一种放射剂量计算系统技术方案

本发明专利技术涉及一种放射剂量计算系统，包括信息输入模块、点核能量分布模拟模块、点核模型参数提取模块、点核查找表生成模块、坐标系转换模块、TERM值计算模块、剂量计算模块和信息输出模块。通过将直角坐标系下的二维注量分布、三维密度分布转换到球壳坐标系下，在球壳坐标系下计算各体素的TERM值，利用球壳坐标系的对称特性，直接从点核查找表中读取碰撞点信息，从而进行快速剂量计算，并将球壳坐标系下的三维剂量分布转换到直角坐标系下，输出三维剂量分布，以及统计各器官的剂量‑体积曲线。本发明专利技术避免了计算碰撞点位置和旋转点核所需计算量，在射线发散入射的情况下有效地降低了点核剂量计算方法的算法复杂度。

A radiation dose calculation system

The invention relates to a radiation dose calculation system, which comprises an information input module, a point nuclear energy distribution simulation module, a point nuclear model parameter extraction module, a point nuclear look-up table generation module, a coordinate system conversion module, a term value calculation module, a dose calculation module and an information output module. By transforming the two-dimensional dose distribution and three-dimensional density distribution in the rectangular coordinate system to the spherical shell coordinate system, calculating the term value of each voxel in the spherical shell coordinate system, using the symmetry characteristics of the spherical shell coordinate system, directly reading the information of the collision point from the point core lookup table, so as to carry out the fast dose calculation, and converting the three-dimensional dose distribution in the spherical shell coordinate system to the rectangular coordinate system, and transporting Three dimensional dose distribution and dose volume curve of each organ were obtained. The invention avoids the calculation amount needed for calculating the position of the collision point and the core of the rotation point, and effectively reduces the algorithm complexity of the calculation method of the dose of the point core in the case of the radiation divergent incidence.

