确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法和装置。该方法包括以下步骤：计算粒子经过射束调整装置后的强度分布，包括：获取粒子穿过射束调整装置前的状态，包括粒子在射束坐标系中的权重和/或能量、位置与方向；使用该射束调整装置的各限束部件的交线长度矩阵和粒子在射束坐标系中的状态来计算粒子经过射束调整装置的交线长度，其中所述交线长度矩阵包括不同入射位置的粒子与不同入射方向的粒子与该射束调整装置的对应限束部件的交线长度；使用粒子穿过射束调整装置前的权重和/或能量以及粒子穿过射束调整装置的交线长度来计算粒子经过射束调整装置后的权重和/或能量改变；以及将粒子的位置沿着粒子的方向由射束调整装置前变换到射束调整装置后，得到原粒子强度分布。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及粒子输运领域，尤其涉及一种确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法和装置。
技术介绍
粒子经过具有限束功能的结构之后，其强度如何分布，是粒子输运领域关注的课题。粒子输运可应用在核物理实验、反应堆设计和辐射屏蔽等场合。在医疗领域中，粒子输运问题是当前放射治疗的一个研究热点，基于此可以模拟模体内的剂量分布。具体来说，在放射治疗中常用到多叶准直器(Multi-LeafCollimator,MLC，又称多叶光栅)，在不同机架角度形成一个或多个开口，并且多个开口在病人体内产生的剂量叠加，从而使得不同角度的开口形状与病人靶区形状贴合，且其强度分布满足靶区不同位置处不同剂量大小的要求，从而达到更好的治疗效果。剂量计算算法根据上述信息以及其他信息，计算出经过MLC及其他装置后的射束粒子的能量、位置、权重与方向分布，并且利用病人或模体CT数据，计算出病人或模体接受到的剂量分布。算法的计算速度和计算精度具有重要的临床意义。对于粒子输运来说，射束调整装置的形状决定了强度分布计算的速度和精度。在放射治疗设备中，由于MLC形状复杂，叶片数目繁多，对剂量计算的速度和精度造成很大影响。目前主要的经过MLC后的强度分布算法如下：第一种方法是，首先得到所有叶片的端面(叶片闭合时靠近射束中心轴的一端)位置，将所有叶片端面所在的坐标点相连形成一个闭合的轮廓线，将位于轮廓线内的射束强度赋一个较大值，轮廓线外的射束强度赋一个较小值，而轮廓线附近的射束强度置为上述较大值和较小值之间的数。该方法得到强度分布速度较快，但不能准确考虑端面效应、叶间漏射与凹凸效应。第二种方法为，将MLC的叶片位置与材料信息及其他部件信息建模，通过算法抽取一个具有能量、位置、方向的粒子，模拟该粒子在MLC及其他部件内可能发生的各种物理反应，从而改变方向、位置与能量。从多叶准直器穿出的粒子的能量、位置、方向即形成强度分布，用于进一步模拟粒子在病人或模体中的剂量分布。该方法可以准确地考虑端面效应、叶间漏射与凹凸效应，但由于每个粒子都要实时模拟各种物理反应，因此耗时非常长，不能用于快速剂量计算。第三种方法为，将每个叶片用方程表示，在剂量计算过程中，通过解方程或者不等式的方法求得每个粒子与每个叶片的交线长度，利用一定的公式对粒子状态直接作出改变。该方法可以准确地考虑端面效应、叶间漏射与凹凸效应，但是在计算过程中，每个粒子都需要进行解方程或解不等式的运算，耗时较长，远远不能满足快速剂量计算的要求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法和设备，能够提高强度计算的精度和速度。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法，包括以下步骤：计算粒子经过射束调整装置后的强度分布，包括：获取粒子穿过该射束调整装置前的状态，该状态包括粒子在射束坐标系中的权重和/或能量、位置与方向；使用该射束调整装置的各限束部件的交线长度矩阵和该粒子在射束坐标系中的位置与方向来计算粒子经过该射束调整装置的交线长度，其中所述交线长度矩阵包括不同入射位置的粒子与不同入射方向的粒子与对应的限束部件的交线长度；使用粒子穿过该射束调整装置前的权重和/或能量以及粒子穿过该射束调整装置的交线长度来计算粒子经过该射束调整装置后的权重和/或能量改变；以及将粒子的位置沿着粒子的方向由射束调整装置前变换到射束调整装置后，得到原粒子强度分布。