一种基于正交双层光栅区域缩小的动态调强方法及装置与流程

1.本发明属于放射治疗技术领域，具体涉及一种基于正交双层光栅区域缩小的动态调强方法及装置。


背景技术：

2.对肿瘤靶区进行放射治疗时，为了达到更好的治疗效果，目前一般使用多叶准直器(multi
‑
leaf collimator，mlc)来调整射束照射范围和强度的大小，实现射野束流强度可调的放射治疗，即调强放射治疗(intensity modulated radiotherapy，imrt)。
3.mlc的应用替代传统三维适形放射治疗中的挡块，形成期望的照射野形状。通常mlc由两组紧密排列的叶片组成，每个叶片都由钨合金制成，呈长条状，由一个小型电机驱动。与射野挡块相比，mlc适形具有以下显著优势：
4.1)缩短了治疗时间，也缩短了模拟定位和治疗之间的时间间隔，大幅提高了放射治疗的效率；2)对放射线的衰减能力比挡块强；3)操作简便安全，不用搬动笨重的挡块；4)可重复使用；5)不会产生有害气体或粉尘；6)能灵活应对靶区的变化和纠正错误。
5.采用两组mlc正交放置组成正交双层光栅，可以在靶区边缘位置由上下两层对应的叶片互相配合来实现mlc形状与靶区边界的一致性，更好的提高射野与靶区的适形性；同时上下两层叶片交错，可以避免叶片间的漏射射线，使得射线的透漏射大大减少，提高计划效果；并且叠加的叶片，使得穿透叶片准直器射线衰减到安全的范围，提高了设备的使用效率，降低了医疗成本和患者的负担；同时，由于上下两层叶片相互垂直，可在互相垂直的两个方向运动，有助于实行运动靶区的动态跟随。
6.目前关于mlc动态调强分割算法主要是sliding window的动态滑窗扫描分割技术，针对上下两层或多层相互交叉的光栅组合，sliding window动态滑窗扫描分割技术无法兼顾两层或多层光栅叶片的运动。
7.然而现有的关于mlc动态调强分割算法具有以下缺点：
8.1.动态滑窗扫描分割技术使光栅叶片沿一个方向运动，由于成对闭合叶片间始终留有间隙，存在大约20％
‑
30％的叶片端面透射，无法针对内凹型和环形等复杂靶区进行精准地分割，造成靶区外剂量整体偏高，危及器官的高剂量以及计划靶区的适形度偏低，计划效果达不到要求。
9.2.动态滑窗扫描分割技术的效率有时候会受靶区形状的影响，需要增加额外的机头转动，对机床设计有一定的要求。
10.3.动态滑窗扫描分割技术受叶片厚度的限制无法更好的满足靶区的适形度要求，往往对mlc叶片厚度提出更严苛的要求。
11.4.动态滑窗扫描分割技术只考虑了一对叶片沿一个方向的运动情况，针对上下两层正交叶片无法实现其运动轨迹的规划。


技术实现要素：

12.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于正交双层光栅区域缩小的动态调强方法及装置。
13.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
14.一方面，本发明公开一种基于正交双层光栅区域缩小的动态调强方法，具体包括以下步骤：
15.s1：通过放疗计划系统tps计算出每个射野下的射线通量强度分布，在等中心平面上任意一点其射线通量强度值记为intensitymap(x,y)，按分割步长对intensitymap(x,y)进行插值得到分割用的通量强度图i(x,y)，初始化第一轮通量强度图i(x,y)＝i0(x,y)；
16.s2：取出通量强度图i(x,y)中的最大值i
max
，对其进行n等分，得到分割步长δi＝i
max
/n；
17.s3：按分割步长依次取进行通量分割，完成所有通量强度分级下的分割操作；
18.s4：将所有通量强度分级下的叶片位置按通量强度分级次序进行排序，并对超过最大速度限制的叶片进行修正；
19.s5：根据修正后的叶片序列得到分割通量强度图i
delivery
(x,y)和残余通量强度图i
delta
(x,y)，i
delta
(x,y)＝i(x,y)
‑
i
delivery
(x,y)；
20.若|i
delta
(x,y)|/|i0(x,y)|<ε，则分割结束；
21.若|i
delta
(x,y)|/|i0(x,y)|≥ε，则将残余通量强度图i
delta
