模擬粒子輸運(yùn)和計(jì)算放療中人體劑量的方法、裝置及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及放射治療技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種模擬粒子輸運(yùn)的方法及裝置、一種計(jì)算放射治療中人體劑量的方法及一種放射治療系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在放射治療技術(shù)領(lǐng)域中，人體組織劑量分布的計(jì)算方法大致可以分為兩大類:半經(jīng)驗(yàn)解析方法及蒙特卡羅方法。
[0003]半經(jīng)驗(yàn)解析方法包括基于離軸比(OAR，Off Axis Rat1)經(jīng)驗(yàn)公式的方法，以及基于筆束核(Pencil Beam Kernel)和點(diǎn)核(Point Kernel)的卷積 / 疊加(Convolut1n/Superposit1n)方法等。但是半經(jīng)驗(yàn)解析方法的精確度有限。
[0004]而蒙特卡羅方法，因?yàn)槠涮幚韽?fù)雜問題(復(fù)雜幾何、復(fù)雜的放射源布置等)的能力而成為一種不可替代的方法。蒙特卡羅方法可以精確地對(duì)放射治療過程所涉及到的物理過程進(jìn)行建模，而使用較少的近似。蒙特卡羅方法的最大不足之處在于計(jì)算強(qiáng)度較大，耗時(shí)較長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明技術(shù)方案所解決的技術(shù)問題為，如何提高對(duì)放射治療過程所涉及粒子輸運(yùn)過程的模擬效率。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明技術(shù)方案提供了一種模擬粒子輸運(yùn)的方法，適于模擬粒子在柵元中的能量分布，包括:
[0007]估算所需入射總粒子數(shù)，產(chǎn)生入射粒子并分批輸入；
[0008]記錄所輸入粒子的輸運(yùn)徑跡；
[0009]基于每批次運(yùn)行粒子的徑跡計(jì)算每個(gè)柵元的不確定度，若柵元的不確定度不超過第一閾值，則該柵元為達(dá)標(biāo)柵元；
[0010]獲取感興趣區(qū)域中柵元的達(dá)標(biāo)率，所述感興趣區(qū)域至少包括一個(gè)柵元，所述感興趣區(qū)域的達(dá)標(biāo)率為該區(qū)域中達(dá)標(biāo)柵元占該區(qū)域所有柵元的比例；
[0011]若所述感興趣區(qū)域中柵元的達(dá)標(biāo)率超過第二閾值，則停止繼續(xù)輸入粒子，并輸出歷史輸入粒子的輸運(yùn)徑跡，否則繼續(xù)輸入粒子，直到總粒子數(shù)運(yùn)行完畢。
[0012]可選的，分批輸入的每一批入射粒子的能量接近，或類型相同，或能量接近并且類型相同。
[0013]可選的，所述分批輸入包括:
[0014]根據(jù)所述入射粒子的類型不同交錯(cuò)地分批輸入。
[0015]可選的，所述輸運(yùn)徑跡包括:入射粒子的能量信息、速度信息及其他徑跡信息，所述速度信息包括所述入射粒子的入射方向信息，所述記錄所入射粒子的輸運(yùn)徑跡包括:
[0016]若入射粒子與已記錄粒子的能量信息與入射方向信息接近，則將該已記錄粒子的輸運(yùn)徑跡賦值為該入射粒子的輸運(yùn)徑跡。
[0017]可選的，所述其他徑跡信息包括:所述入射粒子的類型信息、入射位置信息、權(quán)重信息及所經(jīng)柵元信息；
[0018]所述所經(jīng)柵元信息包括:所經(jīng)柵元的能量分布以及不確定度。
[0019]可選的，所述方法還包括:當(dāng)每一批粒子輸入時(shí):
[0020]若其中一個(gè)粒子從第一重要性柵元進(jìn)入第二重要性柵元，則所進(jìn)入的粒子以第一概率進(jìn)行分裂，分裂后的粒子降低權(quán)重以使該批粒子的總權(quán)重不變，所述第一重要性柵元的重要性低于第二重要性柵元的重要性；
