一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法和系统，属于医疗器械技术领域，该方法和系统将放射剂量计算区域分割成不重叠的若干子区域，通过数据网络传递到该子区域对应的从计算节点上；在每一个从计算节点上分布式并行计算所有笔形束的三维剂量沉积子矩阵并进行矩阵加权叠加，以及每个危机器官的剂量直方曲线；每一个从计算节点将所计算的剂量体积直方曲线传递到主计算节点；在主计算节点上将每一个感兴趣区的子区域剂量直方曲线合并计算成为该感兴趣区的全局剂量直方曲线，并根据每一个感兴趣区的剂量体积直方曲线计算该感兴趣区所关联的剂量目标函数。本发明专利技术有效地提高了放疗射线剂量分布和剂量目标函数的计算效率和存储效率。

A method and system for calculating dose distribution and dose objective function of radiotherapy

【技术实现步骤摘要】
一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法和系统
本专利技术涉一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法和系统，属于医疗器械
，具体地说是一种利用三维医学影像和分布式并行计算测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法和系统。
技术介绍
放射治疗计划系统(TreatmentPlanningSystem，TPS)是放疗科物理师或者剂量师用来设计放疗计划的技术平台和重要软件类医疗器械。物理师或者剂量师将病人的三维影像和医生剂量处方输入TPS，然后根据经验勾画靶区、重要器官和辅助器官、放置最佳射野、设置各种优化目标函数、最后进行计划的优化计算，计算出最合适的射线束分布及强度，从而得到放疗计划。如果计算结果不能满足处方要求，操作人员将进一步调整各种参数继续优化，直到得到满意结果为止。其中，测算放疗射线剂量分布从而计算剂量目标函数是评价放射治疗计划的重要步骤。此种评价被广泛应用于放射治疗计划的正向设计，以及放射治疗计划的逆向优化和质量保证上，是TPS的支撑性技术和模块。目前世界上通用的TPS的优化技术采用的是基于多目标的非约束型优化技术。该技术使用现代优化算法，如CG(ConjugateGradient)算法或者遗传算法，通过最小化一个根据不同权重综合了多种相互竞争的临床目标和约束条件的成本函数来搜寻最优的调强放射治疗计划。这个基于多目标的非约束型优化问题可由以下公式来表达：其中，P＝{Pj，J＝1，...，Ntarget，Pk，k＝1，...，NOAR}为上述优化问题的参数集合，它们代表了各种剂量分布限制和各优化目标的权重；Ntarget和NOAR分别为计划目标数目和重要器官数目，I为射线束强度分布，D(I)为根据射线束的强度分布得到的三维剂量分布，F为靶区(target)或者危机器官(OAR)的剂量目标函数，I*为最优的射线束强度分布。由于只有一个成本函数，该算法与传统的约束型优化技术相比具有计算速度较为快速的优点。如果与肿瘤放射医师的临床经验结合，该算法可以产生可行的治疗计划。可以看到，在上述计划优化过程中，每调整一次射线束强度分布，均要计算一次射线剂量分布和剂量目标函数。由此，射线剂量分布D(I)和剂量目标函数的计算效率对于优化的质量和效率至关重要。目前的商用TPS一般先把直线加速器治疗机头的出射平面做网格化细分，然后采用实验数据插值法或者基于加速器机头模型的蒙特卡洛算法或者卷积叠加算法计算每一个网格出束在人体或者模体内的三维剂量沉积分布(即笔形束剂量沉积矩阵Bi)，然后再根据出射平面上的光子通量调制分布对笔形束剂量沉积矩阵进行加权求和得到射线剂量分布D(I)。具体的计算公式如下：其中，Ii是光子通量平面上每个网格上的权重(即笔形束的权重)，K为笔形束的数量。由于在由笔型束叠加形成三维剂量分布的计算中每个笔形束剂量沉积矩阵Bi均是三维矩阵(由于照射人体或者模体一般均被网格化为三维离散分布)，假设该矩阵的大小为L×M×N，则存储和计算的复杂度均为O(L×M×N×K)。对于一般的离散化剂量分布，L、M、N在100量级，而K在1000量级，由此得到的总存储和计算的复杂度均达到了109量级。随着IMRT和VMAT等复杂放疗调强技术和基于人工智能的计划方法的应用，笔形束的数量、剂量分布的空间的精度不断提高和优化迭代次数随着精度和要求的提高而快速增加，射线剂量分布以及相应的剂量目标函数的计算所需的内存空间和时间还要迅速地指数级增长。此种增长给放射治疗计划系统性能的进一步提升带来困扰。如何提高射线剂量分布和剂量目标函数的计算效率和存储效率成为了放疗技术的新课题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对放射治疗计划系统(TPS)的上述技术现状，而提供一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法和系统。