WO2022000963A1 - 一种使用光栅伺服剂量率的方法、装置及放射治疗设备 - Google Patents

一种使用光栅伺服剂量率的方法、装置及放射治疗设备 Download PDF

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WO2022000963A1
WO2022000963A1 PCT/CN2020/131310 CN2020131310W WO2022000963A1 WO 2022000963 A1 WO2022000963 A1 WO 2022000963A1 CN 2020131310 W CN2020131310 W CN 2020131310W WO 2022000963 A1 WO2022000963 A1 WO 2022000963A1
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dose rate
time
grating
accelerator
idx
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鞠垚
文虎儿
姚毅
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苏州雷泰医疗科技有限公司
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    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1001—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy using radiation sources introduced into or applied onto the body; brachytherapy
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/103—Treatment planning systems
    • A61N5/1031—Treatment planning systems using a specific method of dose optimization
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    • A61N5/1042—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy with spatial modulation of the radiation beam within the treatment head
    • A61N5/1045—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy with spatial modulation of the radiation beam within the treatment head using a multi-leaf collimator, e.g. for intensity modulated radiation therapy or IMRT
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61N5/1048—Monitoring, verifying, controlling systems and methods
    • A61N5/1071—Monitoring, verifying, controlling systems and methods for verifying the dose delivered by the treatment plan

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of radiotherapy, in particular to a method, a device and a radiotherapy device for using a grating servo dose rate.
  • IMRT conformal intensity-modulated radiation therapy
  • the intensity-modulated plan has been proved to have dosimetric advantages in many studies, which can make the dose distribution shape basically consistent with the shape of the target volume, improve the tumor control rate, and reduce radiation damage to organs at risk and normal tissues.
  • IMRT uses a reverse planning system, that is, according to a pre-set objective function, an uneven distribution of radiation field intensity is formed.
  • Dynamic intensity modulation that is, the blades of the multi-leaf collimator are in a moving state when the rays exit the beam, and the target area is scanned by controlling the relative position and dwell time of each pair of blades of the multi-leaf collimator to form a correspondingly shaped gap to scan the target area. Adjust the intensity of the irradiation field. Therefore, the dynamic intensity modulation is greatly affected by the stability of the linac dose rate.
  • the purpose of the present invention is to provide a method, device and radiotherapy equipment for using grating servo dose rate in view of the above-mentioned deficiencies in the prior art, so as to solve the problem that when the dose rate of the linear accelerator is unstable, it is impossible to use a third-party grating to perform The problem of dynamic emphasis.
  • the present invention discloses a method of using a grating servo dose rate, comprising:
  • the moving target of the grating is calculated.
  • the real-time dose rate of the accelerator is obtained, including one of the following:
  • the dose rate is obtained by monitoring the display interface of the accelerator in real time through the video capture card.
  • the specific steps of Kalman filtering to predict the dose rate are as follows:
  • X t-1 is the best estimate at time (t-1);
  • P t-1 is the variance of X t-1 at time (t-1);
  • R is the variance of the measured value
  • Z t is the dose rate measured at time t
  • the moving target of the grating is calculated, including:
  • the plan output file information includes: subfield information, weight information and dose rate;
  • the subfield information and time series information are transmitted to the grating, and the time series information is calculated based on the weight information and dose rate;
  • idx j is the starting sequence number of the subfield in the jth adjustment
  • DR j is the dose rate used in the jth adjustment
  • idx is the start sequence number of the control point adjusted in each cycle
  • Step 2 Calculate the idx j for the next adjustment so that it satisfies
  • Step 3 Obtaining DR j is the dose rate at the current moment predicted according to the dose rate at the previous moment;
  • Step 4 Download idx j , DR j-1 , DR j to the bottom layer of the grating;
  • the time series information is obtained by calculating the following formula:
  • n the weight information
  • DR the dose rate
  • the present invention also discloses a device for using a grating servo dose rate, comprising:
  • the real-time dose rate acquisition module is used to acquire the real-time dose rate of the accelerator
  • the dose rate prediction module is used to predict the dose rate at the current moment by Kalman filtering according to the dose rate measured at the previous moment;
  • the grating moving target calculation module is used to calculate the grating moving target according to the predicted dose rate.
  • the real-time dose rate acquisition module is specifically used for one of the following:
  • the dose rate is obtained by monitoring the display interface of the accelerator in real time through the video capture card.
  • the dose rate prediction module uses the following steps to predict the dose rate:
  • X t-1 is the best estimate at time (t-1);
  • P t-1 is the variance of X t-1 at time (t-1);
  • R is the variance of the measured value
  • Z t is the dose rate measured at time t
  • the grating moving target calculation module is specifically used for:
  • the plan output file information includes: subfield information, weight information and dose rate;
  • the subfield information and time series information are transmitted to the grating, and the time series information is calculated based on the weight information and dose rate;
  • idx j is the starting sequence number of the subfield in the jth adjustment
  • DR j is the dose rate used in the jth adjustment
  • idx is the start sequence number of the control point adjusted in each cycle
  • Step 2 Calculate the idx j for the next adjustment so that it satisfies
  • Step 3 Obtaining DR j is the dose rate at the current moment predicted according to the dose rate at the previous moment;
  • Step 4 Download idx j , DR j-1 , DR j to the bottom layer of the grating;
  • the time series information is obtained by calculating the following formula:
  • n the weight information
  • DR the dose rate
  • the present invention also discloses a radiotherapy apparatus for implementing a method for servoing a dose rate using a grating, or a radiotherapy apparatus comprising an apparatus for servoing a dose rate using a grating.
