專利名稱：用于計(jì)算電離輻射沉積的劑量的方法
用于計(jì)算電離輻射沉積的劑量的方法本發(fā)明涉及一種用于計(jì)算電離輻射沉積的劑量的方法，例如，電離輻射由一種裝置用于放射療法的治療處置。本發(fā)明尤其能夠應(yīng)用于強(qiáng)度調(diào)制的放射療法。放射療法是一種治療癌癥的技術(shù)，其原理之一是破壞一個(gè)或多個(gè)腫瘤。利用電離射線射束的相繼外部輻射執(zhí)行對(duì)腫瘤的破壞，同時(shí)最大限度地保護(hù)健康組織。操作模式需要關(guān)于腫瘤以及其在患者有機(jī)體中的精確位置的形態(tài)學(xué)知識(shí)。這種信息是借助源自掃描器的圖像或通過磁共振獲得的圖像而獲得的。然后由腫瘤學(xué)醫(yī)師，在處置規(guī)劃系統(tǒng)的幫助下確定輻射規(guī)程。輻射規(guī)程具體限定射束的能量、射束的形狀、射束的位置以及射束在腫瘤上的入射角。整體難度在于由選擇最佳參數(shù)，亦即，能夠?qū)崿F(xiàn)最有效并且最安全的劑量分布以處置患者的那些參數(shù)。劑量表示患者有機(jī)體的小體積中所沉積的能量的量。就破壞細(xì)胞而言，劑量直接與處置的效果相關(guān)。因此，劑量是放射療法中使用的基準(zhǔn)量。具體而言，強(qiáng)度調(diào)制放射療法或IMRT的原理特別是沿著固定方向執(zhí)行輻照。總劑量是以不同角度執(zhí)行的在數(shù)十次輻照中沉積的。對(duì)于每個(gè)方向，針對(duì)腫瘤的形狀調(diào)節(jié)射束的形狀。此外，可以在空間上調(diào)制每個(gè)射束的能流(fluence)，以便尤其是適應(yīng)患者的特性。 能流是射束粒子數(shù)量的量化，對(duì)應(yīng)于射束的強(qiáng)度。這樣就能夠?qū)δ[瘤進(jìn)行充分輻射以破壞它，同時(shí)限制對(duì)健康部分的輻照，以便使放射療法的不希望的副作用最小化。于是，腫瘤學(xué)醫(yī)師針對(duì)要治療的每個(gè)區(qū)域指出針對(duì)腫瘤的最小劑量或針對(duì)健康器官的最大劑量。因此， 腫瘤學(xué)醫(yī)師借助其經(jīng)驗(yàn)提出輻照規(guī)程。為了確認(rèn)輻照規(guī)程，醫(yī)師能夠根據(jù)所建議的規(guī)程利用工具計(jì)算患者體內(nèi)的擴(kuò)散劑量。若干種現(xiàn)有的流程使得能夠計(jì)算電離輻射在患者體內(nèi)沉積的劑量?？梢詫⑦@些流程歸入兩類·非常精確的流程，諸如蒙特卡洛(Monte Carlo)流程，對(duì)于在診所中并且尤其是在制訂處置規(guī)程時(shí)而言，該流程需要的計(jì)算時(shí)間太長而無法使用。實(shí)際上，腫瘤學(xué)家的目的之一就是在患者會(huì)診結(jié)束時(shí)，能夠立即定下放射療法會(huì)話的日期。因此，腫瘤學(xué)家有大約二十分鐘來批準(zhǔn)他所定制的規(guī)程。此外，如果腫瘤學(xué)家希望優(yōu)化規(guī)程，劑量計(jì)算必須僅花費(fèi)數(shù)秒鐘，從而能夠在優(yōu)化過程的框架內(nèi)反復(fù)計(jì)算劑量。諸如這些的精確流程對(duì)于要在這一框架之內(nèi)使用的計(jì)算時(shí)間而言，代價(jià)過高。·更快的流程，諸如Clarkson、筆形波束、核心(Kernel)流程，通常在精確度方面非常不足。獲得的結(jié)果的精確度差會(huì)將患者生命置于危險(xiǎn)中。實(shí)際上，患者由不同電子組成和密度的各種材料構(gòu)成肌肉、水、骨骼。射束依次通過的兩種材料之間的過渡可能導(dǎo)致在這兩種材料之間的界面水平處電子失衡，這顯著改變了界面附近沉積的劑量?？焖倭鞒虒?duì)界面處的電子失衡有大致的操控，或甚至不存在操控。例如，在復(fù)雜界面附近，計(jì)算誤差可能超過實(shí)際沉積劑量的15%。在腫瘤上輻射劑量不足的情況下，這可能意味著有些細(xì)胞會(huì)存活下來，因此治療未起作用。對(duì)于關(guān)鍵器官，諸如脊髓或視神經(jīng)，劑量過大的情況下，這可能意味著對(duì)這些器官造成不可逆的損傷。此外，即使這些流程比蒙特卡洛型的流程更快， 它們也未能實(shí)現(xiàn)充分短的計(jì)算時(shí)間，以便能夠用于處置規(guī)劃的自動(dòng)優(yōu)化。在如下文獻(xiàn)中具體描述了所謂的蒙特卡洛流程“Monte Carlo techniquesin medical radiation physic”，Phys. Med. Biol. 36，861—920，Andreo P. ,1991,以及 “PENEL0PE-2006，A Code System for Monte Carlo Simulation of Electron and Photon Transport，，，Salvat F. Λ Fernandez-Varea J.、Acosta E.禾口 Sempau J.