【技术实现步骤摘要】
一种放射剂量计算系统
本专利技术涉及放射治疗系统
，尤其涉及一种放射剂量计算系统。
技术介绍
放射治疗是目前治疗恶性肿瘤的主要手段之一。剂量计算是放射治疗计划的核心，剂量计算的速度与精度，对放射治疗计划制定的效率和质量具有重要影响。研究表明，照射剂量的准确性提高l％，治愈率可提高2％。一般把ICRU(internationalcommissionradiationunits&measurements)24号报告中推荐的±5％作为照射剂量误差的允许范围。在调强放射治疗的逆向计划中，优化过程需要进行多次的剂量计算(大约10到1000次)，因此对计算速度的要求也非常苛刻。一个具备临床实用性的剂量计算模型应在1分钟以内完成单野、低精度的剂量计算；在1小时内完成多野、高精度或优化剂量计算。计算剂量分布的模型可分为3大类：经验模型、半解析模型和解析模型。为了满足临床放射治疗计划的质量要求，一般使用半解析模型进行逆向计划的剂量计算，如基于核(笔形束核、点核)模型的卷积/叠加剂量计算方法。虽然解析模型的剂量计算精度最高，但是所需的计算量非常大，不能用于逆向计划的剂量计算，一般只用来计算最终治疗计划的剂量分布。相对于解析模型，基于半解析模型的剂量计算方法的计算量相对较小，但是在逆向计划中多次计算剂量分布，其总的计算量也是非常可观的。一些硬件加速的方法被用来加速基于核模型的卷积/叠加剂量计算方法，如FPGA和GPU等。因此，在不影响剂量计算精度的条件下，减小基于核模型卷积/叠加剂量计算方法的计算量，或者缩短其计算所需时间，对放射治疗计划的快速制定具有很现实的意义。能够满足临床放射治疗精确要求的半解析模型是点核剂量计算方法。点核剂量计算方法具有较大的计算复杂度。在射线平行入射模体的情况下，直接计算N3个点的剂量分布需要计算N6到N7次线积分。尽管使用筒串卷积的方法进行加速，仍需要计算M·N3次线积分，其中M为各剂量计算点处的立体角采样个数。临床中，射线源被认为是一个点源，射线以点源为中心发散射出照射肿瘤。在射线发散入射模体表面的情况下，剂量计算过程中每个碰撞点处的点核都要进行旋转，与过该碰撞点的射线平行。在直角坐标系下旋转每个点核，又增加了点核剂量计算方法的计算复杂度，计算时间增加了2-3倍。因而，减少线积分的计算量和减少点核旋转的计算复杂度，能够大大减少点核剂量计算方法的整体计算复杂度，缩短剂量计算所需时间。鉴于此，现有技术有待改进，本案由此产生。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种放射剂量计算系统，避免了计算碰撞点位置和旋转点核所需计算量，在射线发散入射的情况下有效地降低了点核剂量计算方法的算法复杂度，缩短剂量计算所需时间。为实现本专利技术目的，采用如下技术方案。一种放射剂量计算系统，包括：信息输入模块，用以输入剂量计算所需数据信息，所需数据信息至少包括模体的三维密度信息、器官勾画信息、治疗头信息和射野信息；点核能量分布模拟模块，用以根据信息输入模块输入的治疗头信息，利用蒙特卡罗算法模拟点核能量分布；点核模型参数提取模块，用以提取点核在各立体角方向的能量分布，进行参数拟合，得到点核模型参数；点核查找表生成模块，用以将点核模型参数、碰撞点信息和径向采样间隔存储，生成点核查找表；坐标系转换模块，用以在直角坐标系下，根据治疗头信息计算模体表面的二维注量分布，将直角坐标系下的二维注量分布、三维密度分布转换到球壳坐标系下，并在球壳坐标系下，根据三维密度分布确定各体素的平均质量衰减系数和相对密度；TERM(TotalEnergyReleasedperunitMass)值计算模块，用以在球壳坐标系下，根据二维注量分布和三维密度分布，计算各体素的TERM值；剂量计算模块，用以计算剂量沉积点所在球壳位置，根据球壳位置从点核查找表中读取对应球壳的碰撞点信息；将碰撞点相对位置与剂量沉积点位置相加，得到当前剂量沉积点周围的所有碰撞点位置；利用碰撞点位置信息，确定碰撞点处的密度值、相对密度值、平均衰减系数和径向采样长度；从查找表中读取对应碰撞点处剂量沉积点到碰撞点的线段与碰撞点处入射射线的夹角；从而进行剂量计算，得到球壳坐标系下的三维剂量分布；信息输出模块，用以将球壳坐标系下的三维剂量分布转换到直角坐标系下，输出三维剂量分布，以及统计各器官的剂量-体积曲线。进一步地，所述碰撞点信息包括球壳坐标系下的碰撞点的相对位置、碰撞点所在采样间隔长度，以及剂量沉积点到碰撞点的线段与碰撞点处入射射线的夹角数据。进一步地，所述点核查找表中对于相同深度球壳存储一份碰撞点信息。进一步地，所述点核查找表生成模块包括直角坐标系碰撞点信息计算模块、映射模块、球壳坐标系碰撞点信息计算模块以及存储模块，其中：所述直角坐标系碰撞点信息计算模块用以在球壳坐标系下计算射野中心轴线与当前深度球壳的交点，并计算该交点在直角坐标系下的位置，以及在直角坐标系下计算该交点周围的碰撞点的位置，及交点到碰撞点的线段与过碰撞点的入射射线的夹角值；所述映射模块用以将直角坐标系下计算的碰撞点的位置映射回球壳坐标系，且对应夹角值保持不变；所述球壳坐标系碰撞点信息计算模块用以在球壳坐标系下计算碰撞点位置和交点的相对位置差值；所述存储模块用以存储相对位置差值、夹角值和径向采样间隔。本专利技术具有的有益效果：本专利技术在球壳坐标系统下进行快速点核剂量计算，在不改变剂量计算精度的情况下，能够更加快速地计算剂量分布。在球壳坐标系下进行剂量计算，一方面避免了旋转点核，另一方面将碰撞点的相对位置存储，减少了计算线积分的复杂度。由于本专利技术算法的特殊结构，非常适合于硬件(FPGA和GPU)加速。附图说明图1是本专利技术一种放射剂量计算系统的模块框图。图2是本专利技术系统中点核查找表生成模块的处理流程示意图。图3是本专利技术系统中剂量计算模块的处理流程示意图。图4是本专利技术系统中信息输出模块的处理流程示意图。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术做详细的说明。如图1所示，本专利技术提供一种放射剂量计算系统包括信息输入模块10、点核能量分布模拟模块20、点核模型参数提取模块30、点核查找表生成模块40、坐标系转换模块50、TERM值计算模块60、剂量计算模块70和信息输出模块80。所述信息输入模块10，用以输入剂量计算所需数据信息，所需数据信息包括病人的三维密度信息、器官勾画信息、治疗头信息和射野信息。其中病人的三维密度信息可以是CT图像、MR图像或其它方式获取的病人密度信息。器官勾画信息可以通过物理师在三维密度信息上进行勾画而获得的，也可以通过自动勾画软件进行自动勾画而获取。治疗头信息包括完整的治疗头形状结构和参数信息，以及照射方向，等中心的位置等。本实施例中，使用螺旋CT设备获取CT数据，该CT数据可以用来表示病人的密度信息。CT数据输入到器官勾画软件中，由物理师为每个病人勾画器官形状，从而获得病人的各器官本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种放射剂量计算系统，其特征在于，包括：/n信息输入模块，用以输入剂量计算所需数据信息，所需数据信息至少包括模体的三维密度信息、器官勾画信息、治疗头信息和射野信息；/n点核能量分布模拟模块，用以根据信息输入模块输入的治疗头信息，利用蒙特卡罗算法模拟点核能量分布；/n点核模型参数提取模块，用以提取点核在各立体角方向的能量分布，进行参数拟合，得到点核模型参数；/n点核查找表生成模块，用以将点核模型参数、碰撞点信息和径向采样间隔存储，生成点核查找表；/n坐标系转换模块，用以在直角坐标系下，根据治疗头信息计算模体表面的二维注量分布，将直角坐标系下的二维注量分布、三维密度分布转换到球壳坐标系下，并在球壳坐标系下，根据三维密度分布确定各体素的平均质量衰减系数和相对密度；/nTERM值计算模块，用以在球壳坐标系下，根据二维注量分布和三维密度分布，计算各体素的TERM值；/n剂量计算模块，用以计算剂量沉积点所在球壳位置，根据球壳位置从点核查找表中读取对应球壳的碰撞点信息；将碰撞点相对位置与剂量沉积点位置相加，得到当前剂量沉积点周围的所有碰撞点位置；利用碰撞点位置信息，确定碰撞点处的密度值、相对密度值、平均衰减系数和径向采样长度；从查找表中读取对应碰撞点处剂量沉积点到碰撞点的线段与碰撞点处入射射线的夹角；从而进行剂量计算，得到球壳坐标系下的三维剂量分布；/n信息输出模块，用以将球壳坐标系下的三维剂量分布转换到直角坐标系下，输出三维剂量分布，以及统计各器官的剂量-体积曲线。/n...