(x,y)作为下一轮的分割通量强度图，重复s2
‑
s5；
22.其中：ε为允许分割精度。
23.在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：
24.作为优选的方案，s2中，在加速器剂量率doseratio已知的情况下，分割步长所对应时间步长为δt＝δi/doseratio。
25.作为优选的方案，s4中，对超过最大速度限制的叶片进行修正，具体包括以下步骤：
26.求出在给定的分级下叶片位置的最大运动步长为x
max
＝v
max
·
δt，取其中任一叶片的位置序列，依照分割步长累计的位置结果为x0,x1,x2…
x
n
，进行如下操作：
27.以x
n
为第一个值，依次判断abs(x
i
‑
x
i
‑1)>x
max
是否成立，直至完成所有叶片的最大速度限制修正；
28.若成立，则x
i
‑1＝x
i
‑
(x
i
‑
x
i
‑1)/abs(x
i
‑
x
i
‑1)
·
x
max
；
29.若不成立，则x
i
‑1＝x
i
‑1；
30.其中：x
i
为第i个累计的位置结果；
31.x
i
‑1为第i
‑
1个累计的位置结果。
32.作为优选的方案，s3具体包括以下步骤：
33.s301：将通量强度图矩阵i(x,y)转化为(0,1)矩阵，找出所有为1的连通区域；
34.s302：分别计算所有连通区域的面积以及通量强度图i(x,y)中该区域的通量体积；
35.s303：对所有连通区域按通量体积大小进行从大到小的优先级排序，通量体积大小相等的，面积小的区域优先级排在前面；
36.s304：根据区域合并原则按优先级顺序选择有效区域s
effect
作为该分割步长下的子野形状；
37.s305：求解有效区域s
effect
对应的叶片位置；
38.s306：将通量强度图i(x,y)减去有效区域s
effect
以外的强度值，再减去该步长下叶片形成的子野所产生的通量，得到的通量强度矩阵结果作为下一轮分割的通量强度图i(x,y)，重复s301
‑
s306，直至完成所有通量强度分级下的分割操作。
39.作为优选的方案，s301中，将通量强度图矩阵i(x,y)转化为(0,1)矩阵，具体为，将通量强度图中大于0的值赋为1，小于等于0的值赋为0。
40.作为优选的方案，s304中，根据区域合并原则按优先级顺序选择有效区域s
effect
作为该分割步长下的子野形状，具体包括以下内容：
41.确定优先级最高的连通区域作为有效区域s
effect
；
42.根据在正交双层光栅分割模式下的区域合并原则依次判断下一个优先级的区域是否可以进行同时分割；
43.若能够同时分割，则将该次优先级连通区域与有效区域合并为新的有效区域s
effect
；
44.若不能够同时分割，则有效区域不变。
45.作为优选的方案，s305中，求解有效区域s
effect
对应的叶片位置，具体包括以下步骤：
46.1)确定有效等值线每个点对应的叶片位置，得到所有叶片位置的解集；
47.2)依次判断所有叶片位置解集；
48.若解集为空，则该对叶片闭合在叶片上一时刻该叶片对的中间位置；
49.若解集不为空，则对叶片位置进行局部寻优，在每个叶片交叠区域找到最合适的一个叶片位置；
50.3)确定所有叶片的可能位置，对叶片位置解集中的值进行排列组合，得到所有可能形成子野形状，对比叶片形成的子野形状和有效等值线形成的子野形状，选择子野形状精度最高的叶片组合作为该步最终的叶片位置。
51.另一方面，本发明还公开一种基于正交双层光栅区域缩小的动态调强装置，利用上述任一种动态调强方法进行操作。
52.另一方面，本发明还公开一种计算设备，包括：
53.一个或多个处理器；
54.存储器；
55.以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在存储器中并被配置为由一个或多个处理器执行，一个或多个程序包括用于实现上述任一种动态调强方法的指令。
56.另一方面，本发明还公开一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令适于由存储器加载并执行上述任一种动态调强方法。