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案作为一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法，包括以下步骤：步骤1：从影像设备通过DICOM协议接收三维医学影像数据；步骤2：根据三维医学影像数据分割感兴趣区；步骤3：根据三维医学影像数据计算医用加速器治疗机头射野开口平面上的所有笔形束的三维剂量沉积矩阵；步骤4：将放射剂量计算区域分割成不重叠的若干子区域，将每一个笔形束的三维剂量沉积矩阵依据子区域分割成若干子矩阵，子区域和子矩阵的数量为可调用的从计算节点的数量；步骤5：编制区域节点表，为每一个子区域对应唯一一个从计算节点；步骤6：根据区域节点表，将每一个子区域所对应的所有笔形束的三维剂量沉积子矩阵和感兴趣区几何数据通过数据网络传递到该子区域所对应的从计算节点上；步骤7：根据区域节点表，将每一个子区域所对应的笔形束权重通过数据网络传递到该子区域所对应的从计算节点上；步骤8：在每一个从计算节点上将所有笔形束的三维剂量沉积子矩阵进行矩阵元对矩阵元加权叠加，每个子矩阵的权重为该笔形束的射线通量，此步计算在所有从计算节点上的并行展开；步骤9：在每一个从计算节点上计算每个危机器官的剂量直方曲线，此步计算在所有从计算节点上的并行展开；步骤10：每一个从计算节点将所计算的剂量体积直方曲线传递到主计算节点；步骤11：在主计算节点上分别将每一个感兴趣区的子区域剂量直方曲线合并计算成为该感兴趣区的全局剂量直方曲线；步骤12：在主计算节点上根据每一个感兴趣区的剂量体积直方曲线计算该感兴趣区所关联的剂量目标函数。上述的放疗射线包括光子线、电子线和质子线。上述的从计算节点可以为CPU、GPU或者CPU与GPU的组合。上述的主计算节点可以为CPU、GPU或者CPU与GPU的组合。上述的数据网络包括并不限于：计算机外设互联总线、局域网、广域网、互联网、以及上述任何几种网络的组合。上述的剂量目标函数包括并不限于：最大剂量、最小剂量、平均剂量、最大剂量体积、最小剂量体积、最大等效均一剂量和最小等效均一剂量等。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案作为一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的系统，包括以下部分：一个主计算节点，负责从影像设备通过DICOM协议接收三维医学影像数据；根据三维医学影像数据分割感兴趣区；根据三维医学影像数据计算医用加速器治疗机头射野开口平面上的所有笔形束的三维剂量沉积矩阵；将放射剂量计算区域分割成不重叠的若干子区域，将每一个笔形束的三维剂量沉积矩阵依据子区域分割成若干子矩阵，子区域和子矩阵的数量为可调用的从计算节点的数量；编制区域节点表，为每一个子区域对应唯一一个从计算节点；根据区域节点表，将每一个子区域所对应的所有笔形束的三维剂量沉积子矩阵和感兴趣区几何数据通过数据网络传递到该子区域所对应的从计算节点上；根据区域节点表，将每一个子区域所对应的笔形束权重通过数据网络传递到该子区域所对应的从计算节点上；在从计算节点完成计算后，该主计算节点负责接收从每一个从计算节点所计算的局部剂量体积直方曲线，分别将每一个感兴趣区的局部剂量直方曲线合并计算成为该感兴趣区的全局剂量直方曲线，并根据每一个感兴趣区的全局剂量体积直方曲线计算该感兴趣区所关联的剂量目标函数；若干个从计算节点，其中在每一个从计算节点上将所有笔形束的三维剂量沉积子矩阵进行矩阵元对矩阵元加权叠加得到该子区域内的剂量分布，每个子矩阵的权重为该笔形束的射线通量，此步计算在所有从计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1：从影像设备通过医学数字成像和通信标准(DICOM)协议接收三维医学影像数据；步骤2：根据三维医学影像数据分割感兴趣区；步骤3：根据三维医学影像数据计算医用加速器治疗机头射野开口平面上的所有笔形束的三维剂量沉积矩阵；步骤4：将放射剂量计算区域分割成不重叠的若干子区域，将每一个笔形束的三维剂量沉积矩阵依据子区域分割成若干子矩阵，子区域和子矩阵的数量为可调用的从计算节点的数量；步骤5：编制区域节点表，为每一个子区域对应唯一一个从计算节点；步骤6：根据区域节点表，将每一个子区域所对应的所有笔形束的三维剂量沉积子矩阵和感兴趣区几何数据通过数据网络传递到该子区域所对应的从计算节点上；步骤7：根据区域节点表，将笔形束权重通过数据网络传递到该子区域所对应的从计算节点上；步骤8：在每一个从计算节点上将所有笔形束的三维剂量沉积子矩阵进行矩阵元对矩阵元加权叠加得到该子区域内的剂量分布，每个子矩阵的权重为该笔形束的射线通量，此步计算在所有从计算节点上的并行展开；步骤9：在每一个从计算节点上计算每个危机器官的剂量直方曲线，此步计算在所有从计算节点上的并行展开；步骤10：每一个从计算节点将所计算的剂量体积直方曲线传递到主计算节点；步骤11：在主计算节点上分别将每一个感兴趣区的局部剂量直方曲线合并计算成为该感兴趣区的全局剂量直方曲线；步骤12：在主计算节点上根据每一个感兴趣区的剂量体积直方曲线计算该感兴趣区所关联的剂量目标函数。...