【技术特征摘要】
1.一种放射剂量计算系统，其特征在于，包括：
信息输入模块，用以输入剂量计算所需数据信息，所需数据信息至少包括模体的三维密度信息、器官勾画信息、治疗头信息和射野信息；
点核能量分布模拟模块，用以根据信息输入模块输入的治疗头信息，利用蒙特卡罗算法模拟点核能量分布；
点核模型参数提取模块，用以提取点核在各立体角方向的能量分布，进行参数拟合，得到点核模型参数；
点核查找表生成模块，用以将点核模型参数、碰撞点信息和径向采样间隔存储，生成点核查找表；
坐标系转换模块，用以在直角坐标系下，根据治疗头信息计算模体表面的二维注量分布，将直角坐标系下的二维注量分布、三维密度分布转换到球壳坐标系下，并在球壳坐标系下，根据三维密度分布确定各体素的平均质量衰减系数和相对密度；
TERM值计算模块，用以在球壳坐标系下，根据二维注量分布和三维密度分布，计算各体素的TERM值；
剂量计算模块，用以计算剂量沉积点所在球壳位置，根据球壳位置从点核查找表中读取对应球壳的碰撞点信息；将碰撞点相对位置与剂量沉积点位置相加，得到当前剂量沉积点周围的所有碰撞点位置；利用碰撞点位置信息，确定碰撞点处的密度值、相对密度值、平均衰减系数和径向采样长度；从查找表中读取对应碰撞点处剂量沉积点到碰撞点的线段与碰撞点处入射射线的夹角；从而进行剂量计算，得到球壳坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏程，张丽媛，桂志国，舒华忠，李杰，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14