  • the method for the grating servo dose rate provided by the present invention includes: acquiring the real-time dose rate of the accelerator; using Kalman filtering to predict the dose rate at the current moment according to the dose rate measured at the previous moment; Calculate the moving target of the raster.
  • the grating motion can servo the fluctuation of the dose rate, making the dose irradiation more accurate, and achieving the effect of precise radiotherapy.
  • FIG. 1 shows a schematic structural diagram of a grating servo system provided by an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic flowchart of a method for using a grating servo dose rate provided by an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a schematic structural diagram of an apparatus for using a grating servo dose rate provided by an embodiment of the present invention.
  • the dynamic intensity modulated intensity-modulated radiation therapy is that the multi-leaf collimator leaves are in a moving state when the ray exits
  • the corresponding shape is formed by controlling the relative position and dwell time of each pair of leaves of the multi-leaf collimator.
  • the gap is used to scan the target area, so as to adjust the intensity of the irradiation field. Therefore, the dynamic intensity modulation is greatly affected by the stability of the linac dose rate.
  • the dose rate of some linacs on the market is often unstable, making dynamic modulation difficult.
  • embodiments of the present invention provide a method, device and radiotherapy equipment for using grating to servo dose rate, so as to solve the problem that dynamic intensity modulation cannot be performed by using a third-party grating when the dose rate of the linear accelerator is unstable.
  • FIG. 1 shows a schematic structural diagram of a grating servo system provided by an embodiment of the present invention.
  • the method for using the grating servo dose rate provided by the embodiment of the present invention can be applied to the grating servo system as shown in FIG. 1 .
  • the raster servo system includes: a radiation therapy planning system (TPS) console 101 for providing plan output file information to the iRV software module 102; an accelerator console 103, which is connected to a video capture card 104, and Provide data related to accelerator 105 (eg, dose rate of accelerator 105) to video capture card 104; display 106, which is connected to video capture card 104 to display data information from video capture card 104; screen capture 107, which is connected to video capture card 104.
  • TPS radiation therapy planning system
  • the video capture card 104 is connected to obtain relevant data about the accelerator 105 by capturing and analyzing the data from the video capture card 104, and the screen capturer 107 is connected to the iRV software module 102 to transmit the obtained relevant data about the accelerator 105 To the iRV software module 102; the iRV interlock control box 108, which receives information from the iRV software module 102 and controls the accelerator 105 (specifically, for example, the raster motion of the accelerator 105).
  • FIG. 2 shows a schematic flowchart of a method for using a grating servo dose rate provided by an embodiment of the present invention.
  • the method for using a grating servo dose rate provided by an embodiment of the present invention includes:
  • Step 201 obtaining the real-time dose rate of the accelerator
  • Step 202 using Kalman filtering to predict the dose rate at the current moment according to the dose rate measured at the previous moment;
  • Step 203 Calculate the moving target of the grating according to the predicted dose rate.
  • the grating motion can serve the fluctuation of the dose rate, thereby ensuring more accurate dose irradiation during accelerator radiotherapy. Therefore, when the dose rate of the linear accelerator is unstable, the method of using the grating servo dose rate provided by the embodiment of the present invention can realize the use of a third-party grating for dynamic intensity modulation, thereby achieving the effect of precise radiotherapy.
  • the remaining feature technologies are the same, except that the real-time dose rate of the accelerator is obtained, including one of the following:
  • the dose rate is obtained by monitoring the display interface of the accelerator in real time through the video capture card.
  • the remaining feature techniques are the same, except that the specific steps for predicting the dose rate by Kalman filter are as follows:
  • X t-1 is the best estimate at time (t-1);
  • P t-1 is the variance of X t-1 at time (t-1);
  • R is the variance of the measured value
  • Z t is the dose rate measured at time t
  • the remaining feature technologies are the same, except that the moving target of the grating is calculated according to the predicted dose rate, including:
  • the subfield information and time series information are transmitted to the grating, and the time series information is calculated based on the weight information and dose rate;
  • idx j is the starting sequence number of the subfield in the jth adjustment
  • DR j is the dose rate used in the jth adjustment
  • idx is the start sequence number of the control point adjusted in each cycle
  • Step 2 Calculate the idx j for the next adjustment so that it satisfies
  • Step 3 Obtaining DR j is the dose rate at the current moment predicted according to the dose rate at the previous moment;
  • Step 4 Download idx j , DR j-1 , DR j to the bottom layer of the grating;
  • Test method Verify the effectiveness of the servo function by comparing the end state of the dynamic intensity modulation plan with and without the dose servo function enabled. Test data are described below.
  • Beam1 160MU After the accelerator beam is finished, the grating software displays the remaining 17MU;
  • Beam2 183MU After the accelerator beam is finished, the grating software displays the remaining 10MU;
  • Beam3 175MU After the accelerator beam is completed, the grating software displays the remaining 8MU;
  • Beam4 165MU After the accelerator beam is finished, the grating software displays the remaining 15MU;
  • the synchronization errors are: 10.6%, 5.46%, 4.57%, 9.09%, respectively.
