CN113597326B - 准直器几何结构的剂量测定投影 - Google Patents

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Abstract

一种计算辐射剂量的方法包括准直器几何结构的剂量测定投影。方法包括限定准直设备的三维(3D)几何结构，三维几何结构限定被配置为允许辐射束穿过的孔，将准直设备沿辐射束投影到平面中的二维(2D)几何结构中，基于准直设备的3D几何结构来计算在邻近孔的位置处的准直设备的剂量测定不透明度值，以及基于在平面中所投影的2D几何结构并且使用在邻近孔的位置处的准直设备的剂量测定不透明度值来计算通过准直设备的辐射束的传送。

Description

准直器几何结构的剂量测定投影
技术领域
本申请总体上涉及辐射方法和装置。特别地，描述了针对治疗计划的准直器几何结构的剂量测定投影和剂量沉积的计算的方法的各种实施例。
背景技术
外束放射疗法要求治疗计划以确定对目标的所期望的辐射剂量以及目标附近治疗体积内的可以被健康组织或器官安全吸收的最大剂量。在治疗计划中，治疗体积内的所沉积的剂量被使用合适的剂量计算算法来计算或预测，这可能涉及跟踪从源到治疗体积的辐射束。
为了在目标中实现理想的剂量分布，准直设备在治疗机中被使用以束的尺寸、形状和/或调制强度。例如，多叶准直器(MLC)被广泛使用在放射疗法机中，以支持各种形式的治疗，包括3D保形辐射治疗(3D-CRT)、调强放射疗法(IMRT)、体积调制弧治疗(VMAT)、立体定向放射外科(SRS)等。MLC包括多个束阻挡叶对，其可以被独立地移入和移出辐射束。在使用中，多个所选择的束阻挡叶被定位在辐射束中形成孔，未阻挡的束穿过该孔。MLC中孔的形状和尺寸限定了等中心点平面中在目标处的所成形的场。在一些应用中，MLC中的孔针对小场放射疗法或立体定向放射外科(SRS)被配置的足够地小。备选地，SRS锥可以被用以执行立体定向放射外科。SRS锥是一种通常由钨所制成的、具有小锥形孔以允许针对所聚焦的束递送的辐射束穿过的准直设备。
当来自源的辐射束穿过MLC、SRS锥，和/或其他准直设备时，束的特性(包括束的形状或通量)被修改并且因此需要确定以针对剂量计算算法提供输入来计算或预测治疗体积中所沉积的剂量。计算离开准直设备(诸如，MLC)的束的形状或通量的一种常规方法是将MLC几何结构沿束线投影到平面上，基本上将三维(3D)MLC几何结构展平到二维(2D)开口中，其中在计算中MLC叶尖的结构细节没有被考虑。虽然这种方法适用于许多情况，但在包括立体定向放射疗法的计划小场放射疗法中，它变得不太准确，其中治疗场的尺寸与MLC叶尖的3D结构特征的尺寸相当。在小场放射疗法中，MLC的3D几何结构细节必须被考虑以准确预测针对小场的剂量分布。然而，针对束跟踪或通量计算的全3D模型目前过于昂贵并且计算上太慢而无法被用在临床环境中的治疗计划系统。
因此，存在可以针对辐射疗法的治疗计划提供准确性和速度两者的束跟踪和剂量计算方法的需要。存在特别需要针对使用包括多叶准直器的辐射系统来计划小场放射疗法的这样的方法。
发明内容
本公开的实施例提供了一种用于跟踪或计算穿过准直设备的束通量的方法。准直设备(诸如，MLC)的三维(3D)形状通过几何结构的局部剂量测定投影被考虑。例如，MLC部分的维度沿着束投影到剂量测定不透明度值或剂量测定厚度中。剂量测定投影是基于MLC的真实3D几何结构的，但是通过使剂量测定投影局部化(例如，围绕MLC叶尖和边缘)并且通过限定边界点或曲面，可以使算法比全3D模型更快。剂量测定不透明可以通过例如射线追踪或分析计算，以及通过在几何边界之间插值或使用分析近似值来在几何边界处计算剂量测定不透明度。例如，通过将剂量测定投影参数化为变量的函数或通过分析近似值来解决依赖，诸如准直器形状和位置的变量上的依赖可以被考虑。剂量测定投影的不透明度值或厚度可以随后被用作在通量计算模块内的剂量计算算法的输入。本公开的方法要求与当前2D方法可比的计算量，但是将剂量计算的精度确显著提高到与全3D模型可比的水平。
在一个实施例中，一种方法，包括步骤：限定准直设备的三维3D几何结构，该3D几何结构限定被配置为允许辐射束穿过的孔，将准直设备沿辐射束投影到平面中的2D几何结构中，基于准直设备的3D几何结构来计算在邻近孔的位置处的、准直设备的剂量测定不透明度值，以及基于在平面中所投影的2D几何结构并且使用在邻近孔的位置处的准直设备的剂量测定不透明度值，来计算通过准直设备的辐射束的传送。