[0021]若其中一個(gè)粒子從第三重要性柵元進(jìn)入第四重要性柵元，則所進(jìn)入的粒子中以第二概率被殺死，未被殺死的粒子增加權(quán)重以使該批粒子的總權(quán)重不變，所述第三重要性柵元的重要性高于第四重要性柵元的重要性。
[0022]可選的，所述第一概率為第一重要性柵元與第二重要性柵元的重要性比值，所述第二概率為第四重要性柵元與第三重要性柵元的重要性比值。
[0023]可選的，所述重要性柵元的重要性為預(yù)先手動(dòng)設(shè)定，或根據(jù)柵元信息自動(dòng)設(shè)定；所述柵元信息包括柵元的不確定度，或者柵元的物理屬性。
[0024]可選的，所述方法還包括:
[0025]基于歷史輸入粒子的輸運(yùn)徑跡對(duì)入射粒子的劑量分布的不確定度做動(dòng)態(tài)降噪處理。
[0026]可選的，所述動(dòng)態(tài)降噪處理通過如下方式實(shí)現(xiàn):
[0027]得到所述柵元中粒子的三維的劑量分布和不確定度；
[0028]對(duì)所述三維的劑量分布進(jìn)行濾波處理，以使所述劑量分布在三個(gè)維度上連續(xù)可寸；
[0029]重新計(jì)算得到所述劑量分布對(duì)應(yīng)的不確定度。
[0030]可選的，所述方法還包括:導(dǎo)入幾何模型，所述幾何模型包括:模擬對(duì)象的柵元、物理材料、柵元權(quán)重或/和幾何虛擬截面，其中，所述幾何虛擬截面適于定義所述柵元對(duì)應(yīng)物理材料，以使所述柵元指向的模擬對(duì)象具有均勻化材料，所輸入粒子的輸運(yùn)徑跡與所述幾何虛擬截面有關(guān)。
[0031]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明技術(shù)方案還提供了一種計(jì)算放射治療中人體劑量的方法，包括:根據(jù)如上所述的模擬粒子輸運(yùn)的方法獲得的粒子在柵元中的能量分布以計(jì)算放射治療中的人體劑量。
[0032]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明技術(shù)方案還提供了一種模擬粒子輸運(yùn)的裝置，適于模擬粒子在柵元中的能量分布，包括:源處理模塊、輸運(yùn)處理模塊、噪聲處理模塊及輸出豐吳塊；
[0033]所述源處理模塊，適于估算所需入射總粒子數(shù)、產(chǎn)生入射粒子并分批輸入；
[0034]所述輸運(yùn)處理模塊，適于記錄所輸入粒子的輸運(yùn)徑跡；
[0035]所述噪聲處理模塊，適于實(shí)現(xiàn)如下步驟:
[0036]基于每批次運(yùn)行粒子的徑跡計(jì)算每個(gè)柵元的不確定度，若柵元的不確定度不超過第一閾值，則該柵元為達(dá)標(biāo)柵元；
[0037]獲取感興趣區(qū)域的達(dá)標(biāo)率，所述感興趣區(qū)域至少包括一個(gè)柵元，所述感興趣區(qū)域的達(dá)標(biāo)率為該區(qū)域達(dá)標(biāo)柵元占該區(qū)域所有柵元的比例；
[0038]若所述感興趣區(qū)域中柵元的達(dá)標(biāo)率超過第二閾值，則停止繼續(xù)輸入粒子，并通過所述輸出模塊輸出歷史輸入粒子的輸運(yùn)徑跡，否則使繼續(xù)輸入粒子，直到總粒子數(shù)運(yùn)行完畢。
[0039]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明技術(shù)方案還提供了一種放射治療系統(tǒng)，包括:
[0040]如上所述的模擬粒子輸運(yùn)的裝置，適于模擬粒子在柵元中的能量分布；
[0041]計(jì)算人體劑量的裝置，適于根據(jù)所述模擬粒子輸運(yùn)的裝置獲得的粒子在柵元中的能量分布計(jì)算放射治療中的人體劑量。
[0042]上本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果至少包括:
[0043]本發(fā)明技術(shù)方案估算所需入射的總粒子數(shù)，通過用戶對(duì)不確定度的要求，估算出具體模體內(nèi)需要輸運(yùn)的總粒子數(shù)，作為總的計(jì)算目標(biāo)，在能夠在達(dá)到用戶目標(biāo)的情況下，減少不必要的粒子輸運(yùn)，并在一些無法截?cái)嗟那闆r下，減少輸運(yùn)粒子數(shù)，提高模擬效率。