  • Beam1 160MU After the accelerator beam is completed, the grating software displays the remaining OMU;
  • Beam2 183MU After the accelerator beam is completed, the grating software displays the remaining OMU;
  • Beam3 175MU After the accelerator beam is finished, the grating software displays the remaining OMU;
  • Beam4 165MU After the accelerator beam is completed, the grating software displays the remaining OMU;
  • the synchronization error is 0.
  • the dose servo can solve the problem that the blade movement and the accelerator beam can not be finished synchronously when the dynamic intensity modulation plan is executed.
  • Test method Verify the effectiveness of the servo function by comparing the results of the dose verification of the dynamic intensity modulation plan with and without the dose servo function enabled.
  • Verification plan 4 field sliding plan: Beam1 160MU, Beam2 183MU, Beam3 175MU, Beam4 165MU.
  • the method of using grating servo dose rate monitors the dose rate of the accelerator in real time and adjusts the running speed of the grating, so that the grating motion can servo the fluctuation of the dose rate, so that the dose irradiation is more accurate.
  • the effect of precise radiotherapy has solved the problem that the third-party grating cannot be used for dynamic intensity modulation when the dose rate of the linear accelerator is unstable.
  • FIG. 3 shows a schematic structural diagram of an apparatus for using grating servo dose rate provided by an embodiment of the present invention.
  • the apparatus shown in FIG. 3 is used to implement the method for using grating servo dose rate according to the above embodiment of the present invention.
  • the apparatus for using grating servo dose rate includes:
  • the real-time dose rate acquisition module 301 is used to acquire the real-time dose rate of the accelerator
  • the dose rate prediction module 302 is used for predicting the dose rate at the current moment with Kalman filtering according to the dose rate measured at the previous moment;
  • the grating moving target calculation module 303 is configured to calculate the moving target of the grating according to the predicted dose rate.
  • the real-time dose rate acquisition module 301 is specifically used for one of the following:
  • the dose rate is obtained by monitoring the display interface of the accelerator in real time through the video capture card.
  • the remaining feature techniques are the same, the difference is that the dose rate prediction module 302 uses the following steps to predict the dose rate:
  • X t-1 is the best estimate at time (t-1);
  • P t-1 is the variance of X t-1 at time (t-1);
  • R is the variance of the measured value
  • Z t is the dose rate measured at time t
  • the difference is that the grating moving target calculation module 303 is specifically used for:
  • the plan output file information includes: subfield information, weight information and dose rate;
  • the subfield information and time series information are transmitted to the grating, and the time series information is calculated based on the weight information and dose rate;
  • idx j is the starting sequence number of the subfield in the jth adjustment
  • DR j is the dose rate used in the jth adjustment
  • idx is the start sequence number of the control point adjusted in each cycle
  • Step 2 Calculate the idx j for the next adjustment so that it satisfies
  • Step 3 Obtaining DR j is the dose rate at the current moment predicted according to the dose rate at the previous moment;
  • Step 4 Download idx j , DR j-1 , DR j to the bottom layer of the grating;
  • the time series information is obtained by calculating the following formula:
  • n the weight information
  • DR the dose rate
  • an embodiment of the present invention further provides a radiotherapy apparatus, which is used to implement the method for using a grating servo dose rate provided by the above embodiments of the present invention, or the radiotherapy apparatus includes the method provided by the above embodiments of the present invention.
  • a device that uses a grating servo dose rate is used to implement the method for using a grating servo dose rate provided by the above embodiments of the present invention, or the radiotherapy apparatus includes the method provided by the above embodiments of the present invention.
  • the method for the grating servo dose rate provided by the present invention includes: acquiring the real-time dose rate of the accelerator; using Kalman filtering to predict the dose rate at the current moment according to the dose rate measured at the previous moment; Calculate the moving target of the raster.
  • the grating motion can servo the fluctuation of the dose rate, making the dose irradiation more accurate, and achieving the effect of precise radiotherapy.