在另一实施例中，一种计算机产品包括存储由计算机系统可执行的指令的非暂态计算机可读介质，指令包括：限定准直设备的3D几何结构，3D几何结构限定被配置为允许辐射束穿过的孔，将准直设备沿辐射束投影到平面中的2D几何结构中，基于准直设备的3D几何结构来计算在邻近孔的位置处的、准直设备的剂量测定不透明度值，以及基于在平面中所投影的2D几何结构并且使用在邻近孔的位置处的准直设备的剂量测定不透明度值，来计算通过准直设备的辐射束的传送。
在又一实施例中，计算机系统包括处理器和存储可由处理器执行指令的存储器。指令包括：限定准直设备的3D几何结构，该3D几何结构限定被配置为允许辐射束穿过的孔；将准直设备沿辐射束投影到平面中的2D几何结构中；基于准直设备的3D几何结构来计算在邻近孔的位置处的、准直设备的剂量测定不透明度值，以及基于在平面中所投影的2D几何结构并且使用在邻近孔的位置处的准直设备的剂量测定不透明度值，来计算通过准直设备的辐射束的传送。。
提供该发明内容是以简化形式介绍本公开的所选择的方面和实施例，并且不旨在标识所请求保护主题的关键特征或必要特性，也不旨在被用作确定所请求保护主题的范围时的辅助。所选择的方面和实施例被呈现以向读者提供本公开可能采用的某些形式的简要内容，并且不旨在限制本公开的范围。本公开的其他方面和实施例在具体实施方式部分中被描述。
附图说明
通过结合以下所提供的附图和所附权利要求阅读以下具体实施方式，本公开的这些和各种其他特征和优势将更好地被理解，其中：
图1是根据本公开的实施例的辐射系统的简化图示。
图1A是图1中所示的多叶准直器(MLC)的所放大的透视图。
图2图示了用于计算通过MLC的束传送的三维(3D)模型。
图3图示了用于计算通过MLC的束通量的二维(2D)模型。
图4和图5图示了根据本公开的实施例的、用于计算通过MLC的束通量的剂量测定投影模型。
图6是图示根据本公开的实施例的、使用准直器几何结构的剂量测定投影来计算剂量沉积的方法的流程图。
图7图示了根据本公开的实施例、针对MLC叶的剂量测定不透明度值的计算的示例方法。
图8是图示根据本公开的实施例的准直器几何结构剂量测定投影的示例步骤的流程图。
图9是示出根据本公开的实施例的示例准直器的剂量测定投影的结果的图像。
图10示出了比较基于各种模型的剂量计算精确度的曲线图。
图11是根据本公开的实施例的计算系统的简化图示。
具体实施方式
参考图1至11，描述了准直器几何结构的剂量测定投影和剂量计算方法的各种实施例。
图1是辐射系统100的简化图示，在系统中本公开的方法可以被实施。如示出的，辐射系统100可以包括产生或发射诸如光子、电子、质子或其他类型辐射的束104的辐射源102。例如，辐射源102可以包括金属目标，该金属目标被配置为当电子撞击时产生x射线束或光子束。应注意尽管结合x射线系统各种实施例被描述，本公开中描述的准直器几何结构的剂量测定投影的原理和剂量计算方法也可以被实施在诸如离子、电子、碳或质子系统等其他类型的辐射系统中。
辐射系统100可以包括多种准直器或组件，其被配置为修改束的尺寸、形状、通量和其他特性。通过非限制性示例，邻近源102的主准直器106通常限制束104从源102向诸如患者108的对象传播的范围。可选地，可以包括电动次准直器或准直钳109以限定场尺寸。多叶准直器(MLC)110可以被布置在源102和患者108之间以使束成形，如图1A中所示的所成形的场112所指示的。将MLC 110放置在各种取向中，MLC 110可以围绕中心束线或轴114旋转。辐射系统100可以可选地包括展平过滤器116以提供均匀的束轮廓。备选地，辐射系统不包括任何展平过滤器或者是无展平过滤器(FFF)以提高用于治疗的剂量率。离子室118监控来自源102的束的参数。
源102，主准直器106，次准直器109，MLC 110和其他设备或组件可以被封闭在治疗头120中，治疗头120可以通过机架(未示出)围绕轴(诸如，水平轴)旋转。因此，系统100可以从各种束角度向对象108中的目标递送辐射。当束角度在目标周围步进或扫掠时，束104的形状、尺寸和/或强度可以由MLC 110调整或动态调整。源102、MLC 110和辐射系统100的其他设备的操作可以被控制系统122控制。控制系统122可以包括计算机处理器，其接收并且执行由治疗计划系统1100生成的治疗计划，该治疗计划将在下文被更详细地描述。
