CN112700841B - 非均整模式下剂量计算建模方法、模型、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种非均整(FFF)模式下剂量计算建模方法、模型、设备及存储介质。所述非均整模式下剂量计算建模方法主要包括以下步骤：获取二维的入射强度分布；获取包含若干个不同射野下剂量核的照射野剂量核数据库；基于所述二维的入射强度分布和所述照射野剂量核数据库计算不同射野下剂量分布；对每一个不同射野下剂量分布的数据分别进行拟合，并通过不断改变剂量核分布后重新计算剂量分布并与实测剂量分布进行比较，得到最优剂量核，从而形成最终的剂量核模型数据。通过本发明实施例的非均整(FFF)模式下剂量计算模型可以在快速实现剂量计算的同时，提高计算的精度。
Description
技术领域
本发明涉及医学肿瘤放射治疗相关技术领域，具体地说是涉及一种非均整(FFF)模式下剂量计算建模方法、模型、设备及存储介质。
背景技术
恶性肿瘤是人类的第一大杀手，目前肿瘤治疗的方式重要右放疗、化疗和手术治疗三种方式，而放射治疗是目前肿瘤治疗中最常用的方法之一。
常规的放射治疗要求对射野内剂量分布进行均整，这种模式有利于治疗过程中的剂量计算及控制，缺点是经过均整块均整后剂量率会比均整前降低很多，其产生的直接后果是造成治疗时间过长。治疗时间是评估放疗外科技术的一个重要因素，治疗时间过长会增加患者的身体负担，对患者的正常组织细胞造成损伤，产生二次致癌的可能性。
剂量计算是放射治疗计划***的核心内容，而剂量分布的精度主要取决于计划***中采用的剂量计算模型。目前，放疗计划***内置剂量算法大多是基于笔形束卷积叠加技术，蒙特卡洛算法通过对例子与物质的相互作用进行随机模拟来获得粒子在人体组织中沉积能量的分布，被认为是当前所有计算方法中最准确的计算方法。目前剂量计算面临的只要问题是如何解决计算精度和计算速度之间的矛盾，蒙特卡洛算法虽然精度很高，但是限于计算速度，仍很难以在逆向TMRT计划中得到应用。如何在保持高精度特点的前提下，加快计算速度是蒙特卡洛剂量计算方法面临的主要课题，而发展更快、更高精度的剂量计算方法是未来的研究热点。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明的一个方面提供了一种非均整模式下剂量计算建模方法。
所述非均整模式下剂量计算建模方法主要包括以下步骤：
获取二维的入射强度分布；
获取包含若干个不同射野下剂量核的照射野剂量核数据库；
基于所述二维的入射强度分布和所述照射野剂量核数据库计算不同射野下剂量分布；
对每一个不同射野下剂量分布的数据分别进行拟合，并通过不断改变剂量核分布后重新计算剂量分布并与实测剂量分布进行比较，得到最优剂量核，从而形成最终的剂量核模型数据。
根据本发明的一个优选实施方式，所述二维的入射强度分布是根据射线进入体表时不同位置的强度大小，使用时通过测量加速器最大射野XOY平面的剂量分布得到的。
根据本发明的一个优选实施方式，所述包含若干个不同射野下剂量核的照射野剂量核数据库由不同深度的剂量核K(F，z)组成，剂量核由n个体积单元的剂量组成，即K0、K1、K2......Kn，体积单元与剂量核中心的距离为r0、r1、r2......rn。
根据本发明的一个优选实施方式，基于所述二维的入射强度分布和所述照射野剂量核数据库计算不同射野下剂量分布包括如下步骤：
根据照射野设置，在数据库模型中找到对应射野的剂量核参数，使用该参数在均匀模体中的剂量计算公式如下：
公式(1)中，
Ki(F，z)为数据库模型中照射野F在深度为z时的剂量核参数,i为剂量核体积单元索引，ri表示第i个体积单元与剂量核中心的距离；
I(x，y)表示在平面XOY中坐标为(x，y)的点的强度；
令
即所有与点(x，y)的距离为ri的体积单元的强度总和，当点(x+ricosθ，y+risinθ)处于照射野外时，I(x+ricosθ，y+risinθ)的值为0，则公式(1)简化为以下公式：
