[发明专利]一种基于优化算法的粒子束注量分解为笔形束的方法

说明书

本发明公开了一种基于优化算法的粒子束注量分解为笔形束的方法。基于笔形束算法的放疗剂量计算需要将粒子束分解为小的笔形束，各个笔形束通常选用高斯型分布，总的剂量分布为各个笔形束的剂量分布之和。本发明即是一种用优化算法解决带电粒子(如质子、重离子)放疗剂量计算中粒子束注量分解问题的方法，本方法利用探测器测量得到粒子束的注量分布，然后基于优化算法将其分解为若干个笔形束，得到各个笔形束的中心位置、大小和权重。本方法具有适用性广、其分解后的总注量分布和原始分布相比吻合度更高，或者相同误差情况下，分解成的笔形束更少，能大大提高粒子束放疗剂量计算的速度或精度。

技术领域

本发明涉及粒子束放射治疗剂量计算领域，具体涉及使用笔形束剂量算法时将粒子注量分解为笔形束的方法。

背景技术

使用粒子束放疗是放射治疗的基本手段，它包括传统的光子、电子束放疗，也包括新兴的质子、离子束放疗。后两种粒子束在介质中的剂量沉积有“布拉格峰”，即粒子在路径末端迅速损失能量，产生很高的局部剂量沉积，而在剂量峰值之前剂量较低，峰值之后一段距离上就完全没有剂量沉积。布拉格峰位置依赖于粒子能量和介质密度。质子和离子束的这一特点非常适合肿瘤治疗，通过合适的射野形状设计和质子束能量的动态调节,几乎可以对任何形状的肿瘤进行完美的“适形”照射。笔形束扫描技术是一种新型的放疗技术，该方法通过磁体等手段精确地控制加速器出来的带电粒子束的照射位置，使各个照射能量下，照射区域和靶区形状吻合，极大地降低了正常组织的受照射剂量。质子和重离子放疗要精准的控制各个扫描束的扫描位置、能量、权重来实现对靶区的高剂量照射就需要精准的剂量计算。目前笔形束算法是惟一能同时在精度和速度上达到临床要求的质子剂量计算算法。该方法将各个扫描束分解成若干个微小的笔形束，每个笔形束具有高斯型分布。独立计算各个笔形束的剂量值，然后对各个笔形束求和即可得到总的照射剂量。剂量计算的精度、速度和笔形束分解方法直接相关，使用划分得更细的笔形束能更好的处理横向非均匀性，从而提高计算精度，但是笔形束分解得更细能提高精度的同时也会增加计算时间。

目前的笔形束分解方法有三种，一种是用矩形网格对有相同能量的各个扫描束进行整体分解，该方法缺点是无法得到各个扫描束各自的剂量分布。第二种方法也是矩形分解，但是是对各个扫描束独自进行分解，其缺点则是一般一个扫描束要分解成许多个笔形束，效率较低。第三种方法则是在圆环上分解，即一个扫描束分解为中心的笔形束和内层圆环上的6个和外侧圆环上的12个笔形束。该方法效率比第二种方法高，但原始束流强度和分解后各笔形束强度之和最大差距可以达9％，该误差导致剂量计算中出现一些锯齿状的剂量分布。而且该方法有很大的经验性，比如两个圆环的大小和各个笔形束的权重。此外该方法仅适用于原始扫描束为圆形(即对称高斯分布)的情形，也只能分解为圆形笔形束。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用优化算法进行笔形束分解的方法，用于提高笔形束分解的精度和效率，可以用于放疗计划系统的剂量计算中，提高剂量计算的精度和速度。

本发明技术解决方案：一种基于优化算法的粒子束注量分解为笔形束的方法，实现步骤如下：

(1)通过实验测量得到粒子束的注量分布Φ_beam(x,y)，并作为优化分解的输入；

(2)根据计算需要选取各个笔形束的分布函数Φ_i(x,y)的形式，只要该函数可积，该函数包括表征其中心位置、大小的参数，分解后的粒子总注量分布为w_i是各个笔形束的权重，分解的误差即为△Φ(x,y)＝|Φ_beam(x,y)-Φ_decomp(x,y)|；

(3)确定优化笔形束分解的约束条件和优化目标，这些约束和目标包括分解的误差△Φ(x,y)，笔形束的个数，以及笔形束的大小；

(4)优化计算得到各笔形束的中心位置、大小、权重或强度参数，作为后续剂量计算程序的输入。