求解通量圖的優(yōu)化方法和放射治療設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請一般設(shè)及放療技術(shù)，尤其設(shè)及通量圖優(yōu)化（FM0)。
【背景技術(shù)】
[0002] 放療技術(shù)可例如向腫瘤或目標(biāo)組織投放高劑量射線來殺死癌細(xì)胞或抑制其生長。 但在此過程中，周圍的正常、健康的組織也會(huì)受損。因此，旨在在運(yùn)兩者之間進(jìn)行權(quán)衡，W在 有效治療的同時(shí)盡量減輕對正常組織的破壞。
[0003] 用于放療的射線W多個(gè)波束角度和多個(gè)波束強(qiáng)度來投放。在坐標(biāo)系中的每個(gè)點(diǎn) (x，y)處的強(qiáng)度分布可稱為通量圖，優(yōu)化并確定通量圖的過程可稱為通量圖優(yōu)化（FM0)。
[0004] 一典型FM0模型如下式： 陽0化]
…
[0006] 其中，所有器官離散化為體素（voxel)集合，體素i的權(quán)重為Wi，接受的實(shí)際劑量 為町，目標(biāo)劑量為Pi;Xkrc表征k方向r行C列的子波束（beamlet)的權(quán)重，Akrc康征方向k 的r行C列的該beamlet對體素i的劑量貢獻(xiàn)。
[0007] 求解通量圖優(yōu)化（FM0)問題時(shí)，需要將其結(jié)果轉(zhuǎn)化為子野（segment)序列，運(yùn)一過 程難W避免發(fā)生性能下降的問題。
[0008] 首先FM0結(jié)果一般為連續(xù)值，而子野序列是離散值，取值存在舍入誤差；其次，F(xiàn)M0 優(yōu)化過程難W考慮機(jī)器約束和子野形狀，導(dǎo)致結(jié)果分布抖動(dòng)強(qiáng)烈，而經(jīng)轉(zhuǎn)換的子野序列由 于機(jī)器約束和數(shù)量限制，要求平滑的結(jié)果，故而轉(zhuǎn)換前后存在較大差異。
[0009] 為此，現(xiàn)有技術(shù)在優(yōu)化模型中加入平滑度懲罰因子，W在優(yōu)化效果與平滑度兩個(gè) 目標(biāo)之間進(jìn)行折衷，從而得到新的優(yōu)化模型。結(jié)果所得的通量圖具有經(jīng)平滑特征，便于后 續(xù)分拆成實(shí)際子野。此類現(xiàn)有技術(shù)的典型示例的目標(biāo)函數(shù)F(X)如下式（參見Nicolini Giorgia等戶/f著的"Whatisanacceptablysmoothedfluence?Dosimetricand deliveryconsiderationsfordynamicslidingwindowIMRT"，第 3 頁，Radiation Oncology，2007 年 11 月 23 日）：
[0010]
四
[0011] 上式中右邊第一項(xiàng)為劑量-體素約束的普通分量；Pi為每個(gè)體素i的規(guī)定劑量或 稱目標(biāo)劑量；Di為體素i接受的實(shí)際劑量，并被表達(dá)為 陽01引 Di= d i,iXi+d2,iX2+…dj,iXj， (3) 陽OU] 其中Xj是通量圖中第j個(gè)beamlet的權(quán)重，并且是從第j個(gè)beamlet到體素 i的劑量（即，對體素i的劑量是來自所有beamlet的劑量的加權(quán)和）。上式中右邊第二項(xiàng) 與平滑有關(guān)，并且作為旨在減小相鄰beamlet之間的大階躍的beamlet加權(quán)因子。在該通 量圖優(yōu)化模型中，旨在使目標(biāo)函數(shù)最小化。
[0014] 其存在的問題是：（1)平滑參數(shù)Wk難W選取，不具備普適性；似懲罰針對全部變 量，而實(shí)際上允許在子野邊緣變量出現(xiàn)較大差異，因此簡單加入懲罰因子不能針對性處理 運(yùn)種"整體平滑，邊緣差異"的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了一種求解通量圖的優(yōu)化方法，包括：根據(jù)子波束 beamlet的梯度選取能使目標(biāo)函數(shù)趨于下降從而對目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際劑量趨于目標(biāo)劑量且彼 此連通的beamlet構(gòu)成塊；W每個(gè)所述塊為變量并根據(jù)所述目標(biāo)函數(shù)來迭代優(yōu)化其權(quán)重； W及根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果來計(jì)算所有beamlet的權(quán)重。具體地，在所述選取beamlet的步驟之 前計(jì)算所述子波束beamlet的梯度。更具體地，計(jì)算所述子波束beamlet的梯度包括W下 一者或多者：將所述目標(biāo)區(qū)域投影到射野方向上；對于所述射野方向，將其范圍內(nèi)的子波 束beamlet作為優(yōu)化變量；求解所述目標(biāo)區(qū)域的劑量矩陣；初始化beamlet權(quán)重；W及根據(jù) 當(dāng)前劑量和目標(biāo)劑量，計(jì)算所有作為優(yōu)化變量的beamlet的梯度。