根据本发明的一个优选实施方式，对每一个不同射野下剂量分布的数据分别进行拟合，并通过不断改变剂量核分布后重新计算剂量分布并与实测剂量分布进行比较，得到最优剂量核，从而形成最终的剂量核模型数据包括如下步骤：
S401：利用蒙特卡洛算法模拟笔形束的剂量分布，将该分布作为所有射野的剂量核初始值，根据不同射野下的离轴比数据分别拟合；
S402：根据测量射野中某一深度的离轴比数据，用公式(2)计算坐标轴上对应点的剂量d(x)，其中，
S403：将计算数据与实测离轴比数据进行比较，采用以下的评估函数：
公式(4)中，
M表示实测离轴比数据点的数量；
wj表示离轴比数据第j点的权重；
dj表示与实测离轴比数据相对应的点用公式(3)计算的剂量值；
xj表示离轴比数据第j点的离轴距离；
S404：根据公式(4)对剂量核参数Kj求偏导数，得到公式(5)：
S405：将公式(5)类似为一个分子动力学方程，并用fj表示分子间相互作用力得到公式(6)：
此时，将Kk(F，z)类似于分子动力学中的第k个原子的位置，该原子的原子量用mk表示，得到公式(7)：
S406：采用公式(8)和公式(9)进行迭代，迭代过程中引入一个临时时间变量t,通过不断改变t的值，得到不同的剂量核参数，
S407：将步骤S406得到的剂量核参数用公式(4)重新计算评价函数，当评价函数小于设定值或者迭代次数达到设定值时退出迭代过程，得到最终的剂量核参数；
S408：通过步骤S402-S407步得到每一个测量深度的剂量核数据，未测量的深度处的剂量核数据通过插值得到，形成剂量核模型；
S409：将上述的剂量核模型用于计算射野中心轴上的剂量分布，并用实测中心轴剂量值进行修正，通过对比相同深度的计算值和测量值，得到修正系数，最后将剂量核数据乘以每个深度的修正系数得到最终的剂量核模型数据。
本发明的另一个方面提供了一种非均整模式下剂量计算模型。
所述非均整模式下剂量计算模型由上述任意一项非均整模式下剂量计算建模方法形成。
本发明的另一个方面提供了一种非均整模式下剂量计算方法。
所述非均整模式下剂量计算方法是通过上述非均整模式下剂量计算模型实现的。
本发明的另一个方面提供了一种非均整模式下剂量计算装置。
所述非均整模式下剂量计算装置包括处理器以及存储器；所述存储器用于存储指令，所述指令被所述处理器执行时，导致所述非均整模式下剂量计算装置实现如上任一项所述的非均整模式下剂量计算建模方法或如上所述的非均整模式下剂量计算方法对应的操作。
本发明的再一个方面提供了一种计算机可读存储介质。
所述存储介质存储计算机指令，当计算机读取存储介质中的计算机指令后，计算机运行如上任意一项所述的非均整模式下剂量计算建模方法或如上所述的非均整模式下剂量计算方法。
与现有技术相比，本发明实施例的非均整模式下剂量计算建模方法、模型、设备及存储介质具有如下有益效果：
通过本发明实施例的非均整(FFF)模式下剂量计算模型可以在快速实现剂量计算的同时，提高计算的精度。
本发明的一部分附加特性可以在下面的描述中进行说明。通过对以下描述和相应附图的检查或者对实施例的生产或操作的了解，本发明的一部分附加特性对于本领域技术人员是明显的。本发明披露的特性可以通过对以下描述的具体实施例的各种方法、手段和组合的实践或使用得以实现和达到。
附图说明
在此所述的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在各图中，相同标号表示相同部件。其中，
图1是本发明实施例中剂量核分布的示意图。
具体实施方式
以下描述是为了使本领域的普通技术人员能够实施和利用本申请，并在特定应用及其要求的上下文中提供。对于本领域的普通技术人员来讲，对本申请披露的实施例进行的各种修改是显而易见的，并且本文中定义的通则在不背离本申请的精神及范围的情况下，可以适用于其他实施例及应用。因此，本申请不限于所示的实施例，而是符合与申请专利范围一致的最广泛范围。
本文中所使用的术语仅用于描述特定示例性实施例，并不限制本申请的范围。如本文使用的单数形式“一”、“一个”及“该”可以同样包括复数形式，除非上下文明确提示例外情形。还应当理解，如在本说明书中所示，术语“包括”、“包含”仅提示存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的情况。