[0044]本發(fā)明技術(shù)方案能夠提高放射治療過程中模擬粒子輸運(yùn)的速度，通過對(duì)運(yùn)行粒子不確定度的處理和評(píng)估，可快速達(dá)到計(jì)算目標(biāo)，并在達(dá)到目標(biāo)后對(duì)模擬過程進(jìn)行截止，從而在減少了計(jì)算用時(shí)的同時(shí)達(dá)到用戶對(duì)不確定度的要求，大大提高模擬效率。
[0045]本發(fā)明技術(shù)方案在感興趣區(qū)域，可以根據(jù)運(yùn)行粒子的不確定度動(dòng)態(tài)地調(diào)整抽樣的粒子數(shù)，能夠在保證全局不確定度均衡的前提下對(duì)粒子進(jìn)行分批輸運(yùn)，可減少粒子抽樣，減少不必要的粒子輸運(yùn)，節(jié)約了大量計(jì)算用時(shí)。
[0046]在本發(fā)明技術(shù)方案的可選方案中，還采用了粒子全同化并行處理的技術(shù)手段，對(duì)入射粒子進(jìn)行分類分別處理；本發(fā)明技術(shù)方案對(duì)入射粒子按能量與類型進(jìn)行分類，并將能量接近和類型相同的粒子作為同一批次，可有利于并行計(jì)算單元在接近的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算，從而加快并行計(jì)算的模擬速度。
[0047]在本發(fā)明技術(shù)方案的可選方案中，還在每批粒子的模擬后對(duì)粒子的劑量分布和不確定度進(jìn)行濾波處理，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)降噪，提高不確定度的均衡性，使所有感興趣區(qū)域的計(jì)算點(diǎn)的不確定度降到可接受范圍。
[0048]在本發(fā)明技術(shù)方案的可選方案中，還增加了入射粒子的均勻性，對(duì)入射粒子的方向進(jìn)行均勻化處理，降低源入射粒子的不確定度，從而有利于粒子動(dòng)態(tài)降噪。
[0049]在本發(fā)明技術(shù)方案的可選方案中，還在粒子的輸運(yùn)過程中，對(duì)其模擬過程中的虛碰撞反應(yīng)(虛擬反應(yīng))與真實(shí)物理反應(yīng)(真實(shí)反應(yīng))進(jìn)行了區(qū)別抽樣，對(duì)虛擬反應(yīng)下的粒子僅抽樣輸運(yùn)程度而不重新抽樣粒子方向及能量，僅在真實(shí)反應(yīng)下才重新對(duì)粒子方向及能量進(jìn)行抽樣，從而減少總體粒子的抽樣數(shù)目。本發(fā)明技術(shù)方案采用了如下方式減少總體粒子的抽樣數(shù)目:對(duì)虛擬截面減少粒子輸運(yùn)過程中發(fā)生能量抽樣和方向抽樣數(shù)目；對(duì)相同的入射粒子的徑跡進(jìn)行直接復(fù)制，避免重復(fù)抽樣；對(duì)粒子進(jìn)行能量截?cái)嘁詼p少低能粒子的輸運(yùn)；對(duì)粒子進(jìn)行權(quán)截?cái)嘁詼p少重要性低的粒子的輸運(yùn)。
【附圖說明】
[0050]圖1為本發(fā)明技術(shù)方案提供的一種模擬粒子輸運(yùn)的方法流程示意圖；
[0051]圖2為本發(fā)明技術(shù)方案提供的另一種模擬粒子輸運(yùn)的方法流程示意圖；
[0052]圖3為本發(fā)明技術(shù)方案提供的又一種模擬粒子輸運(yùn)的方法流程示意圖；
[0053]圖4為本發(fā)明技術(shù)方案涉及的粒子在輸運(yùn)過程中發(fā)生截面反應(yīng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0054]在放射治療領(lǐng)域中，關(guān)注并需要模擬各類治療機(jī)產(chǎn)生的射線束，比如加速器產(chǎn)生的高能電子束、質(zhì)子束、重離子和光子束、鈷-60 (Co)光子束以及X射線治療機(jī)產(chǎn)生的X線束等。模擬治療機(jī)產(chǎn)生的射線束主要輸出的是粒子的模擬信息，可記錄所有粒子到達(dá)或穿過用戶所定義的