)优化强度图位于SAD(source to axis distance，放射源到机架旋转轴或机器等中心的距离)高度，光栅中心高度为SCD(source to collimator distance，放射源到光栅的距离)，根据源、SCD、SAD平面的关系，计算投射到SCD高度处的强度图(参见图5)；
SAD高度处强度图MapSAD大小为M行N列，行间距为Δyi，(i＝[1,M])，列间距为Δxj，(j＝[1,N])，转化后的SCD高度处强度图MapSCD大小仍为M行N列，但是行间距变为Δyi’＝Δyi*(SCD/SAD),列间距变为Δxj’＝Δxj*(SCD/SAD)。默认行间距Δyi为叶片厚度，列间距Δxj为叶片运动步长Xstep。
B)将SCD高度处的强度图投射到对应的角度上(参见图6)：
强度网格到中心轴的距离xi，由于MLC运行所在的圆半径远大于网格到中心轴的距离xi，将网格所属的弧长近似用xi表
示，则可以建立弧长与角度关系式：
计算得xi与中心轴夹角θ，已知当前射野机架角度α，计算xi计算在圆弧上的角度β＝α+θ
C)将曲面各角度上的强度叠加，展开后得曲面总强度。
3.按规则分割曲面强度图：
A)对曲面强度分区块：将曲面强度按照机架角度展开，旋转过程中照射区域大小覆盖两个区块，连续照射过程中，每个区块连续被照射次数等于2。如图7，第一次照射区块1和区块2，第二次照射区块2和区块3。
B)设置弧的个数为Narc，iarc表示第iarc个弧(iarc∈[0,Narc),初值iarc＝0。
C)对iarc个弧，第初始照射区i＝0开始，执行下述步骤：
D)计算第i照射区(即：分块i和i+1)的照射强度，等于照射区的最小值，并按照当前强度计算当前照射区的子野形状。
E)根据子野形状，求光栅叶片位置：由于光栅运动过程中，射束中心也在运动，且当前射野机架角度α，形状边缘对应的角度β，则所求位置xi与中心轴夹角θ＝β-α，用弧长与角度的关系计算叶片位置xi。子野形状要求满足光栅物理限制，如不满足，找出满足限制的强度损失最小的子野形状。
F)从曲面强度图中减去当前照射区的分割值，进入下一个照射区i＝i+1
G)重复D～F，直至当前弧分割结束，iarc＝iarc+1；
H)返回步骤C，直至Narc个弧分割结束
4.整合子野权重、光栅叶片位置、机架角度，保存数据库。
5.剂量计算，例如，可用蒙特卡罗剂量算法来计算剂量。
6.结束。
在本发明的实施方式中，还提供了一种计算机存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在运行时执行如上所述的方法。
在本发明的实施方式中，另外提供了一种放射治疗装置，所述装置的光栅为正交双层光栅，所述装置采用如上所述的方法来进行旋转调强，或者包括如上所述的计算机存储介质。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于曲面强度分割的正交双层光栅逆向旋转调强的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：确定旋转弧范围，并在旋转弧范围内添加射野；
S2：设置处方和器官约束条件；
S3：将各射野强度整合到光栅运行曲面上；
S4：按规则分割曲面强度图，并计算子野位置和权重；
S5：整合子野权重、光栅叶片位置、机架角度，保存数据库；
S6：进行剂量计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，将旋转弧离散成等间距的若干固定机架角度的射野，机架角度间距为Δθ，用共轭梯度法优化射野强度分布，强度值离散到0～Nintensity范围。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3包括：
S31：优化强度图位于SAD高度，光栅中心高度为SCD，根据源、SCD、SAD平面的关系，计算投射到SCD高度处的强度图；
S32：将SCD高度处的强度图投射到对应的角度上；
S33：将曲面各角度上的强度叠加，展开后得曲面总强度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤S31中，SAD高度处强度图MapSAD大小为M行N列，行间距为Δyi，(i＝[1,M])，列间距为Δxj，(j＝[1,N])，转化后的SCD高度处强度图MapSCD大小仍为M行N列，但是行间距变为Δyi’＝Δyi*(SCD/SAD)，列间距变为Δxj’＝Δxj*(SCD/SAD)，默认行间距Δyi为叶片厚度，列间距Δxj为叶片运动步长Xstep。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤S32中，强度网格到中心轴的距离xi，通过将网格所属的弧长近似用xi表示，建立弧长与角度关系式：
计算得xi与中心轴夹角θ，已知当前射野机架角度α，计算xi在圆弧上的角度β＝α+θ。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4包括：
S41：定义分块规则，将曲面强度图分区块；
S42：设置弧的个数为Narc，iarc表示第iarc个弧，iarc∈[0,Narc()，初值iarc＝0；
S43：对iarc个弧，从初始照射区i＝0开始，执行下述步骤S431-S434：
S431：计算第i照射区的照射强度和子野形状；
S432：根据子野形状，求光栅叶片位置；
S433：从曲面强度图中减去当前照射区的分割值，进入下一个照射区i＝i+1；
S434：重复步骤S431-S433，直至当前弧分割结束，iarc＝iarc+1；
S44：返回步骤S43，直至Narc个弧分割结束。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤S431中，当前射野机架角度α，形状边缘对应的角度β，则所求位置xi与中心轴夹角θ＝β-α，用弧长与角度的关系计算叶片位置xi，其中，子野形状要求满足光栅物理限制，如不满足，则找出满足限制的强度损失最小的子野形状。
8.一种计算机存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序在运行时执行如权利要求1-7中任一项所述的方法。
9.一种放射治疗装置，其特征在于，所述装置的光栅为正交双层光栅，所述装置采用如权利要求1-7中任一项所述的方法来进行旋转调强，或者包括如权利要求8所述的计算机存储介质。
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