一種劑量分布確定和放射治療計劃優(yōu)化的方法及設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請一般設(shè)及放射治療領(lǐng)域，尤其設(shè)及放射治療計劃優(yōu)化方法及設(shè)備、W及放 射治療計劃中劑量分布的確定方法及設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 多葉準(zhǔn)直器(MLC)是用來產(chǎn)生適合形狀的福射野的設(shè)備，其廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。 多葉準(zhǔn)直器通常通過每個葉片的移動來達(dá)成射野動態(tài)或靜態(tài)成形。放射治療計劃優(yōu)化中實(shí) 現(xiàn)多葉準(zhǔn)直器的功能的關(guān)鍵包括了子野形狀和強(qiáng)度的確定。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，在確定子野形狀和強(qiáng)度時存在W下挑戰(zhàn)。
[0004] 放射治療優(yōu)化問題中葉片的可連續(xù)移動性實(shí)現(xiàn)困難。在制定逆向優(yōu)化計劃時，需 要給出每個子野形狀中MLC葉片的移動位置，通常通過拼湊一些射束元(beamlet)劑量矩陣 來實(shí)現(xiàn)。運(yùn)時葉片只能定位到射束元的邊緣處，葉片移動的最小距離為一個射束元，因此葉 片的移動連續(xù)性被射束元的分辨率所限制;分辨率過低，導(dǎo)致葉片移動的最小距離過大，從 而使得葉片移動位置的可調(diào)節(jié)性降低，達(dá)不到預(yù)期的優(yōu)化效果;而分辨率過高，則會使射束 元的劑量矩陣數(shù)據(jù)量急劇增大，并使計算時間顯著延長。
[0005] 另外，射束元劑量矩陣的數(shù)據(jù)量過大。在VMAT計劃優(yōu)化過程中，首先要計算射束元 劑量矩陣，用來存放該射束元射束元附近采樣點(diǎn)或稱體素(voxel)的劑量沉積情況(cGy/ MU)。在一些多器官病例中為了較好的控制各器官上的劑量分布，體素的數(shù)目選取比較多， 運(yùn)就使得即使在射束元的分辨率較低的情況下也會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，導(dǎo)致消耗大量的內(nèi)存資 源，并占用計算時間。此外，計算速度慢也是現(xiàn)有技術(shù)的問題之一。在放射治療計劃的優(yōu)化 過程中，需要計算當(dāng)前的體素上的劑量分布情況，并根據(jù)當(dāng)前劑量分布情況，來確定下一步 的葉片移動方向；每次更新劑量分布情況或者改變?nèi)~片位置都需要對子野劑量做累計處 理，從而使計算量增大，降低優(yōu)化速度。
[0006] 例如，Jiang、Men和Jia于2011年在專利申請?zhí)枮閁S 13/695,015的美國專利申請 中提到，可利用列生成（column generation)方法，在兩個問題中分別求解子野形狀和強(qiáng) 度。該方法對于求解大規(guī)模優(yōu)化問題具有一定效果，但該方法變量空間大，消耗較多計算機(jī) 資源，并且在優(yōu)化過程中將子野權(quán)重和形狀分別優(yōu)化，并不是在全局范圍內(nèi)尋找局部最優(yōu) 解。
[0007] 又如，美國專利US 2013/0077751A1通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型，并將葉片移動約束加入其 中，該模型更加注重葉片移動的連續(xù)性，而相對忽視優(yōu)化的效果，且其子野形狀和子野權(quán)重 也是分別優(yōu)化的。
[000引在W上兩篇專利中，葉片的可移動位置都是離散的，其可移動位置仍受限于射束 元，故其精細(xì)調(diào)整能力將會受到很大程度上的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)本公開的一方面，一種放射治療計劃中劑量分布的確定方法包括將射束和感 興趣區(qū)域分別離散化為多個射束元和多個體素，確定每個射束元對每個體素的劑量貢獻(xiàn) 值;根據(jù)所述劑量貢獻(xiàn)值確定每個體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布；W及根據(jù)所述 連續(xù)分布計算當(dāng)前葉片位置處的劑量分布。
[0010] 根據(jù)該方面的一實(shí)施例，根據(jù)所述劑量貢獻(xiàn)值確定每個體素上的累計劑量隨射束 元的連續(xù)分布進(jìn)一步包括對每個體素，將所述每個射束元對所述體素的劑量貢獻(xiàn)值按行存 儲，所述行與葉片的移動方向平行;對每行的射束元，計算每個射束元依次疊加后，所述體 素上的累計劑量隨射束元的分布；W及使用擬合函數(shù)對所述累計劑量隨射束元的分布進(jìn)行 擬合從而得到所述體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布。所述擬合函數(shù)可為一維函數(shù)， 所述累計劑量隨射束元的連續(xù)分布可為累計劑量隨位置變化的曲線。替換地，所述擬合函 數(shù)可為二維函數(shù)，所述累計劑量隨射束元的連續(xù)分布可為累計劑量隨位置和行數(shù)變化的曲 面。
[0011] 根據(jù)該方面進(jìn)一步的實(shí)施例，在擬合得到所有體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù) 分布之后，還包括對擬合得到的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布進(jìn)行修正。根 據(jù)又一實(shí)施例，可利用插值方法對擬合得到的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布 進(jìn)行修正。根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施例，對擬合得到的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分 布進(jìn)行修正進(jìn)一步包括:建立放射治療計劃的優(yōu)化模型，利用擬合得到的每個體素上的累 計劑量隨射束元的連續(xù)分布計算所述優(yōu)化模型的初始解，根據(jù)所述初始解所在范圍對每個 體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布進(jìn)行修正。進(jìn)一步，根據(jù)所述初始解所在范圍對每 個體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布進(jìn)行修正可包括對每個體素，根據(jù)所述初始解確 定需要修正的射束元的位置范圍，利用插值方法對需要修正的射束元的位置范圍內(nèi)的累計 劑量進(jìn)行修正。
