阅读说明：本技术 一种放射剂量计算系统 (radiation dose calculation system ) 是由 张鹏程 张丽媛 桂志国 舒华忠 李�杰 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种放射剂量计算系统,包括信息输入模块、点核能量分布模拟模块、点核模型参数提取模块、点核查找表生成模块、坐标系转换模块、TERM值计算模块、剂量计算模块和信息输出模块。通过将直角坐标系下的二维注量分布、三维密度分布转换到球壳坐标系下,在球壳坐标系下计算各体素的TERM值,利用球壳坐标系的对称特性,直接从点核查找表中读取碰撞点信息,从而进行快速剂量计算,并将球壳坐标系下的三维剂量分布转换到直角坐标系下,输出三维剂量分布,以及统计各器官的剂量-体积曲线。本发明避免了计算碰撞点位置和旋转点核所需计算量,在射线发散入射的情况下有效地降低了点核剂量计算方法的算法复杂度。(the invention relates to a radiation dose calculation system which comprises an information input module, a point nuclear energy distribution simulation module, a point nuclear model parameter extraction module, a point nuclear lookup table generation module, a coordinate system conversion module, a TERM value calculation module, a dose calculation module and an information output module. The TERM value of each voxel is calculated under a spherical shell coordinate system by converting two-dimensional fluence distribution and three-dimensional density distribution under a rectangular coordinate system into the spherical shell coordinate system, collision point information is directly read from a point kernel lookup table by utilizing the symmetry characteristic of the spherical shell coordinate system, so that rapid dose calculation is performed, the three-dimensional dose distribution under the spherical shell coordinate system is converted into the rectangular coordinate system, three-dimensional dose distribution is output, and a dose-volume curve of each organ is counted. The invention avoids the calculation amount required for calculating the position of the collision point and the rotation point kernel, and effectively reduces the algorithm complexity of the point kernel dose calculation method under the condition of divergent incidence of rays.)

一种放射剂量计算系统

技术领域

本发明涉及放射治疗系统技术领域，尤其涉及一种放射剂量计算系统。

背景技术

放射治疗是目前治疗恶性肿瘤的主要手段之一。剂量计算是放射治疗计划的核心，剂量计算的速度与精度，对放射治疗计划制定的效率和质量具有重要影响。研究表明，照射剂量的准确性提高l％，治愈率可提高2％。一般把ICRU(international commissionradiation units&measurements)24号报告中推荐的±5％作为照射剂量误差的允许范围。在调强放射治疗的逆向计划中，优化过程需要进行多次的剂量计算(大约10到1000次)，因此对计算速度的要求也非常苛刻。一个具备临床实用性的剂量计算模型应在1分钟以内完成单野、低精度的剂量计算；在1小时内完成多野、高精度或优化剂量计算。

计算剂量分布的模型可分为3大类：经验模型、半解析模型和解析模型。为了满足临床放射治疗计划的质量要求，一般使用半解析模型进行逆向计划的剂量计算，如基于核(笔形束核、点核)模型的卷积/叠加剂量计算方法。虽然解析模型的剂量计算精度最高，但是所需的计算量非常大，不能用于逆向计划的剂量计算，一般只用来计算最终治疗计划的剂量分布。相对于解析模型，基于半解析模型的剂量计算方法的计算量相对较小，但是在逆向计划中多次计算剂量分布，其总的计算量也是非常可观的。一些硬件加速的方法被用来加速基于核模型的卷积/叠加剂量计算方法，如FPGA和GPU等。因此，在不影响剂量计算精度的条件下，减小基于核模型卷积/叠加剂量计算方法的计算量，或者缩短其计算所需时间，对放射治疗计划的快速制定具有很现实的意义。

能够满足临床放射治疗精确要求的半解析模型是点核剂量计算方法。点核剂量计算方法具有较大的计算复杂度。在射线平行入射模体的情况下，直接计算N³个点的剂量分布需要计算N⁶到N⁷次线积分。尽管使用筒串卷积的方法进行加速，仍需要计算M·N³次线积分，其中M为各剂量计算点处的立体角采样个数。临床中，射线源被认为是一个点源，射线以点源为中心发散射出照射肿瘤。在射线发散入射模体表面的情况下，剂量计算过程中每个碰撞点处的点核都要进行旋转，与过该碰撞点的射线平行。在直角坐标系下旋转每个点核，又增加了点核剂量计算方法的计算复杂度，计算时间增加了2-3倍。因而，减少线积分的计算量和减少点核旋转的计算复杂度，能够大大减少点核剂量计算方法的整体计算复杂度，缩短剂量计算所需时间。