Abstract

一种使用光栅伺服剂量率的方法、装置及放射治疗设备，涉及放射治疗技术领域。这一使用光栅伺服剂量率的方法包括：获取加速器(105)的实时剂量率(201)；根据前一时刻测得的剂量率，用卡尔曼滤波预测当前时刻的剂量率(202)；根据预测的剂量率，计算光栅的运动目标(203)。通过实时监控加速器(105)的剂量率，根据算法调整光栅的运行速度，使得光栅运动能够伺服剂量率的波动，让剂量照射更为精准，达到精确放疗的效果。

Description

一种使用光栅伺服剂量率的方法、装置及放射治疗设备 技术领域
本发明涉及放射治疗技术领域，具体涉及一种使用光栅伺服剂量率的方法、装置及放射治疗设备。
背景技术
放射治疗发展至今已经一个多世纪了。如今，放射治疗仍是治疗恶性肿瘤的重要手段，以适形调强放射治疗(IMRT)为代表的治疗模式乃是当今放射治疗技术的主流。近年来，调强计划在许多研究中已被证明具有剂量学优势，能够使剂量分布形状与靶区形状基本一致，提高肿瘤控制率，减少危及器官和正常组织的辐射损伤。与常规放射治疗计划不同，IMRT采用的是逆向计划系统，即根据预先设定好的目标函数，形成不均匀的照射野强度分布。通过采用静态调强方式(step&shoot)与动态调强方式(sliding window)两种不同的模式，可设计出静态调强与动态调强两种放疗计划。
动态调强，即在射线出束时多叶准直器叶片处于运动状态，通过控制多叶准直器每对叶片的相对位置和停留时间而形成相应形状的缝隙来对靶区进行扫描，从而调节照射野的强度。因此，动态调强受直线加速器剂量率稳定性的影响较大。
然而，市场上一些直线加速器的剂量率经常不稳，因此很难进行动态调强。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种使用光栅伺服剂量率的方法、装置及放射治疗设备，以解决在直线加速器剂量率不稳的时候，使用第三方光栅无法进行动态调强的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明公开一种使用光栅伺服剂量率的方法，包括：
获取加速器的实时剂量率；
根据前一时刻测得的剂量率，用卡尔曼滤波预测当前时刻的剂量率；
根据预测的剂量率，计算光栅的运动目标。
优选的，获取加速器的实时剂量率，包括如下中的一者：
通过解析来自加速器的反馈信号来获取加速器的实时剂量率；或者
通过视频采集卡实时监控加速器的显示界面来获取剂量率。
优选的，卡尔曼滤波预测剂量率的具体步骤如下：
A)若剂量率短时平稳，且波动满足高斯分布，根据剂量率短时平稳，计算t时刻的预测值
Figure PCTCN2020131310-appb-000001
和t时刻
Figure PCTCN2020131310-appb-000002
的方差
Figure PCTCN2020131310-appb-000003
如下式所示：
Figure PCTCN2020131310-appb-000004
Figure PCTCN2020131310-appb-000005
其中，X t-1为(t-1)时刻的最佳估计记；
P t-1为(t-1)时刻的X t-1的方差；
首次计算时X 0设置为加速器的预设剂量率，P 0＝1；
B)计算t时刻的滤波增益系数K t，并更新t时刻的最佳估计X t及其方差P t；
Figure PCTCN2020131310-appb-000006
Figure PCTCN2020131310-appb-000007
Figure PCTCN2020131310-appb-000008
其中，R为测量值的方差；
Z t为t时刻测量的剂量率；
C)重复步骤A)～B)，计算出每一个时刻的预测值
Figure PCTCN2020131310-appb-000009
优选的，根据预测的剂量率，计算光栅的运动目标，包括：
获取加速器的放射治疗计划系统中的计划输出文件信息，计划输出文件信息包括：子野信息、权重信息和剂量率；
将子野信息以及时间序列信息传输给光栅，时间序列信息基于权重信息和剂量率计算获得；
设定剂量率监视的最小周期为T，每次光栅调整的次数为j，idx j为第j次调整时子野的开始序列号，DR j为第j次调整时所使用的剂量率，
Figure PCTCN2020131310-appb-000010
为第j次调整时，第i个控制点的时间位置；idx为每个周期调整的控制点的开始序列号，
步骤1：赋初值，令j＝0，idx 0＝0，DR 0＝DR，
Figure PCTCN2020131310-appb-000011
步骤2：计算下一次调整的idx j，使得满足
Figure PCTCN2020131310-appb-000012
且
Figure PCTCN2020131310-appb-000013
若
Figure PCTCN2020131310-appb-000014
则idx j＝n；
步骤3：获取DR j为根据前一时刻剂量率预测的当前时刻的剂量率；
步骤4：将idx j、DR j-1、DR j下传至光栅底层；
步骤5：底层更新
Figure PCTCN2020131310-appb-000015
步骤6：重复步骤2到步骤5，若idx j＝n，则停止。
优选的，时间序列信息通过下式计算获得：
Figure PCTCN2020131310-appb-000016
其中，
Figure PCTCN2020131310-appb-000017
为时间序列信息，MU i，i＝0，...，n为权重信息，DR为剂量率。
第二方面，本发明还公开一种使用光栅伺服剂量率的装置，包括：
实时剂量率获取模块，用于获取加速器的实时剂量率；
剂量率预测模块，用于根据前一时刻测得的剂量率，用卡尔曼滤波预测当前时刻的剂量率；
光栅运动目标计算模块，用于根据预测的剂量率，计算光栅的运动目标。
优选的，实时剂量率获取模块，具体用于如下中的一者：
通过解析来自加速器的反馈信号来获取加速器的实时剂量率；或者
通过视频采集卡实时监控加速器的显示界面来获取剂量率。
优选的，剂量率预测模块利用下述步骤进行剂量率预测：
A)若剂量率短时平稳，且波动满足高斯分布，根据剂量率短时平稳，计算t时刻的预测值
Figure PCTCN2020131310-appb-000018
和t时刻
Figure PCTCN2020131310-appb-000019
的方差
Figure PCTCN2020131310-appb-000020
如下式所示：
