[发明专利]基于核模型的卷积叠加能量沉积计算方法

说明书

本发明涉及一种基于核模型的卷积叠加能量沉积计算方法，输入剂量计算所需数据信息；根据输入的治疗头信息，利用蒙特卡罗算法计算治疗头在核模型下的能量分布；将直角坐标系统下的能量分布转换为球壳坐标系统下的能量分布，基于球壳坐标系统提取核模型的参数，并将核模型参数存储；基于球壳坐标系统，计算核模型中轴线与体素相交长度的校正因子，并将校正因子存储；基于球壳坐标系统，计算每条线束在初始碰撞点处轴线与体素的相交情况；沿射线前进方向确定射束与体素放生碰撞的碰撞点位置，根据该碰撞点的位置读取存储的核模型参数和校正因子，计算在该碰撞点处释放的能量沉积。本发明在不改变剂量计算精度的同时,有效地降低了剂量计算的复杂度。

技术领域

本发明涉及一种基于核模型的卷积叠加剂量计算方法。

背景技术

放射治疗是目前治疗恶性肿瘤的主要手段之一，70%以上的癌症病人需要接受放射治疗。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 commission radiation 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。

在放射治疗逆向计划系统中，常用的基于核模型的剂量计算方法是笔形束剂量计算方法（Ahnesjo A, Saxner M, and Trepp A. A pencil beam model for photon dosecalculation. Med. Phys., 1992, 19(2):263-273.）和点核剂量计算方法（Ahnesjo A.Collapsed cone convolution of radiant energy for photon dose calculation inheterogeneous media. Med. Phys., 1989, 16(4):577-592.）。基于核模型的剂量计算方法都将射线源发出的射线分割成子射束，射线源在模体（包括病人）内的能量沉积等于各子射束的能量沉积之和，如图1、图3所示。二者的差别在于射线进入模体后的能量沉积方式不同。

在笔形束剂量计算方法中，如图1所示，射束进入模体之后，该射束的所有能量按笔形束的概率分布模型进行沉积。在笔形束模型中，假设射线沿着射束前进方向进行输运，射线在前进的过程中与模体发生碰撞，碰撞的位置称之为碰撞点。如图2所示，由于碰撞而释放的能量在碰撞点处垂直于射束方向的平面上向四周扩散沉积。如图4所示，在点核剂量计算方法中，射线进入模体之后沿着射束前进方向进行输运，射线在前进的过程中与模体发生碰撞并释放能量。但在碰撞点释放的能量，以碰撞点为中心向四周扩散沉积，不仅仅是在垂直于射束前进方向的平面上沉积。