鉴于此，现有技术有待改进，本案由此产生。

发明内容

本发明目的在于提供一种放射剂量计算系统，避免了计算碰撞点位置和旋转点核所需计算量，在射线发散入射的情况下有效地降低了点核剂量计算方法的算法复杂度，缩短剂量计算所需时间。

为实现本发明目的，采用如下技术方案。

一种放射剂量计算系统，包括：

信息输入模块，用以输入剂量计算所需数据信息，所需数据信息至少包括模体的三维密度信息、器官勾画信息、治疗头信息和射野信息；

点核能量分布模拟模块，用以根据信息输入模块输入的治疗头信息，利用蒙特卡罗算法模拟点核能量分布；

点核模型参数提取模块，用以提取点核在各立体角方向的能量分布，进行参数拟合，得到点核模型参数；

点核查找表生成模块，用以将点核模型参数、碰撞点信息和径向采样间隔存储，生成点核查找表；

坐标系转换模块，用以在直角坐标系下，根据治疗头信息计算模体表面的二维注量分布，将直角坐标系下的二维注量分布、三维密度分布转换到球壳坐标系下，并在球壳坐标系下，根据三维密度分布确定各体素的平均质量衰减系数和相对密度；

TERM(Total Energy Released per unit Mass)值计算模块，用以在球壳坐标系下，根据二维注量分布和三维密度分布，计算各体素的TERM值；

剂量计算模块，用以计算剂量沉积点所在球壳位置，根据球壳位置从点核查找表中读取对应球壳的碰撞点信息；将碰撞点相对位置与剂量沉积点位置相加，得到当前剂量沉积点周围的所有碰撞点位置；利用碰撞点位置信息，确定碰撞点处的密度值、相对密度值、平均衰减系数和径向采样长度；从查找表中读取对应碰撞点处剂量沉积点到碰撞点的线段与碰撞点处入射射线的夹角；从而进行剂量计算，得到球壳坐标系下的三维剂量分布；

信息输出模块，用以将球壳坐标系下的三维剂量分布转换到直角坐标系下，输出三维剂量分布，以及统计各器官的剂量-体积曲线。

进一步地，所述碰撞点信息包括球壳坐标系下的碰撞点的相对位置、碰撞点所在采样间隔长度，以及剂量沉积点到碰撞点的线段与碰撞点处入射射线的夹角数据。

进一步地，所述点核查找表中对于相同深度球壳存储一份碰撞点信息。

进一步地，所述点核查找表生成模块包括直角坐标系碰撞点信息计算模块、映射模块、球壳坐标系碰撞点信息计算模块以及存储模块，其中：

所述直角坐标系碰撞点信息计算模块用以在球壳坐标系下计算射野中心轴线与当前深度球壳的交点，并计算该交点在直角坐标系下的位置，以及在直角坐标系下计算该交点周围的碰撞点的位置，及交点到碰撞点的线段与过碰撞点的入射射线的夹角值；

所述映射模块用以将直角坐标系下计算的碰撞点的位置映射回球壳坐标系，且对应夹角值保持不变；

所述球壳坐标系碰撞点信息计算模块用以在球壳坐标系下计算碰撞点位置和交点的相对位置差值；

所述存储模块用以存储相对位置差值、夹角值和径向采样间隔。

本发明具有的有益效果：本发明在球壳坐标系统下进行快速点核剂量计算，在不改变剂量计算精度的情况下，能够更加快速地计算剂量分布。在球壳坐标系下进行剂量计算，一方面避免了旋转点核，另一方面将碰撞点的相对位置存储，减少了计算线积分的复杂度。由于本发明算法的特殊结构，非常适合于硬件(FPGA和GPU)加速。

附图说明

图1是本发明一种放射剂量计算系统的模块框图。

图2是本发明系统中点核查找表生成模块的处理流程示意图。

图3是本发明系统中剂量计算模块的处理流程示意图。

图4是本发明系统中信息输出模块的处理流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种放射剂量计算系统包括信息输入模块10、点核能量分布模拟模块20、点核模型参数提取模块30、点核查找表生成模块40、坐标系转换模块50、TERM值计算模块60、剂量计算模块70和信息输出模块80。