Figure PCTCN2020131310-appb-000021
Figure PCTCN2020131310-appb-000022
其中，X t-1为(t-1)时刻的最佳估计记；
P t-1为(t-1)时刻的X t-1的方差；
首次计算时X 0设置为加速器的预设剂量率，P 0＝1；
B)计算t时刻的滤波增益系数K t，并更新t时刻的最佳估计X t及其方差P t；
Figure PCTCN2020131310-appb-000023
Figure PCTCN2020131310-appb-000024
Figure PCTCN2020131310-appb-000025
其中，R为测量值的方差；
Z t为t时刻测量的剂量率；
C)重复步骤A)～B)，计算出每一个时刻的预测值
Figure PCTCN2020131310-appb-000026
优选的，光栅运动目标计算模块，具体用于：
获取加速器的放射治疗计划系统中的计划输出文件信息，计划输出文件信息包括：子野信息、权重信息和剂量率；
将子野信息以及时间序列信息传输给光栅，时间序列信息基于权重信息和剂量率计算获得；
设定剂量率监视的最小周期为T，每次光栅调整的次数为j，idx j为第j次调整时子野的开始序列号，DR j为第j次调整时所使用的剂量率，
Figure PCTCN2020131310-appb-000027
为第j次调整时，第i个控制点的时间位置；idx为每个周期调整的控制点的开始序列号，
步骤1：赋初值，令j＝0，idx 0＝0，DR 0＝DR，
Figure PCTCN2020131310-appb-000028
步骤2：计算下一次调整的idx j，使得满足
Figure PCTCN2020131310-appb-000029
且
Figure PCTCN2020131310-appb-000030
若
Figure PCTCN2020131310-appb-000031
则idx j＝n；
步骤3：获取DR j为根据前一时刻剂量率预测的当前时刻的剂量率；
步骤4：将idx j、DR j-1、DR j下传至光栅底层；
步骤5：底层更新
Figure PCTCN2020131310-appb-000032
步骤6：重复步骤2到步骤5，若idx j＝n，则停止。
优选的，时间序列信息通过下式计算获得：
Figure PCTCN2020131310-appb-000033
其中，
Figure PCTCN2020131310-appb-000034
为时间序列信息，MU i，i＝0，...，n为权重信息，DR为剂量率。
第三方面，本发明还公开一种放射治疗设备，放射治疗设备用于实施使用光栅伺服剂量率的方法，或者放射治疗设备包括使用光栅伺服剂量率的装置。
本发明的有益效果包括：
本发明提供的本发明提供的光栅伺服剂量率的方法包括：获取加速器的实时剂量率；根据前一时刻测得的剂量率，用卡尔曼滤波预测当前时刻的剂量率；根据预测的剂量率，计算光栅的运动目标。通过实时监控加速器的剂量率，根据算法调整光栅的运行速度，使得光栅运动能够伺服剂量率的波动，让剂量照射更为精准，达到精确放疗的效果。
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示出了本发明实施例提供的光栅伺服系统的结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的使用光栅伺服剂量率的方法的流程示意图；
图3示出了本发明实施例提供的使用光栅伺服剂量率的装置的结构示意图。
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。
由于适形调强放射治疗(IMRT)的动态调强是在射线出束时多叶准直器叶片处于运动状态，通过控制多叶准直器每对叶片的相对位置和停留时间而形成相应形状的缝隙来对靶区进行扫描，从而调节照射野的强度。因此，动态调强受直线加速器剂量率稳定性的影响较大。然而，市场上一些直线加速器的剂量率经常不稳，因此很难进行动态调强。
因此，本发明实施例提供了一种使用光栅伺服剂量率的方法、装置及放射治疗设备，以解决在直线加速器剂量率不稳的时候，使用第三方光栅无法进行动态调强的问题。
图1示出了本发明实施例提供的光栅伺服系统的结构示意图。本发明实施例提供的使用光栅伺服剂量率的方法可以应用于如图1所示的光栅伺服系统。
如图1所示，该光栅伺服系统包括：放射治疗计划系统(TPS)控制台101，用于向iRV软件模块102提供计划输出文件信息；加速器控制台103，其与视频采集卡104连接，并向视频采集卡104提供 加速器105的相关数据(例如，加速器105的剂量率)；显示器106，其与视频采集卡104连接，以显示来自视频采集卡104的数据信息；屏幕捕捉器107，其与视频采集卡104连接，通过对来自视频采集卡104的数据进行捕捉分析以获取关于加速器105的相关数据，并且屏幕捕捉器107与iRV软件模块102连接，将所获取得关于加速器105的相关数据传输给iRV软件模块102；iRV互锁控制盒108，其接收来自iRV软件模块102的信息，并且对加速器105(具体地，例如，对加速器105的光栅运动)进行控制。
图2示出了本发明实施例提供的使用光栅伺服剂量率的方法的流程示意图，如图2所示，本发明实施例提供的使用光栅伺服剂量率的方法，包括：
步骤201、获取加速器的实时剂量率；
步骤202、根据前一时刻测得的剂量率，用卡尔曼滤波预测当前时刻的剂量率；
步骤203、根据预测的剂量率，计算光栅的运动目标。
综上所述，通过基于当前剂量率来调整光栅的运行速度，使得光栅运动能够伺服剂量率的波动，从而确保加速器放疗过程中剂量照射更为精准。因此，在直线加速器剂量率不稳的情况下，通过本发明实施例提供的使用光栅伺服剂量率的方法，可以实现使用第三方光栅来进行动态调强，从而达到精确放疗的效果。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，获取加速器的实时剂量率，包括如下中的一者：
通过解析来自加速器的反馈信号来获取加速器的实时剂量率；或者
通过视频采集卡实时监控加速器的显示界面来获取剂量率。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，卡尔曼滤波预测剂量率的具体步骤如下：
A)若剂量率短时平稳，且波动满足高斯分布，根据剂量率短时平稳，计算t时刻的预测值
Figure PCTCN2020131310-appb-000035