57.本发明一种基于正交双层光栅区域缩小的动态调强方法及装置具有以下有益成果：
58.第一，降低了计划靶区外的剂量强度：通过上下层光栅的交叉遮挡，更好的降低了光栅透漏射，使得计划靶区外的剂量大幅降低。
59.第二，增强了对危机器官的保护：采用双层光栅上下层配合进行，对危机器官进行更好的遮挡和保护，避免出现高剂量。
60.第三，提高靶区的适形度：采用正交双层光栅能够从两个方向对靶区轮廓进行适形，提高靶区适形度。
61.第四，实现多靶区的强度分割：通过区域合并原则实现对多靶区同时分割的判断，实现多靶区的同时分割。
62.第五，运动靶区的二维动态跟踪治疗：采用一对正交叶片对靶区进行分割，能够实现对运动靶区的二维动态跟踪治疗。
63.第六，提高多叶准直器mlc的使用寿命：光栅叶片从两侧向中心运动或者从中心往两侧运动，可以减少光栅叶片的走位行程，进而提高mlc的使用寿命。
附图说明
64.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
65.图1为本发明实施例提供的动态调强方法流程图。
66.图2为本发明实施例提供的tps优化后得到的鼻咽癌射野通量强度图。
67.图3为本发明实施例提供的通量强度图转化为[0,1]矩阵后搜索连通区域的示意图。
[0068]
图4为本发明实施例提供的求解有效区域seffect对应叶片位置的流程图。
[0069]
图5为本发明实施例提供的采用正交双层光栅进行区域缩小后得到的分割通量图。
具体实施方式
[0070]
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
[0071]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0072]
为了达到本发明的目的，一种基于正交双层光栅区域缩小的动态调强方法及装置的其中一些实施例中，如图1所示，动态调强方法具体包括以下步骤：
[0073]
s1：通过放疗计划系统tps计算出每个射野下的射线通量强度分布，在等中心平面上任意一点其射线通量强度值记为intensitymap(x,y)，按分割步长对intensitymap(x,y)进行插值得到分割用的通量强度图i(x,y)，初始化第一轮通量强度图i(x,y)＝i0(x,y)；
[0074]
s2：取出通量强度图i(x,y)中的最大值i
max
，对其进行n等分，得到分割步长δi＝i
max
/n；
[0075]
s3：按分割步长依次取进行通量分割，完成所有通量强度分级下的分割操作；
[0076]
s4：将所有通量强度分级下的叶片位置按通量强度分级次序进行排序，并对超过
最大速度限制的叶片进行修正，即叶片的运动速度不应大于v
max
；
[0077]
s5：根据修正后的叶片序列得到分割通量强度图i
delivery
(x,y)和残余通量强度图i
delta
(x,y)，i
delta
(x,y)＝i(x,y)
‑
i
delivery
(x,y)；
[0078]
若|i
delta
(x,y)|/|i0(x,y)|<ε，则分割结束；
[0079]
若|i
delta
(x,y)|/|i0(x,y)|≥ε，则将残余通量强度图i
delta
(x,y)作为下一轮的分割通量强度图，重复s2
‑
s5；
[0080]
其中：ε为允许分割精度。
[0081]
值得注意的是：s1中，在等中心平面内射野范围内，通量强度值可以表示为一个曲面，如图2所示。
[0082]
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，s2中，在加速器剂量率doseratio已知的情况下，分割步长所对应时间步长为δt＝δi/doseratio。
[0083]
进一步，s4中，对超过最大速度限制的叶片进行修正，具体包括以下步骤：
[0084]
求出在给定的分级下叶片位置的最大运动步长为x
max
＝v
max
·
δt，取其中任一叶片的位置序列，依照分割步长累计的位置结果为x0,x1,x2…
x
n
，进行如下操作：
[0085]
以x
n
为第一个值，依次判断abs(x
i
‑
x
i
‑1)>x
max
是否成立，直至完成所有叶片的最大速度限制修正；