可选地，在获取粒子穿过该射束调整装置前的状态之前，还包括预处理，所述预处理包括产生不同入射位置的粒子与不同入射方向的粒子与该射束调整装置的各限束部件的交线长度矩阵。可选地，使用该射束调整装置的各限束部件的交线长度矩阵和该粒子在射束坐标系中的位置与方向来计算粒子经过该射束调整装置的交线长度包括：首先计算粒子与射束调整装置的各限束部件的交线长度，再求和获得粒子经过该射束调整装置的交线长度。可选地，使用交线长度矩阵和该粒子在射束坐标系中的位置与方向来计算粒子经过该射束调整装置的交线长度包括：利用粒子在该射束坐标系中的位置与方向，及各限束部件坐标系相对于该射束坐标系的平移或平移与旋转，求得粒子在各限束部件坐标系中的位置与方向；利用各限束部件对应的交线长度矩阵，获取与粒子在各限束部件坐标系中的位置与方向所对应的交线长度，分别作为粒子与各限束部件的交线长度。可选地，该预处理还包括根据各限束部件配置信息计算出各限束部件坐标系相对于该射束坐标系的平移或平移与旋转。可选地，在使用交线长度矩阵和该粒子在射束坐标系中的位置与方向来计算粒子经过该射束调整装置的交线长度的步骤中，在求得粒子在各限束部件坐标系中的位置与方向之前还包括：判断粒子是否穿过且只穿过限束部件部分高度，如果是则在使用该交线长度矩阵的条件下求得粒子在各限束部件中的交线长度，否则在不使用该交线长度矩阵的条件下求得粒子在限束部件中的交线长度。可选地，该预处理还包括产生该射束调整装置的各限束部件的散射强度分布。可选地，该计算粒子经过射束调整装置后的强度分布还包括利用各限束部件坐标系相对该射束坐标系的平移或平移与旋转，将各限束部件的散射强度分布中的位置进行变换，计算新的散射强度分布。可选地，产生该射束调整装置的各限束部件的散射强度分布包括：将该射束调整装置的各限束部件的形状和材料在蒙特卡罗程序中进行建模，将经过该射束调整装置之前的粒子的能量、位置、权重与方向，输入到蒙特卡罗程序，模拟得到在每个限束部件中产生的次级粒子的能量、位置、权重与方向，作为各限束部件的散射强度分布。可选的，在将经过该射束调整装置之前的粒子的能量、位置、权重与方向，输入到蒙特卡罗程序之前，对于无权重的粒子，定义其权重为任意正的常数且各粒子的权重相等，对于无能量的粒子，定义其能量为任意正的常数且各粒子的能量相等。可选地，该计算粒子经过射束调整装置后的强度分布还包括根据设置的权重阈值和存活概率筛选穿过该射束调整装置的粒子。可选地，该根据设置的权重阈值和存活概率筛选穿过该射束调整装置的粒子包括：设置阈值W0和存活概率P0，若粒子权重小于W0，则在0到1之间抽样得到一个随机数，若该随机数小于P0，则判定该粒子存活，将其权重除以P0；若该随机数大于或等于P0，则将该粒子丢弃。可选地，该射束调整装置为多叶准直器，该限束部件为多叶准直器的叶片。本专利技术还提出一种确定经过射束调整装置的粒子强度分布的装置，包括预处理模块，配置为产生不同入射位置与方向的粒子与该射束调整装置的各限束部件的交线长度矩阵，其中各限束部件确定限定该射束调整装置的形状；强度计算模块，耦接该预处理模块，配置为按照下述步骤计算粒子经过该射束调整装置后的强度分布：获取粒子穿过该射束调整装置前的状态，该状态包括粒子在射束坐标系中的权重和/或能量、位置与方向；使用该射束调整装置的各限束部件的交线长度矩阵和该粒子在射束坐标系中的位置与方向来计算粒子与各限束部件的交线长度，并求和获得粒子经过该射束调整装置的交线长度，其中所述交线长度矩阵包括不同入射位置的粒子与不同入射方向的粒子与对应的各限束部件的交线长度；使用粒子穿过该射束调整装置前的权重和/或能量以及粒子穿过该射束调整装置的交线长度来计算粒子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法，包括以下步骤：计算粒子经过射束调整装置后的强度分布，包括：获取粒子穿过该射束调整装置前的状态，该状态包括粒子在射束坐标系中的权重和/或能量、位置、与方向；使用该射束调整装置的各限束部件的交线长度矩阵和该粒子在射束坐标系中的位置与方向来计算粒子经过该射束调整装置的交线长度，其中所述交线长度矩阵包括不同入射位置的粒子与不同入射方向的粒子与对应的限束部件的交线长度；使用粒子穿过该射束调整装置前的权重和/或能量以及粒子穿过该射束调整装置的交线长度来计算粒子经过该射束调整装置后的权重和/或能量改变；以及将粒子的位置沿着粒子的方向由射束调整装置前变换到射束调整装置后，得到原粒子强度分布。