和t时刻
Figure PCTCN2020131310-appb-000036
的方差
Figure PCTCN2020131310-appb-000037
如下式所示：
Figure PCTCN2020131310-appb-000038
Figure PCTCN2020131310-appb-000039
其中，X t-1为(t-1)时刻的最佳估计记；
P t-1为(t-1)时刻的X t-1的方差；
首次计算时X 0设置为加速器的预设剂量率，P 0＝1；
B)计算t时刻的滤波增益系数K t，并更新t时刻的最佳估计X t及其方差P t；
Figure PCTCN2020131310-appb-000040
Figure PCTCN2020131310-appb-000041
Figure PCTCN2020131310-appb-000042
其中，R为测量值的方差；
Z t为t时刻测量的剂量率；
C)重复步骤A)～B)，计算出每一个时刻的预测值
Figure PCTCN2020131310-appb-000043
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，根据预测的剂量率，计算光栅的运动目标，包括：
获取加速器的放射治疗计划系统中的计划输出文件信息RTPlan，计划输出文件信息RTPlan包括：子野信息Seg：Seg i，i＝0，...，n、权重信息MU：MU i，i＝0，...，n和剂量率DR；
将子野信息以及时间序列信息传输给光栅，时间序列信息基于权重信息和剂量率计算获得；
可选地，时间序列信息通过下式计算获得：
Figure PCTCN2020131310-appb-000044
其中，
Figure PCTCN2020131310-appb-000045
为时间序列信息，MU i，i＝0，...，n为权重信息，DR为剂量率；
设定剂量率监视的最小周期为T，每次光栅调整的次数为j，idx j为第j次调整时子野的开始序列号，DR j为第j次调整时所使用的剂量率，
Figure PCTCN2020131310-appb-000046
为第j次调整时，第i个控制点的时间位置；idx为每个周期调整的控制点的开始序列号，
步骤1：赋初值，令j＝0，idx 0＝0，DR 0＝DR，
Figure PCTCN2020131310-appb-000047
步骤2：计算下一次调整的idx j，使得满足
Figure PCTCN2020131310-appb-000048
且
Figure PCTCN2020131310-appb-000049
若
Figure PCTCN2020131310-appb-000050
则idx j＝n；
步骤3：获取DR j为根据前一时刻剂量率预测的当前时刻的剂量率；
步骤4：将idx j、DR j-1、DR j下传至光栅底层；
步骤5：底层更新
Figure PCTCN2020131310-appb-000051
步骤6：重复步骤2到步骤5，若idx j＝n，则停止。
可以通过光栅叶片运动和加速器出束同步测试对本发明上述实施例提供的方法的结果进行验证。
测试方法：通过开启与不启用剂量伺服功能时执行动态调强计划时的结束状态对比，验证伺服功能的有效性。测试数据如下文所述。
在无剂量伺服的情况下(其中Beam i表示射束i，i＝1，2，3，4)：
Beam1 160MU：加速器出束完毕后，光栅软件显示剩余17MU；
Beam2 183MU：加速器出束完毕后，光栅软件显示剩余10MU；
Beam3 175MU：加速器出束完毕后，光栅软件显示剩余8MU；
Beam4 165MU：加速器出束完毕后，光栅软件显示剩余15MU；
同步性误差分别为：10.6％、5.46％、4.57％、9.09％。
在有剂量伺服的情况下：
Beam1 160MU：加速器出束完毕后，光栅软件显示剩余OMU；
Beam2 183MU：加速器出束完毕后，光栅软件显示剩余OMU；
Beam3 175MU：加速器出束完毕后，光栅软件显示剩余OMU；
Beam4 165MU：加速器出束完毕后，光栅软件显示剩余OMU；
同步性误差为0。
测试结论：剂量伺服可以解决动态调强计划执行时叶片运动和加速器出束不能同步结束的问题。
并且进行剂量伺服后剂量效果的测试，具体测试方法、计划和数据如下文所述。
测试方法：通过开启与不启用剂量伺服功能时执行动态调强计划的剂量验证的结果对比，验证伺服功能的有效性。
验证计划：4野sliding计划：Beam1 160MU，Beam2 183MU，Beam3 175MU，Beam4 165MU。
表1 剂量伺服后剂量效果测试数据
Figure PCTCN2020131310-appb-000052
Figure PCTCN2020131310-appb-000053
从表1可以看出，在各种射束下，采用本发明上述实施例提供的光栅伺服剂量率的方法(对应于表1中的“有剂量伺服”)的测试剂量效果均优于无剂量伺服的情况。
综上所述，本发明实施例提供的使用光栅伺服剂量率的方法通过实时监控加速器的剂量率，调整光栅的运行速度，使得光栅运动能够伺服剂量率的波动，让剂量照射更为精准，达到精确放疗的效果，从而解决了在直线加速器剂量率不稳的时候，使用第三方光栅无法进行动态调强的问题。
图3示出了本发明实施例提供的使用光栅伺服剂量率的装置的结构示意图，图3所示的装置用于实施根据本发明上述实施例提供的使用光栅伺服剂量率的方法。
如图3所示，本发明实施例提供的使用光栅伺服剂量率的装置，包括：
实时剂量率获取模块301，用于获取加速器的实时剂量率；
剂量率预测模块302，用于根据前一时刻测得的剂量率，用卡尔曼滤波预测当前时刻的剂量率；
光栅运动目标计算模块303，用于根据预测的剂量率，计算光栅的运动目标。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，实时剂量率获取模块301，具体用于如下中的一者：
通过解析来自加速器的反馈信号来获取加速器的实时剂量率；或者
通过视频采集卡实时监控加速器的显示界面来获取剂量率。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，剂量率预测模块302利用下述步骤进行剂量率预测：
A)若剂量率短时平稳，且波动满足高斯分布，根据剂量率短时平稳，计算t时刻的预测值
Figure PCTCN2020131310-appb-000054
和t时刻
