【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及带电粒子运输的数值模拟领域。它解决了放射疗法领域中的问题，即生成要在存在外部磁场的情况下输送的放射治疗计划。
技术介绍
1、治疗计划系统预计能够找到一个描述如何向肿瘤输送规定的放射剂量，同时最小化对周围有风险的组织和器官的放射的治疗计划。为此目的，治疗计划系统可以计算当线性加速器根据暂定治疗计划操作时患者将接受什么剂量。尤其在所谓的磁共振引导放射疗法(mrgrt)中实施存在磁场的放射疗法，其中磁场能够对患者进行实时磁共振成像(mri)。众所周知，外部磁场也影响输送到患者组织的剂量(剂量分布偏移、电子返回效应、电子流效应)。此外还设想利用磁力进行局部剂量调整；例如，适当的局部磁场可以使难以定位的危险器官周围的带电粒子偏转。因此，期望提供也考虑磁效应的剂量计算方法。
2、众所周知，蒙特卡罗(monte-carlo)剂量计算可以提供精确的近似值，并且它们能够实现材料的高水平细节和粒子相互作用的精确描述。此类剂量计算方法通过基于蒙特卡罗的粒子运输模拟而成为可能。这种剂量计算方法的实现可以包括粒子运输模拟以作为部件。a.f.bielajew的“electron transport in e and b fields(e场和b场中的电子运输)”中提出了一种在存在电场和磁场的情况下模拟电子运输的早期方法，参见：t.m.jenkins等(编辑)，monte carlo transport of electrons and photon，埃托雷·马约拉纳国际科学系列，第38期，全会出版社，1988年。这里，洛伦兹力是通过根据
3、v.n.malkov等人的“charged particle transport in magnetic fields inegsnrc(egsnrc中在磁场中的带电粒子运输)”,med.phys.,vol.43,no.7,pp.4447-4458(2016)中公开了一种更新的基于蒙特卡罗的粒子运输模拟方法，该方法考虑了磁效应。这是一种三点积分方法(3-p方法)，该方法在评估方向变化时结合了多重散射。
4、此外，penelope代码系统使用圆形轨道的解析解。参见f.salvat等人，penelope-2018：a code system for monte carlo simulations of electron and photontransport(电子和光子运输的蒙特卡罗模拟的代码系统)，oecd核能机构，nea/mbdav/r(2019)1(2019)。
5、可以比较粒子运输模拟方法性能的一个品质因数是它们在给定条件下支持的最大步长。参考bielajew的上述工作中的方程19.32-19.37，该方程引入了各种无量纲参数，如果要预期收敛，这些参数必须保持很小。一般情况下，可以通过减小步长来实现参数的所需小，但这将对模拟给定长度的粒子路径带来对应的计算量增加。对于表示每个步的方向变化(以弧度为单位)的参数δ，已表明3-p积分直到δ＝0.2时可以令人满意地执行，而1-p积分通常仅限于更小的δ≤0.02。malkov(2016)论文和penelope均推荐限制δ≤0.02。
技术实现思路
1、本公开的目的是使方法和设备准确且有效地模拟外部磁场中的带电粒子运输。特别地，该方法和设备应该能够以可接受的大步长运行。另一目标是提出适合支持放射治疗剂量计算的这样的方法和设备。进一步的目标是解决由非线性运动方程控制的带电粒子运输的模拟。本公开的又一目的是提出一种用于根据包括面向机器的指令的治疗计划计算待照射介质中的剂量分布的方法。
2、这些目标中的至少一些通过独立权利要求所限定的本专利技术来实现。从属权利要求涉及本专利技术的有利实施例。
3、在本专利技术的第一方面，提供了一种根据模型来模拟外部磁场b中的带电粒子运输的方法，在模型中带电粒子的单位方向矢量的牛顿第二定律，
4、u′(t)＝f(u(t)，η(t))，
5、包括力项f，该力项取决于单位方向向量u(t)并且进一步非线性地取决于粒子的运动变量η(t)。在该方法中，使用隐式有限差分方法求解牛顿第二定律，其中在时间步的持续时间δt内，该力项通过单位方向矢量和运动变量的插值的值来近似。每个量的插值是该量在时间步t和t+δt的端点处的值的组合。
6、该方法的一个重要优点是它可以在大范围的步幅内操作。更准确地说，数值评估表明，即使每个时间步的方向变化大到δ＝0.3弧度，它不遭受任何明显的精度损失。此外，根据第一方面提出的方法可以容易地与其它方法——诸如在申请人的raystationtm软件的应用和penelope代码系统中使用的随机铰链方法——组合。它还可以应用于3-p方法中的每个单独的点，从而可能实现更大的步幅。
7、在一些实施例中，用于近似力项的插值是端点值的线性组合。特别地，该插值可以是平均值，由此：
8、
9、这些选项中的每一个提供了牛顿第二定律的简单而鲁棒的近似。
10、在一些实施例中，模拟方法进一步包括模拟粒子相互作用，诸如粒子与介质之间的多重散射。该相互作用被模拟为有限差分方法的两个时间步之间发生的离散事件。
11、模拟运输的带电粒子可以是任何带电粒子或原子核，可能包括正电子、π介子(pion)和μ介子(muon)。在一些实施例中，带电粒子是电子、质子、氦离子或碳离子。
12、根据第一方面的方法可以被集成到剂量分布计算方法中，该剂量分布计算方法将治疗计划作为其输入，通过该治疗计划将在存在磁场的情况下通过带电粒子照射介质。该方法包括模拟粒子运输，该粒子运输包括与介质的相互作用，其中剂量分布被计算为模拟的相互作用的结果。