如图1和1A中所示，MLC 110可以是单级MLC或多级MLC。如本文中所用，术语“MLC”或“多叶准直器”指代多个束阻挡叶111的集合，多个束阻挡叶111中的每个阻挡叶可以纵向地移入和移出束，以修改束的一个或多个参数(诸如束形状、尺寸、能量、或通量等)。每个束阻挡叶111可以由具有引导螺丝或其他适当部件的电机驱动。束阻挡叶111可以被成对布置。每对的束阻挡叶可以被彼此接触或伸缩以关闭或打开针对辐射束的路径以穿过MLC。束阻挡叶可以被布置在对面的排中并且由框架、箱、托架或其他支撑结构支撑，该支撑结构具有允许个体束阻挡叶延伸到束并且从束伸缩的特征。除了个体叶移动外，框架、箱、托架或其他支撑结构还可以被进一步移动或平移。
束阻挡叶111可以具有各种叶尖轮廓或端部配置，以及叶边缘轮廓或叶侧配置。通过非限制性示例，MLC 110的束阻挡叶111可以具有展平的前端表面和展平的侧表面。在侧视图和俯视图两者中，具有展平前端表面的束阻挡叶可以被示出为具有与叶纵向移动方向正交的直线以及在该直线的每侧的两个直角。如本文所用，术语“俯视图”指代从源或沿中心束线中方向被观察到的视图。在一些实施例中，MLC 110的束阻挡叶可以具有弯曲的前端表面。在侧视图中，具有弯曲前端表面的束阻挡叶可以被示为具有半径的曲线和在曲线的任一侧的两条平行线。在俯视图中，具有弯曲前端表面的叶可以被示为具有与叶纵向移动方向正交的直线并且在该直线的每侧上具有两个直角。在具体实施方式和所附权利要求书中，术语“方形”可以被用以描述叶尖轮廓，该叶尖轮廓在俯视图中具有与叶纵向移动方向正交的直线和在直线每侧的两个直角。术语“非方形”可以被用以描述在俯视图中不具有方形的任何叶尖轮廓。俯视图中的非方形形状可以包括弯曲或椭圆形或倒角叶的形状，如将在下文中更详细地描述。
在一些实施例中，MLC叶尖可以具有圆形或非圆形轮廓。在一些实施例中，MLC叶侧可以具有榫槽接合(tongue-and-groove)特征、倾斜表面或一些其他类型的轮廓。
在一些实施例中，MLC 110的束阻挡叶111可以具有尖端轮廓，该尖端轮廓包括弯曲表面部分和在弯曲表面部分每侧的斜面或平面部分的组合。术语“倒角叶(chamferleaf)”可以在本文中被用于指代包括弯曲端表面部分和在弯曲端表面部分任何一侧处的斜面或平面端表面部分的组合的叶。在俯视图或束的视角视图中，倒角叶的端部分或尖端可以被示为具有与叶纵向移动方向正交的直线中线截面和在直线中线截面每侧处的斜面或成角度的线截面。
在一些实施例中，MLC 110可以是多级MLC。例如，MLC 110可以包括位于源102远端的第一级中的第一MLC和位于靠近源102的第二级中的第二MLC。第一MLC和第二MLC可以被布置成使得第一MLC和第二MLC的单个束阻挡叶的移动方向通常平行。备选地，第一MLC和第二MLC可以被布置成使得第一MLC的束阻挡叶的移动方向不平行，例如垂直于第二MLC的束阻挡叶的移动方向。第一MLC和第二MLC可以被布置成使得第二MLC的叶可以在俯视图中或从源方向上观看时横向偏移第一MLC的叶。
在本公开的一些实施例中，MLC可能不存在、或与其他准直或束成形设备组合，包括但不限于准直钳、锥体、楔块和过滤器。
在操作中，MLC 110可以被配置为形成限定所成形的场112近似于在等中心点平面处的目标几何结构的孔。备选地，MLC 110可以被配置为在不同的MLC取向和/或束角度处限定不同所成形的场，并且多个场的剂量可以被相加以在目标中建立所期望的剂量分布。辐射可以被间歇或静态地递送，其中MLC叶在移动或者在递送辐射时在位置中。辐射也可以被动态传送，其中在递送辐射时MLC叶正在移动或MLC在旋转。在一些应用中，针对诸如立体定向放射外科(SRS)的小场放射治疗，MLC的孔被形成得基本上小。通过非限制性示例，MLC可以被配置成形成限定范围为1到10毫米或4到5毫米的场尺寸的孔。1到10毫米可能与MLC叶尖的所投影的维度寸相当，如上文所述，在侧视图中MLC叶尖可能具有弯曲轮廓或者在俯视图中可能具有非方形轮廓。
在针对辐射递送的治疗计划中，使用合适的剂量计算算法来计算或预测目标或治疗体积内的所沉积剂量。为了精确计算剂量沉积，需要考虑多种因素包括组织的组成和来自源的辐射束的特性。当源所产生的辐射束通过各种准直设备包括(例如MLC)传送时，需要确定离开MLC的束的特性并且将其提供给剂量计算算法用于计算或预测在目标或治疗体积中所沉积的剂量。