【技术特征摘要】
1.一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1：从影像设备通过医学数字成像和通信标准(DICOM)协议接收三维医学影像数据；步骤2：根据三维医学影像数据分割感兴趣区；步骤3：根据三维医学影像数据计算医用加速器治疗机头射野开口平面上的所有笔形束的三维剂量沉积矩阵；步骤4：将放射剂量计算区域分割成不重叠的若干子区域，将每一个笔形束的三维剂量沉积矩阵依据子区域分割成若干子矩阵，子区域和子矩阵的数量为可调用的从计算节点的数量；步骤5：编制区域节点表，为每一个子区域对应唯一一个从计算节点；步骤6：根据区域节点表，将每一个子区域所对应的所有笔形束的三维剂量沉积子矩阵和感兴趣区几何数据通过数据网络传递到该子区域所对应的从计算节点上；步骤7：根据区域节点表，将笔形束权重通过数据网络传递到该子区域所对应的从计算节点上；步骤8：在每一个从计算节点上将所有笔形束的三维剂量沉积子矩阵进行矩阵元对矩阵元加权叠加得到该子区域内的剂量分布，每个子矩阵的权重为该笔形束的射线通量，此步计算在所有从计算节点上的并行展开；步骤9：在每一个从计算节点上计算每个危机器官的剂量直方曲线，此步计算在所有从计算节点上的并行展开；步骤10：每一个从计算节点将所计算的剂量体积直方曲线传递到主计算节点；步骤11：在主计算节点上分别将每一个感兴趣区的局部剂量直方曲线合并计算成为该感兴趣区的全局剂量直方曲线；步骤12：在主计算节点上根据每一个感兴趣区的剂量体积直方曲线计算该感兴趣区所关联的剂量目标函数。2.根据权利要求1所述的一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法，其特征是：所述的步骤11至少包括如下步骤：步骤2.1：计算所有局部剂量直方曲线的微分直方曲线；步骤2.2：将各微分直方曲线在每个微分区间上的值进行相加，得到全局微分剂量直方曲线；步骤2.3：将全局微分剂量直方曲线进行归一化；步骤2.4：将归一化后的全局微分剂量直方曲线进行积分，得到全局积分剂量直方曲线。3.根据权利要求1所述的一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法，其特征是：所述的放疗射线包括光子线、电子线和质子线。4.根据权利要求1所述的一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法，其特征是：所述的从计算节点可以采用中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)或者CPU与GPU的组合。5.根据权利要求1所述的一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法，其特征是：所述的主计算节点可以采用中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)或者CPU与GPU的组合。6.根据权利要求1所述的一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法，其特征是：所述的数据网络包括并不限于：计算机外设互联总线、局域网、广域网、互联网、以及上述任何几种网络的组合。7.根据权利要求1所述的一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法，其特征是：所述的剂量体积直方图包括积分直方图和微分直方图。8.根据权利要求1所述的一种测算放疗射线剂量分布和剂量目标函数的方法，其特征是：所述的剂量目标函数包括并不限于：最大剂量、最小剂量、平均剂量、最大剂量体积、最小剂量体积、最大等效均一剂量和最小等效均一剂量等。9.一种具有存储于非挥发性存储介质中的计算机代码的可以用来测...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：苏州同调医学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32