模拟粒子输运和确定放疗中人体剂量的方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术涉及模拟粒子输运和确定放疗中人体剂量的方法、装置及系统。所述模拟粒子输运的方法包括：记录所产生输入粒子的输运径迹；基于每批次运行粒子的径迹计算每个栅元的不确定度，若栅元的不确定度不超过第一阈值，则该栅元为达标栅元；获取感兴趣区域中栅元的达标率，所述感兴趣区域至少包括一个栅元，所述感兴趣区域中栅元的达标率为该区域达标栅元占该区域所有栅元的比例；若所述感兴趣区域中栅元的达标率超过第二阈值，则停止继续输入粒子，并输出历史输入粒子的输运径迹。本发明专利技术能够提高对放射治疗过程所涉及粒子输运过程的模拟效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及放射治疗
，特别涉及一种模拟粒子输运的方法及装置、一种计算放射治疗中人体剂量的方法及一种放射治疗系统。
技术介绍
在放射治疗
中，人体组织剂量分布的计算方法大致可以分为两大类:半经验解析方法及蒙特卡罗方法。半经验解析方法包括基于离轴比(OAR，Off Axis Rat1)经验公式的方法，以及基于笔束核(Pencil Beam Kernel)和点核(Point Kernel)的卷积 / 叠加(Convolut1n/Superposit1n)方法等。但是半经验解析方法的精确度有限。而蒙特卡罗方法，因为其处理复杂问题(复杂几何、复杂的放射源布置等)的能力而成为一种不可替代的方法。蒙特卡罗方法可以精确地对放射治疗过程所涉及到的物理过程进行建模，而使用较少的近似。蒙特卡罗方法的最大不足之处在于计算强度较大，耗时较长。
技术实现思路
本专利技术技术方案所解决的技术问题为，如何提高对放射治疗过程所涉及粒子输运过程的模拟效率。为了解决上述技术问题，本专利技术技术方案提供了一种模拟粒子输运的方法，适于模拟粒子在栅元中的能量分布，包括:估算所需入射总粒子数，产生入射粒子并分批输入；记录所输入粒子的输运径迹；基于每批次运行粒子的径迹计算每个栅元的不确定度，若栅元的不确定度不超过第一阈值，则该栅元为达标栅元；获取感兴趣区域中栅元的达标率，所述感兴趣区域至少包括一个栅元，所述感兴趣区域的达标率为该区域中达标栅元占该区域所有栅元的比例；若所述感兴趣区域中栅元的达标率超过第二阈值，则停止继续输入粒子，并输出历史输入粒子的输运径迹，否则继续输入粒子，直到总粒子数运行完毕。可选的，分批输入的每一批入射粒子的能量接近，或类型相同，或能量接近并且类型相同。可选的，所述分批输入包括:根据所述入射粒子的类型不同交错地分批输入。可选的，所述输运径迹包括:入射粒子的能量信息、速度信息及其他径迹信息，所述速度信息包括所述入射粒子的入射方向信息，所述记录所入射粒子的输运径迹包括:若入射粒子与已记录粒子的能量信息与入射方向信息接近，则将该已记录粒子的输运径迹赋值为该入射粒子的输运径迹。可选的，所述其他径迹信息包括:所述入射粒子的类型信息、入射位置信息、权重信息及所经栅元信息；所述所经栅元信息包括:所经栅元的能量分布以及不确定度。可选的，所述方法还包括:当每一批粒子输入时:若其中一个粒子从第一重要性栅元进入第二重要性栅元，则所进入的粒子以第一概率进行分裂，分裂后的粒子降低权重以使该批粒子的总权重不变，所述第一重要性栅元的重要性低于第二重要性栅元的重要性；若其中一个粒子从第三重要性栅元进入第四重要性栅元，则所进入的粒子中以第二概率被杀死，未被杀死的粒子增加权重以使该批粒子的总权重不变，所述第三重要性栅元的重要性高于第四重要性栅元的重要性。可选的，所述第一概率为第一重要性栅元与第二重要性栅元的重要性比值，所述第二概率为第四重要性栅元与第三重要性栅元的重要性比值。可选的，所述重要性栅元的重要性为预先手动设定，或根据栅元信息自动设定；所述栅元信息包括栅元的不确定度，或者栅元的物理属性。可选的，所述方法还包括:基于历史输入粒子的输运径迹对入射粒子的剂量分布的不确定度做动态降噪处理。可选的，所述动态降噪处理通过如下方式实现:得到所述栅元中粒子的三维的剂量分布和不确定度；对所述三维的剂量分布进行滤波处理，以使所述剂量分布在三个维度上连续可寸；重新计算得到所述剂量分布对应的不确定度。可选的，所述方法还包括:导入几何模型，所述几何模型包括:模拟对象的栅元、物理材料、栅元权重或/和几何虚拟截面，其中，所述几何虚拟截面适于定义所述栅元对应物理材料，以使所述栅元指向的模拟对象具有均匀化材料，所输入粒子的输运径迹与所述几何虚拟截面有关。