图2示出了用于计算通过准直设备(诸如，MLC)的辐射传送的方法或模型。根据图2所示出的方法，三维准直器几何模型被构建并且基于该三维模型创建计算机软件。用于计算辐射传送的三维模型可以非常精确，因为在计算中考虑了三维准直器几何结构的细节，包括孔附近区域的精细特征。但是，构建3D模型和基于该3D模型的计算机软件在全细节非常耗时。基于全3D模型的辐射传输计算速度太慢而无法用于临床环境中的治疗计划系统，尤其是在治疗计划优化中。
图3示出了用于计算通过准直设备(诸如，MLC)的辐射传输的另一方法或模型。根据图3所示的方法，3D准直器几何结构沿束线被展平或投影到2D几何结构束线中并且基于2D几何结构的计算机软件被创建。计算辐射传输的2D模型速度快并且适用于多种临床病例。然而，用于计算辐射传输的传统2D模型精度较低，尤其是在孔边缘周围，因为孔边缘的精细特征没有被精确建模，这在例如针对立体定向放射外科的孔小时是尤其相关的。例如，在侧视图中具有曲线轮廓的实际MLC叶端部分当在MLC叶被展平或沿着束线投影到2D几何结构中时被示为具有方形。如此，传统2D建模中未考虑实际MLC叶尖轮廓的精细特征，这将影响辐射束的衰减或传输。同样地，在用于计算辐射传输的常规2D建模中，上述倒角叶的精细特征也未考虑在内。在小视场放射疗法尤其是立体定向放射疗法中，视场尺寸可能与MLC叶尖轮廓的所投影的维度相当。因此，孔边缘的精细特征必须被考虑以精确计算辐射传送。
图4示出了根据本公开实施例的用于计算通过准直设备410的辐射传输的新方法或模型。根据所公开的方法，准直器410的几何结构沿束线在平面上从3D到2D被展平或投影，并且基于2D几何结构创建计算算法。当准直器几何结构被从3D展平为2D时，准直器部分的剂量测定不透明度值或剂量测定厚度将基于准直器的实际3D几何结构被计算。剂量测定不透明度值或厚度可以在基于2D几何结构的计算算法中被编码，如图4中孔边缘周围阴影范围所示。由于计算算法模型为2D，计算速度较快。此外，由于剂量测定不透明度值或厚度是基于准直器的实际3D形状来获得的，因此辐射传送的计算，包括孔边缘的计算，与3D模型一样精确的或几乎一样精确的。
图5显示剂量测定不透明度值或厚度取决于准直器部分的3D形状(例如，MLC叶尖轮廓)和准直器分布在辐射场中的位置。例如，图5所示位置处的MLC 410的束阻挡叶412显示出比图4所示的不同位置处的相同叶412更宽的阴影范围。这可以被解释为剂量测定不透明度值或厚度是准直器部分沿束路径的长度或维度的函数。为了便于描述各种实施例，术语“剂量测定投影”可以在下文中被用于指代基于准直器的三维形状或几何结构获得准直器的剂量测定不透明度值或厚度的方法。
图6示出了根据本公开实施例的使用准直器几何结构的剂量测定投影的剂量计算方法。该方法可以被实现在利用图1所示的100或其它合适的放射疗法机来计划辐射递送。该方法可以在图11所示的治疗计划系统1100中被执行，下面将更详细地描述。该方法可以在框602处通过限定辐射源特性开始。可以使用多种方法限定辐射源特性，包括蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟和经验测量。这些方法在本领域中是公知的并且因此本文省略它们的详细描述，以集中于本公开的各种实施例的描述。一般来说，基于包括目标和电子束能量的辐射机的设计，可以计算源和方向在参考平面上所有点处所产生的辐射的通量和能量。辐射源的特性可以被提供为描述束参考平面中的通量、能量和方向的初始空间光子光谱。
在框604处，准直器的几何结构被限定。如本文所用，术语“准直器”指代被配置为修改来自源的辐射的一个或多个特性的任何准直设备，包括但不限于，多叶准直设备(MLC)、立体定向放射外科(SRS)锥、电动准直钳、定制模制或机加工的准直块，以及可以被包含在辐射机中的任何其他准直设备。如本文所用，术语“准直器的几何结构”指代包括轮廓的几何结构，该轮廓限定了允许辐射穿过的准直器的孔。限定孔的准直器几何结构具有三维配置，其中沿束线遍历维度的横截面形状可以改变也可以不改变。准直器的3D几何结构可以通过准直器的设计来预先确定(诸如，在定制模制准直器块的情况下)，而定制模制准直器块转而可以由待处理目标的几何结构来决定。在多叶准直器的情况下，MLC的3D几何结构可以通过束阻挡叶集的定位来确定，这些阻挡叶可以取决于治疗计划来随时改变。如上所述，MLC的束阻挡叶可以具有多种叶尖轮廓，例如弯曲或圆形叶端表面，其束的视角视图或束阻挡效果可以根据束阻挡叶的位置而改变。此外，由于MLC可以围绕中心束线旋转，因此当MLC处于不同取向时，MLC的相同几何结构可以具有不同的准直或衰减效果，尤其是在孔的边缘处，因为定义孔的束阻挡叶的尖端改变了相对于源的角度。MLC的3D几何结构可以通过指定束阻挡叶的空间位置以及其相对于中心束线的角度、物理维度和束阻挡叶的叶尖轮廓以及其他变量来限定。