13、在本专利技术的第二方面，提供了一种被配置为执行上述方法的治疗计划系统。本专利技术进一步涉及一种包含指令的计算机程序，该指令用于使计算机、或者特别是治疗计划系统执行上述方法。计算机程序可以存储或分布在数据载体上。如本文所使用的，“数据载体”可以是暂时性数据载体，诸如调制电磁波或光波，或者非暂时性数据载体。非瞬态数据载体包括易失性和非易失性存储器，诸如磁、光或固态类型的永久和非永久存储介质。仍然在“数据载体”的范围内，这样的存储器可以是固定安装的或便携式的。
14、本公开涉及广义意义上的“牛顿第二定律”及其“力项”。在一些实施例中，所求解的微分方程不是以1m/s为单位的速度v(t)的牛顿第二定律的经典形式，而是针对单位方向向量制定的牛顿第二定律
15、
16、该数量的单位可以是1/s。牛顿第二定律的经典形式可以通过变量替换转化为单位方向向量公式；参见bielajew(1988)。在这个公式中，虽然牛顿第二定律的右侧具有与经典力不同的单位，但它仍然被称为力项。
17、一般而言，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种根据模型模拟外部磁场B中带电粒子运输的计算机实现方法，在所述模型中带电粒子的单位方向矢量的牛顿第二定律u′(t)＝F(u(t)，η(t))包括力项F，所述力项F取决于单位方向向量u(t)并且进一步非线性地取决于所述粒子的运动变量η(t)，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述插值中的至少一个是端点值的线性组合。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述插值中的至少一个是所述端点值的平均值。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述粒子的所述至少一个运动变量η(t)是以下中的一个或多个：总能量、动能、线性动量、速度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过评估由所述粒子行进的距离的阻止功率函数，来计算稍后端点处的运动变量η(t+Δt)的值。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述运动变量为总能量E(t)，并且所述力项等于
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述有限差分方法如下演化所述单位方向向量：
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：p>
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所模拟的相互作用包括多重散射。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述带电粒子是电子、质子、氦离子或碳离子。
11.一种根据治疗计划计算待照射介质中的剂量分布的方法(100)，所述方法包括：
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述粒子运输模拟是蒙特卡罗型模拟。
13.根据权利要求11或12所述的方法，进一步包括：
14.一种治疗计划系统(200)，包括存储器(220)和处理电路(230)，所述处理电路(230)被配置为执行前述权利要求中任一项所述的方法。
15.一种包括指令的计算机程序(221)，当由计算机执行时，所述指令使所述计算机执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种根据模型模拟外部磁场b中带电粒子运输的计算机实现方法，在所述模型中带电粒子的单位方向矢量的牛顿第二定律u′(t)＝f(u(t)，η(t))包括力项f，所述力项f取决于单位方向向量u(t)并且进一步非线性地取决于所述粒子的运动变量η(t)，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述插值中的至少一个是端点值的线性组合。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述插值中的至少一个是所述端点值的平均值。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述粒子的所述至少一个运动变量η(t)是以下中的一个或多个：总能量、动能、线性动量、速度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过评估由所述粒子行进的距离的阻止功率函数，来计算稍后端点处的运动变量η(t+δt)的值。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述运动变量为总能量e(t)，并且所述力项等于
7.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：昂内斯·安格鲁德，克拉斯·费尔特，
申请(专利权)人：光线搜索实验室公司，
类型：发明
国别省市：
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