所述信息输入模块10，用以输入剂量计算所需数据信息，所需数据信息包括病人的三维密度信息、器官勾画信息、治疗头信息和射野信息。其中病人的三维密度信息可以是CT图像、MR图像或其它方式获取的病人密度信息。器官勾画信息可以通过物理师在三维密度信息上进行勾画而获得的，也可以通过自动勾画软件进行自动勾画而获取。治疗头信息包括完整的治疗头形状结构和参数信息，以及照射方向，等中心的位置等。本实施例中，使用螺旋CT设备获取CT数据，该CT数据可以用来表示病人的密度信息。CT数据输入到器官勾画软件中，由物理师为每个病人勾画器官形状，从而获得病人的各器官信息。

所述点核能量分布模拟模块20，用以根据输入的治疗头信息，利用蒙特卡罗算法模拟点核模型的能量分布。在球坐标系下模拟点核的能量分布，极角方向的采样间隔为3.75°，采样数为48；方位角采样间隔为360°，采样数为1；径向使用非等间隔采样，采样数为24，最大范围为60cm。

所述点核模型参数提取模块30，用以提取点核在各立体角方向的能量分布，进行参数拟合，得到点核模型参数。本实施中，点核模型的能量扩散函数表示为：

其中A_θ、a_θ、B_θ和b_θ是与立体角方向有关的参数值。提取每个立体角方向沿径向的能量分布，通过拟合方法计算点核模型中(公式1)的参数值。

所述点核查找表生成模块40，用以将点核模型参数、碰撞点信息和径向采样间隔存储，生成点核查找表。本实用例中，通过如下步骤计算碰撞点信息。所用球壳坐标系与直角坐标系的关系为：

其中x＝(x_x,x_y,x_z)表示直角坐标系统中的一点，该点在球坐标系统中的对映位置表示为p＝(p_x,p_y,p_z)。所述点核查找表生成模块包括直角坐标系碰撞点信息计算模块、映射模块、球壳坐标系碰撞点信息计算模块以及存储模块。在球壳坐标系下，计算不同球壳深度位置处的剂量沉积点周围的碰撞点信息：首先，所述直角坐标系碰撞点信息计算模块在球壳坐标系下计算射野中心轴线与当前深度球壳的交点，并计算该交点在直角坐标系下的位置，以及在直角坐标系下计算剂量沉积点在不同立体角方向、不同距离处碰撞点的实际位置，以及剂量沉积点到碰撞点的线段与碰撞点处入射射线的夹角；然后，所述映射模块将直角坐标系下的碰撞点坐标转换到球壳坐标系下，所述球壳坐标系碰撞点信息计算模块在球壳坐标系下计算计算碰撞点到剂量沉积点的相对偏移位置；最后，存储模块存储碰撞点的相对偏移位置、夹角值和径向采样间隔，其中夹角值与直角坐标下夹角值相同。

碰撞点s释放的能量在r点处沉积的剂量可以写为：

其中Ω_mn为相对于r点，s点所在立体角，η_rmn和ρ_rmn为r点处的相对密度值和密度值，T(s)、σ(s)和ds为s点处的TERM值、密度值和径向微元长度，点r到点s之间的距离为r_l，该距离被分为l段，每一段的长度为Δr_i，每一段的相对密度为η_imn。已知s点的位置，就可以计算T(s)和σ(s)值；已知r点的位置，就可以计算η_rmn和ρ_rmn的值；已知s点和r点的位置，就可以计算r点到s点的线段与s点处入射射线的夹角，从而确定参数A_m、a_m、B_m和b_m的值；以及知道点r到点s之间各采样间隔的长度及相对密度，就可以计算∑η_imnΔr_i的值。本实施中，以剂量沉积点为中心进行剂量计算，极角采样间隔为3.75°，采样数为48；方位角采样间隔为45°，采样数为8；径向使用非等间隔采样，采样数为60，最大半径为60cm。因而，径向的采样间隔值Δr_i固定的，每个采样间隔中的相对密度值、密度值和TERM值近似等于该采样间隔中心点处的相对密度、密度值和TERM值。综上所述，在已知s点和r点的位置，以及这两点间各采样间隔的中心位置，就可以利用公式(3)计算碰撞点s处释放的能量在r点处的剂量沉积。在点核剂量计算模型中，计算各采样间隔的中心位置和计算r点到s点的线段与射线源到s点射线的夹角是非常耗时的。本发明中，各采样间隔的中心位置和计算r点到s点的线段、s点处入射射线的夹角和各采样间隔的长度总称为碰撞点信息。对该直接计算碰撞点信息计算量过大的问题，本发明将碰撞点信息预先存入查找表，减少了直接计算所需的计算时间。