在框606，准直器的剂量测定投影被计算。准直器的剂量测定投影包括准直器几何结构沿束线从3D到2D的投影，其中准直器沿束线的维度利用剂量测定不透明度值来表示或编码。如本文所用，术语“剂量测定不透明度”指代准直器在衰减辐射中的质量。剂量测定不透明度的值是通过在给定的准直器上应用剂量测定投影方法获得的。剂量测定不透明度的值取决于准直器的材料、准直器的物理维度或辐射经过的材料的“厚度”，以及准直器相对于束中心线的位置。因此，术语“剂量测定不透明度”可以与术语“剂量测定厚度”互换使用。给定准直器部分的剂量测定不透明度值可以使用基于准直器真实3D几何结构的适当方法来计算。
根据本公开的实施例，准直器几何结构的局部剂量测定投影被执行。在局部剂量测定投影中，由准直器限定的孔相邻位置处的剂量测定不透明度值被计算。作为非限制性示例，指定MLC叶端部分上的多个点或表面，它们共同代表MLC叶端的边界或指示叶尖轮廓。这些边界点或表面处的剂量测定不透明度值可以通过例如射线追踪或任何其他合适的分析方法来计算。可以在边界点和表面之间剂量测定不透明度值执行插值或分析近似。
图7示出了根据本公开实施例的示例准直器部分(MLC束阻挡片)和计算剂量测定不透明度值的方法。在图7中，水平轴指示叶投影位置并且垂直轴表示标准化叶厚度。曲线702描绘了准直器部分在相对于源的位置处的物理几何结构或真实轮廓。如所示出的，示例MLC叶具有弯曲的叶尖轮廓。曲线702上的点可以表示用于计算剂量测定不透明度值的所指定的边界点或表面。曲线704显示了准直器部分的所计算的厚度。如所示出的，曲线704基本上叠加在曲线702上，指示准直器部分的厚度可以使用分析或数值方法(诸如，本领域已知的射线跟踪和插值)精确计算。基于射线追踪的结果，可以限定剂量测定投影厚度，例如，作为近似射线追踪曲线704的函数。如图4和图5所图示的，剂量测定投影可以以近似值保持有效并且考虑MLC叶位置上的剂量测定厚度的依赖性这样的方式来限定。在图7中，剂量测定投影形状或厚度由曲线706指示。
图8是示出用于计算准直器剂量测定投影的示例步骤的流程图。在802处，计算从源处的点A到投影平面上点B沿光线的准直器厚度。准直器厚度的计算可以被数值方式进行，例如通过射线跟踪或分析地。可以进行分析计算，其中准直器由合适的几何图元集表示，例如，二维的圆和线或三维的圆柱体和平面。在计算802处的准直器厚度时，准直器位置可以被固定。
在804，针对投影平面上的不同点B'重复802的计算。不同的点B'可以位于由准直器限定的孔附近。
在806处，针对准直器的不同位置重复804的计算。
在808处，厚度函数根据806的结果被构造。这可以通过例如在806处计算的点之间插值或通过分析近似来实现。基于插值的函数可以采取与插值算法(诸如，多线性插值)或本领域已知的其他合适方法耦合的预先计算的查找表的形式。基于分析近似的函数可以通过将分析函数(诸如，多维多项式)数值拟合到806处所计算的点来获得。如果精确分析解决方案可用，通过使用本领域已知的数值计算方法来逼近针对更高的数值效率的解决方案来从精确分析解决方案获得分析近似。
在810处，厚度函数转换为剂量测定不透明度。在获得不透明度时，可以考虑辐射源特性，诸如主要粒子类型和能谱以及辐射传送物理。此步骤可能取决于实现——如果针对辐射传送算法使用几何数据(厚度)而不是针对准直器组件的传输/不透明度，可以将其视为辐射传送计算的部分(图6中的608)。
图9是示出剂量测定投影结果的图像，使用单个MLC叶作为示例的剂量测定不透明度。在图9中，纵轴指示剂量测定不透明度值，横轴分别指示叶尖位置和距叶尖的距离。为了便于说明，图9中的轴的单位是任意的。图9示出对于示例性MLC叶，剂量测定不透明度可以由两个变量的函数表示，即叶位置和到叶尖的距离。
