一種劑量分布確定和放射治療計(jì)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(jì)劃優(yōu)化方法及設(shè)備、W及放 射治療計(jì)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(gè)葉片的移動(dòng)來達(dá)成射野動(dòng)態(tài)或靜態(tài)成形。放射治療計(jì)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(shí)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(dòng)性實(shí)現(xiàn)困難。在制定逆向優(yōu)化計(jì)劃時(shí)，需 要給出每個(gè)子野形狀中MLC葉片的移動(dòng)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(shí)葉片只能定位到射束元的邊緣處，葉片移動(dòng)的最小距離為一個(gè)射束元，因此葉 片的移動(dòng)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(dòng)的最小距離過大，從 而使得葉片移動(dòng)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(huì)使射束 元的劑量矩陣數(shù)據(jù)量急劇增大，并使計(jì)算時(shí)間顯著延長。
[0005] 另外，射束元?jiǎng)┝烤仃嚨臄?shù)據(jù)量過大。在VMAT計(jì)劃優(yōu)化過程中，首先要計(jì)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(huì)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(jì)算時(shí)間。此外，計(jì)算速度慢也是現(xiàn)有技術(shù)的問題之一。在放射治療計(jì)劃的優(yōu)化 過程中，需要計(jì)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(dòng)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(jì)處 理，從而使計(jì)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(gè)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(jì)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(dòng)約束加入其 中，該模型更加注重葉片移動(dòng)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(dòng)位置都是離散的，其可移動(dòng)位置仍受限于射束 元，故其精細(xì)調(diào)整能力將會(huì)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(jì)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(gè)射束元和多個(gè)體素，確定每個(gè)射束元對每個(gè)體素的劑量貢獻(xiàn) 值;根據(jù)所述劑量貢獻(xiàn)值確定每個(gè)體素上的累計(jì)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(jì)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(gè)體素上的累計(jì)劑量隨射束 元的連續(xù)分布進(jìn)一步包括對每個(gè)體素，將所述每個(gè)射束元對所述體素的劑量貢獻(xiàn)值按行存 儲(chǔ)，所述行與葉片的移動(dòng)方向平行;對每行的射束元，計(jì)算每個(gè)射束元依次疊加后，所述體 素上的累計(jì)劑量隨射束元的分布；W及使用擬合函數(shù)對所述累計(jì)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(jì)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(jì)劑量隨射束元的連續(xù)分布可為累計(jì)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(jì)劑量隨射束元的連續(xù)分布可為累計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)劃的優(yōu)化模型，利用擬合得到的每個(gè)體素上的累 計(jì)劑量隨射束元的連續(xù)分布計(jì)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(gè) 體素上的累計(jì)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(gè)體素上的累計(jì)劑量隨射束元的連續(xù)分布進(jìn)行修正可包括對每個(gè)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(jì) 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(jì)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(gè)射束元和多個(gè)體素，確定每個(gè)射束元對每個(gè)體素的劑量貢獻(xiàn)值;根據(jù)所述 劑量貢獻(xiàn)值確定每個(gè)體素上的累計(jì)劑量隨射束元的連續(xù)分布;建立放射治療計(jì)劃的優(yōu)化模 型；W及利用每個(gè)體素上的累計(jì)劑量隨射束元的連續(xù)分布計(jì)算所述優(yōu)化模型的最優(yōu)解，并 作為放射治療計(jì)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(gè)體素上的累計(jì)劑量隨射束 元的連續(xù)分布進(jìn)一步包括對每個(gè)體素，將所述每個(gè)射束元對所述體素的劑量貢獻(xiàn)值按行存 儲(chǔ)，所述行與葉片的移動(dòng)方向平行;對每行的射束元，計(jì)算每個(gè)射束元依次疊加后，所述體 素上的累計(jì)劑量隨射束元的分布；W及使用擬合函數(shù)對所述累計(jì)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(jì)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(jì)劑量隨射束元的連續(xù)分布可為累計(jì)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(jì)劑量隨射束元的連續(xù)分布可為累計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(gè)體素上的累計(jì)劑量隨射束元的連續(xù)分布計(jì)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(gè)體素上的累計(jì)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(gè)體素上的累計(jì)劑量隨 射束元的連續(xù)分布進(jìn)行修正包括對每個(gè)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(jì)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(jì)劑量隨射束元的連續(xù)分布計(jì)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?jiǎng)┝糠植嫉氖纠?br>[0019] 圖2是根據(jù)本公開一實(shí)施例的射束元?jiǎng)┝坷鄯e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(jì)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(gè)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(gè)或多個(gè)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(jì)劃中劑量分布的確定方法及設(shè)備、放射治療計(jì)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(dòng)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(jì)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(jì)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(gè)射束元 (beamlet)和多個(gè)體素 (voxel )，確定每個(gè)射束元對每個(gè)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(gè)體素上的累計(jì)劑量隨射束元的連續(xù)分布。
[0026] 例如，確定每個(gè)射束元對每個(gè)體素的劑量貢獻(xiàn)值可包括計(jì)算射束元?jiǎng)┝烤仃?。?進(jìn)一