在考虑了作为本申请一部分的附图的描述内容后，本申请的特征和特点以及操作方法、结构的相关元素的功能、各部分的组合、制造的经济性变得显而易见。然而，应当理解，附图仅仅是为了说明和描述的目的，并不旨在限制本申请的范围。应当理解的是附图并不是按比例的。
本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的***所执行的操作。应当理解的是，流程图中的操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。此外，可以向流程图添加一个或以上其他操作。一个或以上操作也可以从流程图中删除。
本发明实施例的一个方面公开了一种非均整模式下剂量计算建模方法。
该非均整模式下剂量计算建模方法主要包括以下步骤：
获取二维的入射强度分布。
其中，所述二维的入射强度分布是根据射线进入体表时不同位置的强度大小，使用时通过测量加速器最大射野XOY平面的剂量分布得到的。
获取包含若干个不同射野下剂量核的照射野剂量核数据库。
其中，所述包含若干个不同射野下剂量核的照射野剂量核数据库由不同深度的剂量核K(F，z)组成，剂量核由n个体积单元的剂量组成，即K0、K1、K2......Kn，体积单元与剂量核中心的距离为r0、r1、r2......rn，如图1所示。
基于所述二维的入射强度分布和所述照射野剂量核数据库计算不同射野下剂量分布。
其中，基于所述二维的入射强度分布和所述照射野剂量核数据库计算不同射野下剂量分布包括如下步骤：
根据照射野设置，在数据库模型中找到对应射野的剂量核参数，使用该参数在均匀模体中的剂量计算公式如下：
公式(1)中，
Ki(F，z)为数据库模型中照射野F在深度为z时的剂量核参数,i为剂量核体积单元索引，ri表示第i个体积单元与剂量核中心的距离；
I(x，y)表示在平面XOY中坐标为(x，y)的点的强度；
令
即所有与点(x，y)的距离为ri的体积单元的强度总和，当点(x+ricosθ，y+risinθ)处于照射野外时，I(x+ricosθ，y+risinθ)的值为0，则公式(1)简化为以下公式：
对每一个不同射野下剂量分布的数据分别进行拟合，并通过不断改变剂量核分布后重新计算剂量分布并与实测剂量分布进行比较，得到最优剂量核，从而形成最终的剂量核模型数据。
其中，对每一个不同射野下剂量分布的数据分别进行拟合，并通过不断改变剂量核分布后重新计算剂量分布并与实测剂量分布进行比较，得到最优剂量核，从而形成最终的剂量核模型数据包括如下步骤：
S401：利用蒙特卡洛算法模拟笔形束的剂量分布，将该分布作为所有射野的剂量核初始值，根据不同射野下的离轴比数据分别拟合；
S402：根据测量射野中某一深度的离轴比数据，用公式(2)计算坐标轴上对应点的剂量d(x)，其中，
S403：将计算数据与实测离轴比数据进行比较，采用以下的评估函数：
公式(4)中，
M表示实测离轴比数据点的数量；
wj表示离轴比数据第j点的权重；
dj表示与实测离轴比数据相对应的点用公式(3)计算的剂量值；
xj表示离轴比数据第j点的离轴距离。
S404：根据公式(4)对剂量核参数Kj求偏导数，得到公式(5)：
S405：将公式(5)类似为一个分子动力学方程，并用fj表示分子间相互作用力得到公式(6)：
此时，将Kk(F，z)类似于分子动力学中的第k个原子的位置，该原子的原子量用mk表示，得到公式(7)：
S406：采用公式(8)和公式(9)进行迭代，迭代过程中引入一个临时时间变量t,通过不断改变t的值，得到不同的剂量核参数，
S407：将步骤S406得到的剂量核参数用公式(4)重新计算评价函数，当评价函数小于设定值或者迭代次数达到设定值时退出迭代过程，得到最终的剂量核参数；
S408：通过步骤S402-S407步得到每一个测量深度的剂量核数据，未测量的深度处的剂量核数据通过插值得到，形成剂量核模型；
S409：将上述的剂量核模型用于计算射野中心轴上的剂量分布，并用实测中心轴剂量值进行修正，通过对比相同深度的计算值和测量值，得到修正系数，最后将剂量核数据乘以每个深度的修正系数得到最终的剂量核模型数据。