回到图6，在框608处，该方法可以继续使用剂量测定不透明度值或厚度来计算辐射传送。多种算法已经被开发来计算束通过准直设备的传送。这些方法在本领域中是公知的，并且因此省略它们的详细描述来避免混淆本公开的各种实施例的描述。一般而言，根据本公开的实施例，用于计算辐射传输的算法考虑了包括主要源、额外聚焦源、电子污染、光子散射等的因素，通过上述局部剂量测定投影获得的剂量测定不透明度值用作基于2D几何模型的算法的输入，来计算辐射传送。从准直器中离开的束可以作为参考平面中的空间通量谱提供。
在框610处，该方法可以继续使用包括剂量计算算法的治疗计划软件来计算治疗体积内目标中的剂量沉积。作为非限制性示例，可以使用基于铅笔束卷积叠加的方法和算法。也可以使用其他(例如，基于玻尔兹曼输运方程(BTE))的合适方法和算法。应当注意，本公开不限于特定剂量计算算法。商用剂量计算软件的示例包括XB剂量计算算法和各向异性分析算法(AAA)，这两种算法均可以从加利福尼亚州帕洛阿尔托的美国瓦里安医疗系统公司获得。作为针对剂量计算的输入，已经在框608中使用剂量测定不透明度值已经被计算的空间通量谱或在限定孔的准直器的边界处的厚度被提供给剂量计算算法。
本公开的实施例提供了一种改进的方法，该方法使用2D或准2D模型计算通过准直器的辐射传输或透射，以实现近似3D模型的计算精度。然而，所公开的方法不需要在每次需要结果时或在准直器的整个空间范围内计算三维几何中的辐射传输。相反，所公开的方法可以使用上述剂量测定投影，以仅在3D或近似3D几何结构中预先计算辐射传输一次，或者仅在由准直器所限定的孔周围局部预先计算，并且针对不同的准直器位置(场尺寸)预计算。使用预先计算的值，可以通过利用剂量测定不透明度近似3D细节来构建表示3D几何中辐射传送的2D或准2D几何结构或计算模型、算法、函数等。剂量测定不透明度的2D或准2D模型可以在计算剂量沉积的治疗计划软件的通量计算模块中实现。
图10提供了使用不同方法计算剂量的精度比较。图10所示的曲线图描绘了针对小场(例如5x 5毫米)的剂量分布。曲线图1002和1004示出了利用治疗计划软件和XB剂量沉积算法计算的剂量分布，曲线图1002使用常规2D MLC建模计算，并且曲线图1004使用根据本公开实施例的剂量测定投影方法计算。为了进行比较，曲线图1006显示了利用使用完整的3D MLC建模的Geant4蒙特卡罗所计算的剂量分布。结果示出了，与常规2D MLC建模方法(曲线图1002)相比，使用本文描述的剂量测定投影方法(曲线图1004)更精确地计算剂量沉积，尤其是在场边缘(在+5或-5毫米处)，与参考曲线图1006相比。
结合图1-10描述了准直器几何结构的剂量测定投影和剂量计算方法的各种实施例。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以将更多或更少的步骤、动作或过程合并到所述方法中。本文所示和描述的块的排列不暗示特定顺序。还将理解，结合图1描述的方法。图1至10可以体现在基于计算机的治疗计划系统中，该系统执行根据本公开的剂量测定投影和剂量计算方法。本公开可以是计算机产品的形式，其包括存储或承载指令的计算机可读介质，当由计算机处理器执行指令时，使计算机处理器执行本公开中描述的方法。指令可以被实现为使用任何合适的计算机语言(诸如，Java、C++或Perl)使用的处理器执行的软件代码，例如常规的或面向对象的技术。计算机可读介质可以包括能够存储或编码由计算机处理器执行的指令序列并且使得计算机处理器执行本公开的方法中的任何一种方法的任何合适介质。相应地，计算机可读介质应包括但不限于固态存储器、光盘和磁盘。计算机可读介质的示例包括用于存储计算机可读指令的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。作为非限制性示例，计算机可读介质包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)闪存或其他存储技术、光盘ROM(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)或其他光存储、磁带盒、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储设备，或可以用于存储所需信息并且可以访问来检索该信息的任何其他介质。在一些实施例中，可以使用适于经由符合各种协议(包括互联网)的有线、光学和/或无线网络传输的载波信号对指令或软件程序进行编码和传输。因此，可以使用这样的程序编码的数据信号来创建计算机可读介质。用程序代码编码的计算机可读介质可以与兼容设备打包，或者与其他设备分开提供，例如通过互联网下载。此外，任何这样的计算机可读介质可以驻留在计算机产品上或内部，例如硬盘驱动器、CD或整个计算机系统。