直接存储每个剂量计算点周围的碰撞点信息，所需存储空间过大。因而，利用球壳坐标系统的旋转不变特性，在球壳坐标系下相同球壳深度，只存储一份碰撞点信息，大大减少存储空间。如图2所示，在球坐标系下选中某一深度球壳与射野中心轴线的交点，确定该交点在直角坐标系下的位置；根据直角坐标系下这点的位置，确定这点周围碰撞点的位置，及碰撞点处的夹角值；将周围碰撞点的位置映射回球壳坐标系下，计算碰撞点与交点的相对位置差；存储相对位置差、对应的夹角值和各采样间隔，生成查找表。本实施中，极角采样数为48，方位角采样数为8，径向采样数为60，则每一个剂量沉积点周围的碰撞点总数为48×8×60。使用float数据类型记录碰撞点的位置和夹角值，则每一层球壳上的碰撞点信息所需存储空间为48×8×60×4×4个字节，约0.35MB。在球壳坐标系下，径向采样间隔为0.5cm，采样数为200，则总的碰撞点信息所需存储空间约为70MB。

在点核查找表生成过程中，对于同一治疗头，只需生成一次核模型即可。

所述坐标系转换模块50，用以在直角坐标系下，根据治疗头信息计算模体表面的二维注量分布。将直角坐标系下的二维注量分布、三维密度分布转换到球壳坐标系下。在球壳坐标系下，根据三维密度分布确定各体素的平均质量衰减系数和相对密度。所用球壳坐标系向直角坐标系的转换关系为：

pα(tan(p_x)p_z/Δ,tan(p_y)p_z/Δ,p_z/Δ):＝x， (4)

其中

所述TERM值计算模块60，用以在球壳坐标系下，根据二维注量分布和三维密度分布，计算TERM值。TERM值计算公式为：

其中r₀为从射线源到体素r的射线与模体模体表面的交点，Ψ(r₀)为r₀点处的能量注量值，为模体内l点处的平均线性质量衰减系数。

所述剂量计算模块70，用以进行剂量计算。本实施中，沿球壳深度方向，逐层计算每一层球壳上不同位置处的剂量分布。剂量计算过程如图3所示。计算剂量沉积点所在球壳位置，根据球壳位置从点核查找表中读取对应球壳的碰撞点信息；将碰撞点信息中的相对位置差与剂量沉积点位置相加，得到当前剂量沉积点处的碰撞点信息；利用碰撞点信息，确定碰撞点处的密度值、相对密度值、平均衰减系数、径向采样长度，以及从碰撞点信息中获取剂量沉积点到碰撞点的线段与碰撞点处入射射线的夹角；已知剂量计算各参数值，带入公式(3)进行剂量计算，得到球壳坐标系下的三维剂量分布。由点核剂量计算方法可知，在已知碰撞点的密度值、相对密度值、衰减系数、径向采样长度、剂量沉积点的密度值和剂量沉积点到碰撞点的线段与碰撞点处入射射线的夹角值，就可以计算剂量沉积点处的总剂量分布。利用查找表中的碰撞点信息，计算得到点核剂量计算方法计算所需的全部参数。

所述信息输出模块80，如图4所示，用以将球壳坐标系下的三维剂量分布转换到直角坐标系下，输出三维剂量分布，以及统计剂量-体积曲线。

本发明的技术方案，通过将直角坐标系下的二维注量分布、三维密度分布转换到球壳坐标系下，在球壳坐标系下计算各体素的TERM值，利用球壳坐标系的对称特性，直接从点核查找表中读取碰撞点信息，从而进行快速剂量计算，并将球壳坐标系下的三维剂量分布转换到直角坐标系下，输出三维剂量分布，以及统计各器官的剂量-体积曲线。本发明避免了计算碰撞点位置和旋转点核所需计算量，在射线发散入射的情况下有效地降低了点核剂量计算方法的算法复杂度。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。