Figure PCTCN2020131310-appb-000055
的方差
Figure PCTCN2020131310-appb-000056
如下式所示：
Figure PCTCN2020131310-appb-000057
Figure PCTCN2020131310-appb-000058
其中，X t-1为(t-1)时刻的最佳估计记；
P t-1为(t-1)时刻的X t-1的方差；
首次计算时X 0设置为加速器的预设剂量率，P 0＝1；
B)计算t时刻的滤波增益系数K t，并更新t时刻的最佳估计X t及其方差P t；
Figure PCTCN2020131310-appb-000059
Figure PCTCN2020131310-appb-000060
Figure PCTCN2020131310-appb-000061
其中，R为测量值的方差；
Z t为t时刻测量的剂量率；
C)重复步骤A)～B)，计算出每一个时刻的预测值
Figure PCTCN2020131310-appb-000062
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，光栅运动目标计算模块303，具体用于：
获取加速器的放射治疗计划系统中的计划输出文件信息，计划输出文件信息包括：子野信息、权重信息和剂量率；
将子野信息以及时间序列信息传输给光栅，时间序列信息基于权重信息和剂量率计算获得；
设定剂量率监视的最小周期为T，每次光栅调整的次数为j，idx j为第j次调整时子野的开始序列号，DR j为第j次调整时所使用的剂量率，
Figure PCTCN2020131310-appb-000063
为第j次调整时，第i个控制点的时间位置；idx为每个周期调整的控制点的开始序列号，
步骤1：赋初值，令j＝0，idx 0＝0，DR 0＝DR，
Figure PCTCN2020131310-appb-000064
步骤2：计算下一次调整的idx j，使得满足
Figure PCTCN2020131310-appb-000065
且
Figure PCTCN2020131310-appb-000066
若
Figure PCTCN2020131310-appb-000067
则idx j＝n；
步骤3：获取DR j为根据前一时刻剂量率预测的当前时刻的剂量率；
步骤4：将idx j、DR j-1、DR j下传至光栅底层；
步骤5：底层更新
Figure PCTCN2020131310-appb-000068
步骤6：重复步骤2到步骤5，若idx j＝n，则停止。
优选的，时间序列信息通过下式计算获得：
Figure PCTCN2020131310-appb-000069
其中，
Figure PCTCN2020131310-appb-000070
为时间序列信息，MU i，i＝0，...，n为权重信息，DR为剂量率。
另外，本发明实施例还提供了一种放射治疗设备，该放射治疗设备用于实施本发明上述实施例提供的使用光栅伺服剂量率的方法，或者该放射治疗设备包括本发明上述实施例提供的使用光栅伺服剂量率的装置。
本发明的有益效果包括：
本发明提供的本发明提供的光栅伺服剂量率的方法包括：获取加 速器的实时剂量率；根据前一时刻测得的剂量率，用卡尔曼滤波预测当前时刻的剂量率；根据预测的剂量率，计算光栅的运动目标。通过实时监控加速器的剂量率，根据算法调整光栅的运行速度，使得光栅运动能够伺服剂量率的波动，让剂量照射更为精准，达到精确放疗的效果。
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 (11)

  1. 一种使用光栅伺服剂量率的方法，其特征在于，包括：
    获取加速器的实时剂量率；
    根据前一时刻测得的剂量率，用卡尔曼滤波预测当前时刻的剂量率；
    根据预测的剂量率，计算光栅的运动目标。
  2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取加速器的实时剂量率，包括如下中的一者：
    通过解析来自加速器的反馈信号来获取所述加速器的实时剂量率；或者
    通过视频采集卡实时监控加速器的显示界面来获取剂量率。
  3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波预测剂量率的具体步骤如下：
    A)若剂量率短时平稳，且波动满足高斯分布，根据剂量率短时平稳，计算t时刻的预测值
    Figure PCTCN2020131310-appb-100001
    和t时刻
    Figure PCTCN2020131310-appb-100002
    的方差
    Figure PCTCN2020131310-appb-100003
    如下式所示：
    Figure PCTCN2020131310-appb-100004
    Figure PCTCN2020131310-appb-100005
    其中，X t-1为(t-1)时刻的最佳估计记；
    P t-1为(t-1)时刻的X t-1的方差；
    首次计算时X 0设置为加速器的预设剂量率，P 0＝1；
    B)计算t时刻的滤波增益系数K t，并更新t时刻的最佳估计X t及其方差P t；
    Figure PCTCN2020131310-appb-100006
    Figure PCTCN2020131310-appb-100007
    Figure PCTCN2020131310-appb-100008
    其中，R为测量值的方差；
    Z t为t时刻测量的剂量率；
    C)重复步骤A)～B)，计算出每一个时刻的预测值
    Figure PCTCN2020131310-appb-100009
  4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
    根据预测的剂量率，计算光栅的运动目标，包括：
    获取所述加速器的放射治疗计划系统中的计划输出文件信息，所述计划输出文件信息包括：子野信息、权重信息和剂量率；
    将所述子野信息以及时间序列信息传输给光栅，所述时间序列信息基于所述权重信息和所述剂量率计算获得；
    设定剂量率监视的最小周期为T，每次光栅调整的次数为j，idx j为第j次调整时子野的开始序列号，DR j为第j次调整时所使用的剂量率，