[0012] 根據(jù)本公開的另一方面，一種放射治療計劃優(yōu)化方法包括將射束和感興趣區(qū)域分 別離散化為多個射束元和多個體素，確定每個射束元對每個體素的劑量貢獻(xiàn)值;根據(jù)所述 劑量貢獻(xiàn)值確定每個體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布;建立放射治療計劃的優(yōu)化模 型；W及利用每個體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布計算所述優(yōu)化模型的最優(yōu)解，并 作為放射治療計劃的優(yōu)化結(jié)果。
[0013] 根據(jù)該方面的一實(shí)施例，根據(jù)所述劑量貢獻(xiàn)值確定每個體素上的累計劑量隨射束 元的連續(xù)分布進(jìn)一步包括對每個體素，將所述每個射束元對所述體素的劑量貢獻(xiàn)值按行存 儲，所述行與葉片的移動方向平行;對每行的射束元，計算每個射束元依次疊加后，所述體 素上的累計劑量隨射束元的分布；W及使用擬合函數(shù)對所述累計劑量隨射束元的分布進(jìn)行 擬合從而得到所述體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布。所述擬合函數(shù)可為一維函數(shù)， 所述累計劑量隨射束元的連續(xù)分布可為累計劑量隨位置變化的曲線。替換地，所述擬合函 數(shù)可為二維函數(shù)，所述累計劑量隨射束元的連續(xù)分布可為累計劑量隨位置和行數(shù)變化的曲 面。
[0014] 根據(jù)該方面的又一實(shí)施例，在擬合得到所有體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分 布之后，還包括對擬合得到的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布進(jìn)行修正。例如， 可利用插值方法對擬合得到的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布進(jìn)行修正。
[0015] 根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施例，對擬合得到的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布 進(jìn)行修正包括利用擬合得到的每個體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布計算所述優(yōu)化 模型的初始解，根據(jù)所述初始解所在范圍對每個體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布進(jìn) 行修正。
[0016] 根據(jù)該方面的又一實(shí)施例，根據(jù)所述初始解所在范圍對每個體素上的累計劑量隨 射束元的連續(xù)分布進(jìn)行修正包括對每個體素，根據(jù)所述初始解確定需要修正的射束元的位 置范圍，利用插值方法對需要修正的射束元的位置范圍內(nèi)的累計劑量進(jìn)行修正。進(jìn)一步的 實(shí)施例還可包括根據(jù)修正后的所述體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布計算最優(yōu)解情 況下的劑量分布。
[0017] 本公開還包括與上述各方面相應(yīng)的設(shè)備。
【附圖說明】
[0018] 圖1是根據(jù)本公開一實(shí)施例的射束元劑量分布的示例。
[0019] 圖2是根據(jù)本公開一實(shí)施例的射束元劑量累積分布的示例。
[0020] 圖3是根據(jù)本公開一實(shí)施例的射束元矩陣單行擬合結(jié)果的示例。
[0021] 圖4是根據(jù)本公開一實(shí)施例的對累計射束元區(qū)間進(jìn)行分段插值的結(jié)果示例。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 現(xiàn)在參照附圖描述各個方面。在W下描述中，出于解釋目的闡述了眾多具體細(xì)節(jié) W提供對一個或多個方面的透徹理解。然而，明顯的是，沒有運(yùn)些具體細(xì)節(jié)也可實(shí)踐此種 (類)方面。
[0023] 本公開設(shè)及放射治療計劃中劑量分布的確定方法及設(shè)備、放射治療計劃優(yōu)化方法 及設(shè)備。例如，本公開的各方面可W設(shè)及但不限于W下一者或多者:通過曲線擬合的方法來 構(gòu)造葉片可連續(xù)移動的優(yōu)化模型；用擬合所得的參數(shù)來代替射束元矩陣，從而大幅減小了 數(shù)據(jù)規(guī)模;用擬合的方法來確定累計劑量的連續(xù)分布，從而增強(qiáng)了優(yōu)化問題的平滑性，使得 可W收斂到理想的解，不受限于射束元的分辨率;采用解析方法來快速尋找最優(yōu)解，對于擬 合誤差采用例如插值法來修正，并可基于修正來重新優(yōu)化，兼顧了計算速度和精度。
[0024] W下給出本公開的各種具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)了解的是，本公開的具體實(shí)施例是W示 例而非限定的方式給出的，本公開的保護(hù)范圍不被限定于任何特定實(shí)施例。確切而言，本公 開所請求保護(hù)的范圍僅由權(quán)利要求書來限定。例如，本公開設(shè)及但不限于多葉準(zhǔn)直器葉片 位置連續(xù)優(yōu)化。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可理解的，本公開同樣可適應(yīng)于其他相關(guān)應(yīng)用。
[0025] 根據(jù)本公開的方面，可W將射束和感興趣區(qū)域分別離散化為多個射束元 (beamlet)和多個體素 (voxel )，確定每個射束元對每個體素的劑量貢獻(xiàn)值;并且根據(jù)所述 劑量貢獻(xiàn)值確定每個體素上的累計劑量隨射束元的連續(xù)分布。
[0026] 例如，確定每個射束元對每個體素的劑量貢獻(xiàn)值可包括計算射束元劑量矩陣?？?進(jìn)一