本发明实施例的另一个方面公开了一种非均整模式下剂量计算模型。
所述非均整模式下剂量计算模型由上述非均整模式下剂量计算建模方法形成。
本发明实施例的另一个方面公开了一种非均整模式下剂量计算方法。
所述非均整模式下剂量计算方法是通过上述非均整模式下剂量计算模型实现的。
本发明实施例的另一个方面公开了一种非均整模式下剂量计算装置。
所述非均整模式下剂量计算装置包括处理器以及存储器；所述存储器用于存储指令，所述指令被所述处理器执行时，导致所述非均整模式下剂量计算装置实现上述任一项所述的非均整模式下剂量计算建模方法或上述非均整模式下剂量计算方法对应的操作。
本发明实施例的另一个方面公开了一种计算机可读存储介质。所述存储介质存储计算机指令，当计算机读取存储介质中的计算机指令后，计算机运行如上任意一项所述的非均整模式下剂量计算建模方法或上述非均整模式下剂量计算方法。
本发明实施例的非均整模式下剂量计算建模方法、模型、设备及计算机可读存储介质可以带来的有益效果包括但不限于以下内容：
通过本发明实施例的非均整(FFF)模式下剂量计算模型可以在快速实现剂量计算的同时，提高计算的精度。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
此外，本领域技术人员可以理解，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“***”。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。
计算机存储介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等，或合适的组合形式。计算机存储介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行***、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机存储介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、RF、或类似介质，或任何上述介质的组合。
本申请各部分操作所需的计算机程序编码可以用任意一种或多种程序语言编写，包括面向对象编程语言如Java、Scala、Smalltalk、Eiffel、JADE、Emerald、C++、C#、VB.NET、Python等，常规程序化编程语言如C语言、VisualBasic、Fortran2003、Perl、COBOL2002、PHP、ABAP，动态编程语言如Python、Ruby和Groovy，或其他编程语言等。该程序编码可以完全在用户计算机上运行、或作为独立的软件包在用户计算机上运行、或部分在用户计算机上运行部分在远程计算机运行、或完全在远程计算机或服务器上运行。在后种情况下，远程计算机可以通过任何网络形式与用户计算机连接，比如局域网(LAN)或广域网(WAN)，或连接至外部计算机(例如通过因特网)，或在云计算环境中，或作为服务使用如软件即服务(SaaS)。
此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的***组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的***。
同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
Claims (7)
1.一种非均整模式下剂量计算建模方法，其特征在于，其包括以下步骤：
获取二维的入射强度分布；
获取包含若干个不同射野下剂量核的照射野剂量核数据库；
基于所述二维的入射强度分布和所述照射野剂量核数据库计算不同射野下剂量分布；
对每一个不同射野下剂量分布的数据分别进行拟合，并通过不断改变剂量核分布后重新计算剂量分布并与实测剂量分布进行比较，得到最优剂量核，从而形成最终的剂量核模型数据；