[0016] 在一種實(shí)施方式中，所述計(jì)算子波束beamlet的梯度所用的梯度函數(shù)為：
[0017]
陽01引其中，fkr。為方向k的r行C列的梯度函數(shù)值，W1為體素i的權(quán)重，D1為體素i的 實(shí)際劑量，Pi為體素i的目標(biāo)劑量，Abu為k方向上第r行C列的beamlet對體素i的單位 劑量貢獻(xiàn)。
[0019] 在一種實(shí)施方式中，所述目標(biāo)函數(shù)為：
[0020]
[0021] 其中，為體素i的權(quán)重，D1為體素i的實(shí)際劑量，P1為體素i的目標(biāo)劑量，Ykm為 k方向第m個(gè)塊的權(quán)重；Akmi為k方向第m個(gè)塊對體素i的單位劑量貢獻(xiàn)；為k方向上第 r行C列的beamlet對體素i的單位劑量貢獻(xiàn)；δkmr。為系數(shù)，當(dāng)k方向r行C列的beamlet 屬于第k方向第m個(gè)塊時(shí)，δkmfe= 1，否則為0;Xkf。為k方向r行C列的beamlet的權(quán)重。
[0022] 具體地，根據(jù)子波束beamlet的梯度來選取彼此連通的beamlet構(gòu)成塊的步驟中， 至少包括選取W下至少一的塊：每個(gè)beamlet的梯度均為正的且可連通的塊；每個(gè)beamlet 的梯度均為負(fù)的且可連通的塊；各beamlet的梯度之和為負(fù)的而其絕對值最大的塊；W及 各beamlet的梯度之和為正的而其絕對值最大的塊。更具體地，在根據(jù)子波束beamlet的 梯度來選取彼此連通的beamlet構(gòu)成塊的步驟中還包括對所述塊設(shè)置約束條件的步驟。進(jìn) 一步地，所述約束條件包括形狀約束條件和/或面積約束條件。
[0023] 優(yōu)選地，每次迭代加入新的塊W和W往的塊一起構(gòu)成優(yōu)化變量來優(yōu)化其權(quán)重。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，公開了一種放射治療計(jì)劃的優(yōu)化方法，包括：選取數(shù)個(gè)方 向；對于每個(gè)方向，根據(jù)前述的優(yōu)化方法得到各方向上所有beamlet的權(quán)重；W及將各方向 上所有beamlet權(quán)重分別轉(zhuǎn)化為子野序列。
[00巧]進(jìn)一步地，包括對于每一個(gè)方向，將子野序列分配到該方向所對應(yīng)的弧段的控制 點(diǎn)上。
[00%] 根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，公開了一種放射治療計(jì)劃的優(yōu)化方法，至少包括：選 取數(shù)個(gè)方向作為備選方向，其中，根據(jù)目標(biāo)區(qū)域在各備選方向的投影確定各備選方向的beamlet的集合；求解各備選方向上的劑量矩陣；在各備選方向，計(jì)算相應(yīng)beamlet的集合 內(nèi)的所有beamlet的梯度；在各備選方向上，選擇能使所述目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際劑量趨于目標(biāo) 劑量且彼此連通的beamlet構(gòu)成塊；在所有備選方向上，迭代選擇能使所述目標(biāo)區(qū)域的實(shí) 際劑量最快地趨于目標(biāo)劑量的塊作為對應(yīng)方向上的子野并將該方向從備選方向中刪除；W 及根據(jù)所述目標(biāo)函數(shù)來迭代優(yōu)化所述子野的權(quán)重。具體地，在迭代選擇能使所述目標(biāo)區(qū)域 的實(shí)際劑量最快地趨于目標(biāo)劑量的塊作為對應(yīng)方向上的子野的步驟中，能使所述目標(biāo)區(qū)域 的實(shí)際劑量最快地趨于目標(biāo)劑量的塊為各beamlet的梯度之和為負(fù)但絕對值最大的塊。優(yōu) 選地，若在剩余的備選方向上沒有各beamlet的梯度之和為負(fù)的塊，則根據(jù)已有的子野通 過插值方法生成新的子野并添加到對應(yīng)的方向上。優(yōu)選地，在選擇能使所述目標(biāo)區(qū)域的實(shí) 際劑量趨于目標(biāo)劑量且彼此連通的beamlet構(gòu)成塊的步驟中，對所述塊設(shè)置約束條件。具 體地，所述約束條件包括：形狀的約束條件和/或面積的約束條件?？蛇x擇地，在所有備選 方向上均生成對應(yīng)的子野后，繼續(xù)通過插值方法在兩兩相鄰的備選方向上生成新的子野。 具體地，若根據(jù)所述目標(biāo)函數(shù)來迭代優(yōu)化所述子野的權(quán)重為零，則刪除該子野并將對應(yīng)的 方向重新添加為備選方向。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還公開了一種放射治療設(shè)備