一种剂量分布确定和放射治疗计划优化的方法及设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本申请一般设及放射治疗领域，尤其设及放射治疗计划优化方法及设备、W及放 射治疗计划中剂量分布的确定方法及设备。
【背景技术】
[0002] 多叶准直器(MLC)是用来产生适合形状的福射野的设备，其广泛应用于医学领域。 多叶准直器通常通过每个叶片的移动来达成射野动态或静态成形。放射治疗计划优化中实 现多叶准直器的功能的关键包括了子野形状和强度的确定。
[0003] 现有技术中，在确定子野形状和强度时存在W下挑战。
[0004] 放射治疗优化问题中叶片的可连续移动性实现困难。在制定逆向优化计划时，需 要给出每个子野形状中MLC叶片的移动位置，通常通过拼凑一些射束元(beamlet)剂量矩阵 来实现。运时叶片只能定位到射束元的边缘处，叶片移动的最小距离为一个射束元，因此叶 片的移动连续性被射束元的分辨率所限制;分辨率过低，导致叶片移动的最小距离过大，从 而使得叶片移动位置的可调节性降低，达不到预期的优化效果;而分辨率过高，则会使射束 元的剂量矩阵数据量急剧增大，并使计算时间显著延长。
[0005] 另外，射束元剂量矩阵的数据量过大。在VMAT计划优化过程中，首先要计算射束元 剂量矩阵，用来存放该射束元射束元附近采样点或称体素(voxel)的剂量沉积情况(cGy/ MU)。在一些多器官病例中为了较好的控制各器官上的剂量分布，体素的数目选取比较多， 运就使得即使在射束元的分辨率较低的情况下也会产生大量数据，导致消耗大量的内存资 源，并占用计算时间。此外，计算速度慢也是现有技术的问题之一。在放射治疗计划的优化 过程中，需要计算当前的体素上的剂量分布情况，并根据当前剂量分布情况，来确定下一步 的叶片移动方向；每次更新剂量分布情况或者改变叶片位置都需要对子野剂量做累计处 理，从而使计算量增大，降低优化速度。
[0006] 例如，Jiang、Men和Jia于2011年在专利申请号为US 13/695,015的美国专利申请 中提到，可利用列生成（column generation)方法，在两个问题中分别求解子野形状和强 度。该方法对于求解大规模优化问题具有一定效果，但该方法变量空间大，消耗较多计算机 资源，并且在优化过程中将子野权重和形状分别优化，并不是在全局范围内寻找局部最优 解。
[0007] 又如，美国专利US 2013/0077751A1通过构建网络模型，并将叶片移动约束加入其 中，该模型更加注重叶片移动的连续性，而相对忽视优化的效果，且其子野形状和子野权重 也是分别优化的。
[000引在W上两篇专利中，叶片的可移动位置都是离散的，其可移动位置仍受限于射束 元，故其精细调整能力将会受到很大程度上的限制。
【发明内容】
[0009]根据本公开的一方面，一种放射治疗计划中剂量分布的确定方法包括将射束和感 兴趣区域分别离散化为多个射束元和多个体素，确定每个射束元对每个体素的剂量贡献 值;根据所述剂量贡献值确定每个体素上的累计剂量随射束元的连续分布；W及根据所述 连续分布计算当前叶片位置处的剂量分布。
[0010] 根据该方面的一实施例，根据所述剂量贡献值确定每个体素上的累计剂量随射束 元的连续分布进一步包括对每个体素，将所述每个射束元对所述体素的剂量贡献值按行存 储，所述行与叶片的移动方向平行;对每行的射束元，计算每个射束元依次叠加后，所述体 素上的累计剂量随射束元的分布；W及使用拟合函数对所述累计剂量随射束元的分布进行 拟合从而得到所述体素上的累计剂量随射束元的连续分布。所述拟合函数可为一维函数， 所述累计剂量随射束元的连续分布可为累计剂量随位置变化的曲线。替换地，所述拟合函 数可为二维函数，所述累计剂量随射束元的连续分布可为累计剂量随位置和行数变化的曲 面。
[0011] 根据该方面进一步的实施例，在拟合得到所有体素上的累计剂量随射束元的连续 分布之后，还包括对拟合得到的所述体素上的累计剂量随射束元的连续分布进行修正。根 据又一实施例，可利用插值方法对拟合得到的所述体素上的累计剂量随射束元的连续分布 进行修正。根据进一步的实施例，对拟合得到的所述体素上的累计剂量随射束元的连续分 布进行修正进一步包括:建立放射治疗计划的优化模型，利用拟合得到的每个体素上的累 计剂量随射束元的连续分布计算所述优化模型的初始解，根据所述初始解所在范围对每个 体素上的累计剂量随射束元的连续分布进行修正。进一步，根据所述初始解所在范围对每 个体素上的累计剂量随射束元的连续分布进行修正可包括对每个体素，根据所述初始解确 定需要修正的射束元的位置范围，利用插值方法对需要修正的射束元的位置范围内的累计 剂量进行修正。