基于所述二维的入射强度分布和所述照射野剂量核数据库计算不同射野下剂量分布包括如下步骤：
根据照射野设置，在数据库模型中找到对应射野的剂量核参数，使用该参数在均匀模体中的剂量计算公式如下：
公式(1)中，
Ki(F，z)为数据库模型中照射野F在深度为z时的剂量核参数,i为剂量核体积单元索引，ri表示第i个体积单元与剂量核中心的距离；
I(x，y)表示在平面XOY中坐标为(x，y)的点的强度；
令
即所有与点(x，y)的距离为ri的体积单元的强度总和，当点(x+ricosθ，y+risinθ)处于照射野外时，I(x+ricosθ，y+risinθ)的值为0，则公式(1)简化为以下公式：
对每一个不同射野下剂量分布的数据分别进行拟合，并通过不断改变剂量核分布后重新计算剂量分布并与实测剂量分布进行比较，得到最优剂量核，从而形成最终的剂量核模型数据包括如下步骤：
S401：利用蒙特卡洛算法模拟笔形束的剂量分布，将该分布作为所有射野的剂量核初始值，根据不同射野下的离轴比数据分别拟合；
S402：根据测量射野中某一深度的离轴比数据，用公式(2)计算坐标轴上对应点的剂量d(x)，其中，
S403：将计算数据与实测离轴比数据进行比较，采用以下的评估函数：
公式(4)中，
M表示实测离轴比数据点的数量；
wj表示离轴比数据第j点的权重；
dj表示与实测离轴比数据相对应的点用公式(3)计算的剂量值；
xj表示离轴比数据第j点的离轴距离；
S404：根据公式(4)对剂量核参数Kj求偏导数，得到公式(5)：
S405：将公式(5)类似为一个分子动力学方程，并用fj表示分子间相互作用力得到公式(6)：
此时，将Kk(F，z)类似于分子动力学中的第k个原子的位置，该原子的原子量用mk表示，得到公式(7)：
S406：采用公式(8)和公式(9)进行迭代，迭代过程中引入一个临时时间变量t,通过不断改变t的值，得到不同的剂量核参数，
S407：将步骤S406得到的剂量核参数用公式(4)重新计算评价函数，当评价函数小于设定值或者迭代次数达到设定值时退出迭代过程，得到最终的剂量核参数；
S408：通过步骤S402-S407步得到每一个测量深度的剂量核数据，未测量的深度处的剂量核数据通过插值得到，形成剂量核模型；
S409：将上述的剂量核模型用于计算射野中心轴上的剂量分布，并用实测中心轴剂量值进行修正，通过对比相同深度的计算值和测量值，得到修正系数，最后将剂量核数据乘以每个深度的修正系数得到最终的剂量核模型数据。
2.根据权利要求1所述的非均整模式下剂量计算建模方法，其特征在于，
所述二维的入射强度分布是根据射线进入体表时不同位置的强度大小，使用时通过测量加速器最大射野XOY平面的剂量分布得到的。
3.根据权利要求1所述的非均整模式下剂量计算建模方法，其特征在于，
所述包含若干个不同射野下剂量核的照射野剂量核数据库由不同深度的剂量核K(F，z)组成，剂量核由n个体积单元的剂量组成，即K0、K1、K2......Kn，体积单元与剂量核中心的距离为r0、r1、r2......rn。
4.一种非均整模式下剂量计算模型，其特征在于，所述非均整模式下剂量计算模型由权利要求1至3之一所述的非均整模式下剂量计算建模方法形成。
5.一种非均整模式下剂量计算方法，其特征在于，所述非均整模式下剂量计算方法是通过权利要求4所述的非均整模式下剂量计算模型实现的。
6.一种非均整模式下剂量计算装置，其特征在于，所述非均整模式下剂量计算装置包括处理器以及存储器；所述存储器用于存储指令，所述指令被所述处理器执行时，导致所述非均整模式下剂量计算装置实现如权利要求1至3中任一项所述的非均整模式下剂量计算建模方法或如权利要求5所述的非均整模式下剂量计算方法对应的操作。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储计算机指令，当计算机读取存储介质中的计算机指令后，计算机运行如权利要求1至3中任意一项所述的非均整模式下剂量计算建模方法或如权利要求5所述的非均整模式下剂量计算方法。
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