为了解决上述技术问题，本专利技术技术方案还提供了一种计算放射治疗中人体剂量的方法，包括:根据如上所述的模拟粒子输运的方法获得的粒子在栅元中的能量分布以计算放射治疗中的人体剂量。为了解决上述技术问题，本专利技术技术方案还提供了一种模拟粒子输运的装置，适于模拟粒子在栅元中的能量分布，包括:源处理模块、输运处理模块、噪声处理模块及输出丰吴块；所述源处理模块，适于估算所需入射总粒子数、产生入射粒子并分批输入；所述输运处理模块，适于记录所输入粒子的输运径迹；所述噪声处理模块，适于实现如下步骤:基于每批次运行粒子的径迹计算每个栅元的不确定度，若栅元的不确定度不超过第一阈值，则该栅元为达标栅元；获取感兴趣区域的达标率，所述感兴趣区域至少包括一个栅元，所述感兴趣区域的达标率为该区域达标栅元占该区域所有栅元的比例；若所述感兴趣区域中栅元的达标率超过第二阈值，则停止继续输入粒子，并通过所述输出模块输出历史输入粒子的输运径迹，否则使继续输入粒子，直到总粒子数运行完毕。为了解决上述技术问题，本专利技术技术方案还提供了一种放射治疗系统，包括:如上所述的模拟粒子输运的装置，适于模拟粒子在栅元中的能量分布；计算人体剂量的装置，适于根据所述模拟粒子输运的装置获得的粒子在栅元中的能量分布计算放射治疗中的人体剂量。上本专利技术技术方案的有益效果至少包括:本专利技术技术方案估算所需入射的总粒子数，通过用户对不确定度的要求，估算出具体模体内需要输运的总粒子数，作为总的计算目标，在能够在达到用户目标的情况下，减少不必要的粒子输运，并在一些无法截断的情况下，减少输运粒子数，提高模拟效率。本专利技术技术方案能够提高放射治疗过程中模拟粒子输运的速度，通过对运行粒子不确定度的处理和评估，可快速达到计算目标，并在达到目标后对模拟过程进行截止，从而在减少了计算用时的同时达到用户对不确定度的要求，大大提高模拟效率。本专利技术技术方案在感兴趣区域，可以根据运行粒子的不确定度动态地调整抽样的粒子数，能够在保证全局不确定度均衡的前提下对粒子进行分批输运，可减少粒子抽样，减少不必要的粒子输运，节约了大量计算用时。在本专利技术技术方案的可选方案中，还采用了粒子全同化并行处理的技术手段，对入射粒子进行分类分别处理；本专利技术技术方案对入射粒子按能量与类型进行分类，并将能量接近和类型相同的粒子作为同一批次，可有利于并行计算单元在接近的时间内完成计算，从而加快并行计算的模拟速度。在本专利技术技术方案的可选方案中，还在每批粒子的模拟后对粒子的剂量分布和不确定度进行滤波处理，实现动态降噪，提高不确定度的均衡性，使所有感兴趣区域的计算点的不确定度降到可接受范围。在本专利技术技术方案的可选方案中，还增加了入射粒子的均匀性，对入射粒子的方向进行均匀化处理，降低源入射粒子的不确定度，从而有利于粒子动态降噪。在本专利技术技术方案的可选方案中，还在粒子的输运过程中，对其模拟过程中的虚碰撞反应(虚拟反应)与真实物理反应(真实反应)进行了区别抽样，对虚拟反应下的粒子仅抽样输运程度而不重新抽样粒子方向及能量，仅在真实反应下才重新对粒子方向及能量进行抽样，从而减少总体粒子的抽样数目。本专利技术技术方案采用了如下方式减少总体粒子的抽样数目:对虚拟截面减少粒子输运过程中发生能量抽样和方向抽样数目；对相同的入射粒子的径迹进行直接复制，避免重复抽样；对粒子进行能量截断以减少低能粒子的输运；对粒子进行权截断以减少重要性低的粒子的输运。【附图说明】图1为本专利技术技术方案本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟粒子输运的方法，适于模拟粒子在栅元中的能量分布，其特征在于，包括：估算所需入射总粒子数，产生入射粒子并分批输入；记录所输入粒子的输运径迹；基于每批次运行粒子的径迹计算每个栅元的不确定度，若栅元的不确定度不超过第一阈值，则该栅元为达标栅元；获取感兴趣区域中栅元的达标率，所述感兴趣区域至少包括一个栅元，所述感兴趣区域的达标率为该区域中达标栅元占该区域所有栅元的比例；若所述感兴趣区域中栅元的达标率超过第二阈值，则停止继续输入粒子，并输出历史输入粒子的输运径迹，否则继续输入粒子，直到总粒子数运行完毕。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李贵，唐寅，叶绍强，刘娟，
申请(专利权)人：上海联影医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31