[0086]
若成立，则x
i
‑1＝x
i
‑
(x
i
‑
x
i
‑1)/abs(x
i
‑
x
i
‑1)
·
x
max
；
[0087]
若不成立，则x
i
‑1＝x
i
‑1；
[0088]
其中：x
i
为第i个累计的位置结果；
[0089]
x
i
‑1为第i
‑
1个累计的位置结果。
[0090]
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，s3具体包括以下步骤：
[0091]
s301：将通量强度图矩阵i(x,y)转化为(0,1)矩阵，找出所有为1的连通区域s1,s2,
…
,sn，如图3所示；
[0092]
s302：分别计算所有连通区域的面积以及通量强度图i(x,y)中该区域的通量体积；
[0093]
s303：对所有连通区域按通量体积大小进行从大到小的优先级排序，通量体积大小相等的，面积小的区域优先级排在前面；
[0094]
s304：根据区域合并原则按优先级顺序选择有效区域s
effect
作为该分割步长下的子野形状；
[0095]
s305：求解有效区域s
effect
对应的叶片位置；
[0096]
s306：将通量强度图i(x,y)减去有效区域s
effect
以外的强度值，再减去该步长下叶片形成的子野所产生的通量，得到的通量强度矩阵结果作为下一轮分割的通量强度图i(x,y)，重复s301
‑
s306，直至完成所有通量强度分级下的分割操作。
[0097]
进一步，s301中，将通量强度图矩阵i(x,y)转化为(0,1)矩阵，具体为，将通量强度图中大于0的值赋为1，小于等于0的值赋为0。
[0098]
进一步，如图4所示，s304中，根据区域合并原则按优先级顺序选择有效区域s
effect
作为该分割步长下的子野形状，具体包括以下内容：
[0099]
确定优先级最高的连通区域作为有效区域s
effect
；
[0100]
根据在正交双层光栅分割模式下的区域合并原则依次判断下一个优先级的区域是否可以进行同时分割，即次优先级的连通区域边界上任意点的所在的行和列不同时与有效区域上的任一点共用；
[0101]
若能够同时分割，则将该次优先级连通区域与有效区域合并为新的有效区域s
effect
；
[0102]
若不能够同时分割，则有效区域不变。
[0103]
进一步，s305中，求解有效区域s
effect
对应的叶片位置，具体包括以下步骤：
[0104]
1)确定有效等值线每个点对应的叶片位置，得到所有叶片位置的解集；
[0105]
2)依次判断所有叶片位置解集；
[0106]
若解集为空，则该对叶片闭合在叶片上一时刻该叶片对的中间位置；
[0107]
若解集不为空，则对叶片位置进行局部寻优，在每个叶片交叠区域找到最合适的一个叶片位置；
[0108]
3)确定所有叶片的可能位置，对叶片位置解集中的值进行排列组合，得到所有可能形成子野形状，对比叶片形成的子野形状和有效等值线形成的子野形状，选择子野形状精度最高的叶片组合作为该步最终的叶片位置。
[0109]
本发明实施例还公开一种基于正交双层光栅区域缩小的动态调强装置，利用上述任一实施例公开的动态调强方法进行操作。
[0110]
本发明实施例还公开一种计算设备，包括：
[0111]
一个或多个处理器；
[0112]
存储器；
[0113]
以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在存储器中并被配置为由一个或多个处理器执行，一个或多个程序包括用于实现上述任一实施例公开的动态调强方法的指令。
[0114]
本发明实施例还公开一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令适于由存储器加载并执行上述任一实施例公开的动态调强方法。
[0115]
为了说明本发明的具体实施过程，针对一个鼻咽癌病例进行说明，具体过程如下：
[0116]
s1：通过放疗计划系统tps计算出每个射野下的射线通量强度分布，如图2所示，是一个鼻咽癌射野通量强度在等中心平面的三维视图，其中高度方向表示通量强度值的大小，在等中心平面上其射线通量强度值记为intensitymap(x,y)，进行分割前，按分割步长对intensitymap(x,y)进行插值得到分割用的通量强度图i(x,y)，初始化第一轮通量强度图i(x,y)＝i0(x,y)。