图11示意性地示出了可以在其上执行本公开实施例的治疗计划系统1100。治疗计划系统1100包括计算机系统1110，计算机系统1110通常包括处理器1112、存储器1114、用户接口1116和网络接口1118，处理器中的每个处理器都耦合到系统总线1120。
处理器1112可以包括本领域内众所周知的中央处理单元(CPU)，诸如处理器或/>处理器，或图形处理单元(GPU)，诸如/>GPU，或其他类型的处理单元。处理器1112可以从存储器1114检索和执行计算机可以执行指令，这可以使处理器1112执行根据上述本公开的实施例的任何方法和/或步骤。
存储器1114可以包括易失性存储器元件和非易失性存储器元件中的任何一个或其组合。存储器1114可以包括用于存储将由处理器1112执行的信息和指令，以及用于在处理器1112执行指令期间存储临时变量或其他中间信息的随机存取存储器(RAM)或其他动态存储设备。存储器1114还可以包括只读存储器(ROM)或用于存储处理器1112的静态信息和指令的其他静态存储设备。存储器1114还可以包括诸如磁盘或光盘、用于存储信息和指令的数据存储设备。存储器1114(例如，非暂态计算机可读介质)可以包括用于操作计算机系统和用于执行包括如上所述的剂量测定投影和剂量计算的应用或其他治疗计划应用的程序(逻辑)。此外，存储器1114可以包括存储可以由用户(诸如，放射肿瘤学家或放射治疗师)选择的任何信息的数据库。
用户接口设备1116可以包括用户与计算机系统1110交互的组件，诸如键盘、指针设备、笔、触摸输入设备、语音输入设备等。诸如显示设备、打印机、扬声器等的输出设备也可以被包括在计算机系统1110中。
网络接口1118允许计算机系统通过诸如互联网或内部网(例如，局域网)的通信网络1122与其他设备或系统通信。网络接口1118可以包括Wi-Fi接口、以太网接口、蓝牙接口或其他无线或有线接口。网络接口1118允许计算机系统1110接收和发送携带表示各种类型信息的数据流的电、电磁或光信号。例如，网络接口1118可以允许计算机系统1110通过通信网络1122接收表示用于治疗计划的软件程序的数据流。
已经参考附图描述了各种实施例。应注意的是，有些数字不一定按比例绘制。附图仅旨在促进特定实施例的描述，而不是旨在作为详尽的描述或对本公开范围的限制。此外，在附图和说明书中，可以阐述具体细节来提供对本公开的透彻理解。对于本领域的普通技术人员来说明显的是，这些特定细节中的一些细节可能不用于实践本公开的实施例。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本公开的实施例，可以不详细地示出或描述公知的组件或过程步骤。
除非另有明确定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语均具有本领域普通技术人员通常理解的含义。如说明书和所附权利要求中所使用的，“一”、“一个”和“该”的单数形式包括复数引用，除非上下文另有明确规定。术语“或”指非排他性的“或”，除非上下文另有明确规定。此外，术语“第一”或“第二”等可以用于在描述各种类似元素时区分一个元素与另一元素。应注意，本文使用的术语“第一”和“第二”包括两个或两个以上的参考。此外，除非上下文另有明确规定，否则术语“第一”或“第二”的使用不应当被解释为按任何特定顺序。
本领域技术人员将理解，可以进行各种其他修改。所有这些或其他变化和修改均由发明人设想并且在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种方法，包括步骤：
限定准直设备的三维(3D)几何结构，所述三维(3D)几何结构限定被配置为允许辐射束穿过的孔；
将所述准直设备沿所述辐射束投影到平面中的二维(2D)几何结构中；
基于所述准直设备的所述三维(3D)几何结构来计算在邻近所述孔的位置处的所述准直设备的剂量测定不透明度值；以及
基于在所述平面中所投影的所述二维(2D)几何结构并且使用在邻近所述孔的所述位置处的所述准直设备的所述剂量测定不透明度值，来计算通过所述准直设备的所述辐射束的传送。