    Figure PCTCN2020131310-appb-100010
    为第j次调整时，第i个控制点的时间位置；idx为每个周期调整的控制点的开始序列号，
    步骤1：赋初值，令j＝0，idx 0＝0，DR 0＝DR，
    Figure PCTCN2020131310-appb-100011
    步骤2：计算下一次调整的idx j，使得满足
    Figure PCTCN2020131310-appb-100012
    且
    Figure PCTCN2020131310-appb-100013
    若
    Figure PCTCN2020131310-appb-100014
    则idx j＝n；
    步骤3：获取DR j为根据前一时刻剂量率预测的当前时刻的剂量率；
    步骤4：将idx j、DR j-1、DR j下传至光栅底层；
    步骤5：底层更新
    Figure PCTCN2020131310-appb-100015
    步骤6：重复步骤2到步骤5，若idx j＝n，则停止。
  5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述时间序列信息通过下式计算获得：
    Figure PCTCN2020131310-appb-100016
    其中，
    Figure PCTCN2020131310-appb-100017
    为时间序列信息，MU i，i＝0，...，n为权重信息，DR为剂量率。
  6. 一种使用光栅伺服剂量率的装置，其特征在于，包括：
    实时剂量率获取模块，用于获取加速器的实时剂量率；
    剂量率预测模块，用于根据前一时刻测得的剂量率，用卡尔曼滤波预测当前时刻的剂量率；
    光栅运动目标计算模块，用于根据预测的剂量率，计算光栅的运动目标。
  7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述实时剂量率获取模块，具体用于如下中的一者：
    通过解析来自加速器的反馈信号来获取所述加速器的实时剂量率；或者
    通过视频采集卡实时监控加速器的显示界面来获取剂量率。
  8. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述剂量率预测模块利用下述步骤进行剂量率预测：
    A)若剂量率短时平稳，且波动满足高斯分布，根据剂量率短时平稳，计算t时刻的预测值
    Figure PCTCN2020131310-appb-100018
    和t时刻
    Figure PCTCN2020131310-appb-100019
    的方差
    Figure PCTCN2020131310-appb-100020
    如下式所示：
    Figure PCTCN2020131310-appb-100021
    Figure PCTCN2020131310-appb-100022
    其中，X t-1为(t-1)时刻的最佳估计记；
    P t-1为(t-1)时刻的X t-1的方差；
    首次计算时X 0设置为加速器的预设剂量率，P 0＝1；
    B)计算t时刻的滤波增益系数K t，并更新t时刻的最佳估计X t及其方差P t；
    Figure PCTCN2020131310-appb-100023
    Figure PCTCN2020131310-appb-100024
    Figure PCTCN2020131310-appb-100025
    其中，R为测量值的方差；
    Z t为t时刻测量的剂量率；
    C)重复步骤A)～B)，计算出每一个时刻的预测值
    Figure PCTCN2020131310-appb-100026
  9. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光栅运动目标计算模块，具体用于：
    获取所述加速器的放射治疗计划系统中的计划输出文件信息，所述计划输出文件信息包括：子野信息、权重信息和剂量率；
    将所述子野信息以及时间序列信息传输给光栅，所述时间序列信息基于所述权重信息和所述剂量率计算获得；
    设定剂量率监视的最小周期为T，每次光栅调整的次数为j，idx j为第j次调整时子野的开始序列号，DR j为第j次调整时所使用的剂量率，
    Figure PCTCN2020131310-appb-100027
    为第j次调整时，第i个控制点的时间位置；idx为每个周期调整的控制点的开始序列号，
    步骤1：赋初值，令j＝0，idx 0＝0，DR 0＝DR，
    Figure PCTCN2020131310-appb-100028
    步骤2：计算下一次调整的idx j，使得满足
    Figure PCTCN2020131310-appb-100029
    且
    Figure PCTCN2020131310-appb-100030
    若
    Figure PCTCN2020131310-appb-100031
    则idx j＝n；
    步骤3：获取DR j为根据前一时刻剂量率预测的当前时刻的剂量率；
    步骤4：将idx j、DR j-1、DR j下传至光栅底层；
    步骤5：底层更新
    Figure PCTCN2020131310-appb-100032
    步骤6：重复步骤2到步骤5，若idx j＝n，则停止。
  10. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述时间序列信息通过下式计算获得：
    Figure PCTCN2020131310-appb-100033
    其中，
    Figure PCTCN2020131310-appb-100034
    为时间序列信息，MU i，i＝0，...，n为权重信息，DR为剂量率。
  11. 一种放射治疗设备，其特征在于，所述放射治疗设备用于实施根据权利要求1至5中任一项所述的使用光栅伺服剂量率的方法，或者所述放射治疗设备包括根据权利要求6至9中任一项所述的使用光栅伺服剂量率的装置。
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