[0117]
s2：取通量强度图i(x,y)的最大值i
max
，对其进行n等分，得到分割步长δi＝i
max
/n，在已知剂量率为doseratio，分割步长所对应时间步长为δt＝δi/doseratio。
[0118]
s3：按分割步长依次取进行通量分割，完成所有通量强度分级下的分割操作；
[0119]
s301：将通量强度图矩阵i(x,y)转化为(0,1)矩阵，找出所有为1的连通区域s1,s2,
…
,sn；
[0120]
s302：分别计算所有连通区域的面积以及通量强度图i(x,y)中该区域的通量体积；
[0121]
s303：对所有连通区域按通量体积大小进行从大到小的优先级排序；
[0122]
s304：根据区域合并原则按优先级顺序选择有效区域s
effect
，并作为该步长下的子野形状；
[0123]
s305：求解有效区域s
effect
对应的叶片位置，选择子野形状精度最高的叶片组合作为该步最终的叶片位置；
[0124]
s306：将通量强度图i(x,y)减去有效区域s
effect
以外的强度值，同时减去该步长下叶片形成的子野所产生通量，得到的结果作为下一轮分割的通量强度图i(x,y)，重复s301
‑
s306，直至完成所有通量强度分级下的分割操作。
[0125]
s4：得到通量分级步长下所有叶片的位置序列，并对超过最大速度限制的叶片运动进行修正。
[0126]
s5：根据修正后的叶片序列得到分割通量强度i
delivery
(x,y)，同时得到残余通量强度图i
delta
(x,y)＝i(x,y)
‑
i
delivery
(x,y)；
[0127]
取ε为允许分割精度，如果|i
delta
(x,y)|/|i0(x,y)|<ε则代表分割结束，否则将残余通量强度图i
delta
(x,y)作为下一轮的分割通量强度图，重复s2
‑
s5，直至分割结束。
[0128]
如图5所示，为采用正交双层光栅进行区域缩小得到的分割通量强度图，其满足精度要求。
[0129]
本发明提出了一种采用正交双层光栅进行区域缩小的动态调强方法，通过对强度图进行分级，找到每个分级下的有效等值线，根据有效等值线找到所有叶片的位置解集，从中筛选分割精度最高的叶片位置组合，形成分割子野，经过多次循环最后得到所有分割子野；本发明还提出了一种区域合并的方法，通过对每个分级下等值线形成的连通区域进行排序，按区域强度值和面积确定优先级，同时依次判断多个单连通区域是否可以同时分割，将可分割的多个单连通区域合并成一个可分割的有效区域，从而最大能力的完成射野通量分割。
[0130]
本发明具有以下有益成果：
[0131]
第一，降低了计划靶区外的剂量强度：通过上下层光栅的交叉遮挡，更好的降低了光栅透漏射，使得计划靶区外的剂量大幅降低。
[0132]
第二，增强了对危机器官的保护：采用双层光栅上下层配合进行，对危机器官进行更好的遮挡和保护，避免出现高剂量。
[0133]
第三，提高靶区的适形度：采用正交双层光栅能够从两个方向对靶区轮廓进行适形，提高靶区适形度。
[0134]
第四，实现多靶区的强度分割：通过区域合并原则实现对多靶区同时分割的判断，实现多靶区的同时分割。
[0135]
第五，运动靶区的二维动态跟踪治疗：采用一对正交叶片对靶区进行分割，能够实现对运动靶区的二维动态跟踪治疗。
[0136]
第六，提高多叶准直器mlc的使用寿命：光栅叶片从两侧向中心运动或者从中心往两侧运动，可以减少光栅叶片的走位行程，进而提高mlc的使用寿命。
[0137]
应当理解，这里描述的各种技术可结合硬件或软件，或者它们的组合一起实现。从而，本发明的方法和设备，或者本发明的方法和设备的某些方面或部分可采取嵌入有形媒介，例如软盘、cd
‑
rom、硬盘驱动器或者其它任意机器可读的存储介质中的程序代码(即指
令)的形式，其中当程序被载入诸如计算机之类的机器，并被该机器执行时，该机器变成实践本发明的设备。
[0138]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。