2.根据权利要求1所述的方法，其中剂量测定不透明度值的所述计算包括：在邻近所述孔的边界处指定所述准直设备的多个点，在所指定的所述多个点处计算剂量测定不透明度值，以及在所指定的所述多个点之间执行插值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在所指定所述多个点处的剂量测定不透明度值的所述计算包括：数值计算或分析计算。
4.根据权利要求1所述的方法，其中计算通过所述准直设备的所述辐射束的传送包括：计算离开所述准直设备的所述辐射束的形状和通量。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括步骤：基于离开所述准直设备的所述辐射束的所述形状和通量，计算对象中的剂量沉积。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述准直设备包括：多叶准直器(MLC)、立体定向放射外科(SRS)锥、电动化的准直钳，或定制模塑准直块。
7.根据权利要求6所述的方法，其中多个束阻挡叶中的至少一些束阻挡叶在侧视图中具有弯曲叶端轮廓。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述准直设备的所述孔具有适合于立体定向放射外科的尺寸和/或形状。
9.一种计算机产品，所述计算机产品包括存储由计算机系统可执行的指令的非暂态计算机可读介质，所述指令包括：
限定准直设备的三维(3D)几何结构，所述三维(3D)几何结构限定被配置为允许辐射束穿过的孔；
将所述准直设备沿所述辐射束投影到平面中的二维(2D)几何结构中；
基于所述准直设备的所述三维(3D)几何结构来计算在邻近所述孔的位置处的、所述准直设备的剂量测定不透明度值；以及
基于在所述平面中所投影的所述二维(2D)几何结构并且使用在邻近所述孔的所述位置处的所述准直设备的所述剂量测定不透明度值，来计算通过所述准直设备的所述辐射束的传送。
10.根据权利要求9所述的计算机产品，其中所述剂量测定不透明度值的所述计算包括：在邻近所述孔的边界处指定所述准直设备的多个点，在所指定所述多个点处计算剂量测定不透明度值，以及在所指定的所述多个点之间执行插值。
11.根据权利要求10所述的计算机产品，其中在所指定的所述多个点处计算剂量测定不透明度值包括：数值计算或分析计算。
12.根据权利要求9所述的计算机产品，其中计算通过所述准直设备的所述辐射束的传送包括：计算离开所述准直设备的所述辐射束的形状和通量。
13.根据权利要求12所述的计算机产品，还包括步骤：基于离开所述准直设备的所述辐射束的所述形状和通量，计算对象中的剂量沉积。
14.一种方法，包括步骤：
提供准直器，所述准直器限定被配置为允许辐射束穿过的孔的至少部分的孔；
基于所述准直器的三维(3D)几何结构来计算在邻近所述孔的位置处的、所述准直器的剂量测定不透明度值；以及
构建用于计算通过所述准直器的辐射传输的计算模型，其中所述计算模型基于所述准直器的二维(2D)几何结构被构建，并且所述计算机模型包括所述准直器的所述剂量测定不透明度值的函数。
15.根据权利要求14所述的方法，其中剂量测定不透明度值的所述计算包括：沿着从源处的点的射线和投影平面上的点计算在所述位置中的一个位置处的所述准直器的厚度，并且使用所述厚度计算来剂量测定不透明度值。
16.根据权利要求14所述的方法，其中剂量测定不透明度值的所述计算包括：确定所述准直器在所述辐射束中的多个位置，并且计算所述准直器在所述多个位置处的剂量测定不透明度值。
17.根据权利要求14所述的方法，其中剂量测定不透明度值的所述计算包括：在所述准直器的所述位置处的剂量测定不透明度值的数值计算，和所述位置之间的剂量测定不透明度值的估算。
18.根据权利要求14所述的方法，其中剂量测定不透明度值的所述计算包括：在所述准直器的所述位置处的剂量测定不透明度值的分析计算和所述位置之间的剂量测定不透明度值的分析估算。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括：使用由所述计算模型对所述辐射传输的计算，来计算对象中的剂量沉积。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述准直器包括多叶准直器(MLC)、立体定向放射外科(SRS)锥、电动化的准直钳或定制模塑准直块。
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