[0012] 根据本公开的另一方面，一种放射治疗计划优化方法包括将射束和感兴趣区域分 别离散化为多个射束元和多个体素，确定每个射束元对每个体素的剂量贡献值;根据所述 剂量贡献值确定每个体素上的累计剂量随射束元的连续分布;建立放射治疗计划的优化模 型；W及利用每个体素上的累计剂量随射束元的连续分布计算所述优化模型的最优解，并 作为放射治疗计划的优化结果。
[0013] 根据该方面的一实施例，根据所述剂量贡献值确定每个体素上的累计剂量随射束 元的连续分布进一步包括对每个体素，将所述每个射束元对所述体素的剂量贡献值按行存 储，所述行与叶片的移动方向平行;对每行的射束元，计算每个射束元依次叠加后，所述体 素上的累计剂量随射束元的分布；W及使用拟合函数对所述累计剂量随射束元的分布进行 拟合从而得到所述体素上的累计剂量随射束元的连续分布。所述拟合函数可为一维函数， 所述累计剂量随射束元的连续分布可为累计剂量随位置变化的曲线。替换地，所述拟合函 数可为二维函数，所述累计剂量随射束元的连续分布可为累计剂量随位置和行数变化的曲 面。
[0014] 根据该方面的又一实施例，在拟合得到所有体素上的累计剂量随射束元的连续分 布之后，还包括对拟合得到的所述体素上的累计剂量随射束元的连续分布进行修正。例如， 可利用插值方法对拟合得到的所述体素上的累计剂量随射束元的连续分布进行修正。
[0015] 根据进一步的实施例，对拟合得到的所述体素上的累计剂量随射束元的连续分布 进行修正包括利用拟合得到的每个体素上的累计剂量随射束元的连续分布计算所述优化 模型的初始解，根据所述初始解所在范围对每个体素上的累计剂量随射束元的连续分布进 行修正。
[0016] 根据该方面的又一实施例，根据所述初始解所在范围对每个体素上的累计剂量随 射束元的连续分布进行修正包括对每个体素，根据所述初始解确定需要修正的射束元的位 置范围，利用插值方法对需要修正的射束元的位置范围内的累计剂量进行修正。进一步的 实施例还可包括根据修正后的所述体素上的累计剂量随射束元的连续分布计算最优解情 况下的剂量分布。
[0017] 本公开还包括与上述各方面相应的设备。
【附图说明】
[0018] 图1是根据本公开一实施例的射束元剂量分布的示例。
[0019] 图2是根据本公开一实施例的射束元剂量累积分布的示例。
[0020] 图3是根据本公开一实施例的射束元矩阵单行拟合结果的示例。
[0021] 图4是根据本公开一实施例的对累计射束元区间进行分段插值的结果示例。
【具体实施方式】
[0022] 现在参照附图描述各个方面。在W下描述中，出于解释目的阐述了众多具体细节 W提供对一个或多个方面的透彻理解。然而，明显的是，没有运些具体细节也可实践此种 (类)方面。
[0023] 本公开设及放射治疗计划中剂量分布的确定方法及设备、放射治疗计划优化方法 及设备。例如，本公开的各方面可W设及但不限于W下一者或多者:通过曲线拟合的方法来 构造叶片可连续移动的优化模型；用拟合所得的参数来代替射束元矩阵，从而大幅减小了 数据规模;用拟合的方法来确定累计剂量的连续分布，从而增强了优化问题的平滑性，使得 可W收敛到理想的解，不受限于射束元的分辨率;采用解析方法来快速寻找最优解，对于拟 合误差采用例如插值法来修正，并可基于修正来重新优化，兼顾了计算速度和精度。
[0024] W下给出本公开的各种具体实施例。应当了解的是，本公开的具体实施例是W示 例而非限定的方式给出的，本公开的保护范围不被限定于任何特定实施例。确切而言，本公 开所请求保护的范围仅由权利要求书来限定。例如，本公开设及但不限于多叶准直器叶片 位置连续优化。如本领域普通技术人员可理解的，本公开同样可适应于其他相关应用。
[0025] 根据本公开的方面，可W将射束和感兴趣区域分别离散化为多个射束元 (beamlet)和多个体素 (voxel )，确定每个射束元对每个体素的剂量贡献值;并且根据所述 剂量贡献值确定每个体素上的累计剂量随射束元的连续分布。
[0026] 例如，确定每个射束元对每个体素的剂量贡献值可包括计算射束元剂量矩阵。可 进一