【技术特征摘要】
1.一种确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法，包括以下步骤：计算粒子经过射束调整装置后的强度分布，包括：获取粒子穿过该射束调整装置前的状态，该状态包括粒子在射束坐标系中的权重和/或能量、位置、与方向；使用该射束调整装置的各限束部件的交线长度矩阵和该粒子在射束坐标系中的位置与方向来计算粒子经过该射束调整装置的交线长度，其中所述交线长度矩阵包括不同入射位置的粒子与不同入射方向的粒子与对应的限束部件的交线长度；使用粒子穿过该射束调整装置前的权重和/或能量以及粒子穿过该射束调整装置的交线长度来计算粒子经过该射束调整装置后的权重和/或能量改变；以及将粒子的位置沿着粒子的方向由射束调整装置前变换到射束调整装置后，得到原粒子强度分布。2.根据权利要求1所述的确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法，其特征在于，在计算粒子经过射束调整装置后的强度分布之前，还包括预处理，所述预处理包括产生不同入射位置的粒子与不同入射方向的粒子与该射束调整装置的各限束部件的交线长度矩阵。3.根据权利要求2所述的确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法，其特征在于，使用交线长度矩阵和该粒子在射束坐标系中的位置与方向来计算粒子经过该射束调整装置的交线长度包括：首先计算粒子与射束调整装置的各限束部件的交线长度，再求和获得粒子经过该射束调整装置的交线长度。4.根据权利要求3所述的确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法，其特征在于，使用该射束调整装置的各限束部件的交线长度矩阵和该粒子在射束坐标系中的位置与方向来计算粒子经过该射束调整装置的交线长度包括：利用粒子在该射束坐标系中的位置与方向，及各限束部件坐标系相对于该射束坐标系的平移或平移与旋转，求得粒子在各限束部件坐标系中的位置与方向；利用各限束部件对应的交线长度矩阵，获取与粒子在各限束部件坐标系中的位置与方向所对应的交线长度，分别作为粒子与各限束部件的交线长度。5.根据权利要求4所述的确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法，其特征在于，预处理还包括根据各限束部件配置信息计算出各限束部件坐标系相对于该射束坐标系的平移或平移与旋转。6.根据权利要求4所述的确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法，其特征在于，在使用交线长度矩阵和该粒子在射束坐标系中的位置与方向来计算粒子经过该射束调整装置的交线长度的步骤中，在求得粒子在各限束部件坐标系中的位置与方向之前还包括：判断粒子是否穿过且只穿过限束部件部分高度，如果是则在使用该交线长度矩阵的条件下求得粒子在各限束部件中的交线长度，否则在不使用该交线长度矩阵的条件下求得粒子在限束部件中的交线长度。7.根据权利要求2所述的确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法，其特征在于，该预处理还包括产生该射束调整装置的各限束部件的散射强度分布。8.根据权利要求7所述的确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法，其特征在于，计算粒子经过射束调整装置后的强度分布还包括利用各限束部件坐标系相对该射束坐标系的平移或平移与旋转，将各限束部件的散射强度分布中的位置进行变换，计算新的散射强度分布。9.根据权利要求7所述的确定经过射束调整装置的粒子强度分布的方法，其特征在于，产生该射束调整装置的各限束部件的散射强度...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘娟，周婧劼，李贵，唐寅，
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