，2006，NEA 6222， ISBN :92-64-02301-1"。蒙特卡洛流程利用了輻射-物質(zhì)交互作用的微觀統(tǒng)計(jì)學(xué)物理模型通過連續(xù)隨機(jī)繪制粒子和粒子所穿過的材料之間交互作用的概率來模擬射束粒子的軌跡。為了使結(jié)果在統(tǒng)計(jì)學(xué)上可接受，模擬了大量的軌跡數(shù)量級(jí)為107。然后在粒子所轟擊的體積的體素中總計(jì)各種交互作用釋放的劑量?？梢詫Ⅲw素定義為數(shù)字化三維空間的最小元素它就像體積像素。大量的軌跡計(jì)算需要非常可觀的計(jì)算時(shí)間，在常規(guī)計(jì)算機(jī)上以小時(shí)計(jì)。在如下文獻(xiàn)中具體描述了稱為“相空間演變(Phase Space Evolution) ”的流禾呈"Numerical calculation of energy deposition by broad high-energy electron beams”，Phys. Med. Biol. 34，1371—96，Huizenga, H.和 Storchi, P. R. Μ. 1989 年，以及 “Numerical calculation of energy deposition by high-energy electron beams III”，Riedeman, D. ；Morawska-Kaczynska, Μ. ；Storchi, P. R. Μ. Huizenga, H. , 1994 年， Three-dimensional heterogeneous media，Phys. Med. Biol. 39，1351—66。這禾中、流禾呈包括在給定體積之內(nèi)逐體素輸送電子通量構(gòu)成，根據(jù)它們的能量和它們的位移角對(duì)其進(jìn)行采樣。 這使得必須在數(shù)據(jù)庫中針對(duì)沿給定方向到達(dá)體素的給定能量的每組電子采用模型，該模型給出源自體素的電子的能量和角度分布。特別將給出能量分布的模型稱為分布函數(shù)。分布函數(shù)是借助物理方程預(yù)先計(jì)算的，但也可以借助諸如先前所述的蒙特卡洛型模擬來計(jì)算它們。使用預(yù)先計(jì)算的數(shù)據(jù)的“相空間演變”流程，比蒙特卡洛流程更快。然而，它需要的計(jì)算時(shí)間仍然非?？捎^。另一種方法在物理原理方面相當(dāng)類似，包括通過有限元技術(shù)求解電子和光子輸運(yùn)的宏觀方程。例如，Gifford K. A.、Horton J. L、Wareing T.A.、Failla G 和 Mourtada F在如下文獻(xiàn)中為這種方法提供了波耳茲曼輸運(yùn)(Boltzmarm transport)的線性方程 “Comparison of a finite-element multigroup discrete-ordinates code with Monte Carlo for radiotherapy calculations", Physics in Medicine and Biology,51, 2253-2^5，2006。感興趣的物理量是能流，在這里能流是在任何點(diǎn)處、針對(duì)任何方向、針對(duì)考慮的各種類型粒子以及針對(duì)每種粒子的任何能級(jí)定義的多變量函數(shù)。這種函數(shù)在實(shí)踐中根據(jù)有限元技術(shù)的基本原理，按照粒子的方向和能級(jí)進(jìn)行量化。在空間上將所述函數(shù)投影到諸如勒讓德(Legendre)多項(xiàng)式的局部分解基準(zhǔn)上。解是通解。之后借助能流表達(dá)式計(jì)算小體積中的劑量。根據(jù)方向和能級(jí)進(jìn)行量化不可能過于粗糙，以免過于不精確，這種流程必然需要一定的存儲(chǔ)器大小，并且計(jì)算時(shí)間仍然相當(dāng)大。為了加快劑量計(jì)算，已經(jīng)提出使用蒙特卡洛流程在均質(zhì)體模上預(yù)先計(jì)算的三維劑量分布，以便重建不均質(zhì)體模上的劑量。體模是人體的數(shù)值表示，用于模擬輻射對(duì)有機(jī)體的效果。在更快的計(jì)算流程中，一些計(jì)算流程隱含地考慮在整個(gè)體模上存在電子平衡。在進(jìn)入體積并在其中沉積其能量的電子與離開該體積的電子一樣多時(shí)，在無窮小體積的材料中實(shí)現(xiàn)電子平衡。例如，如Wong J. Purdy J.在如下文獻(xiàn)中描述的流程的情況“On methods of inhomogeneity corrections for photon transport，，，1990, Med. Phys. 17,807-14,在2004 年的 AAPM 文獻(xiàn)中Tissue inhomogeneity corrections for megavoltage photon beams，AAPM報(bào)告No. 85 (College Park,MD =AAPM)。這些流程提出了不均質(zhì)劑量分布的點(diǎn)和位于均質(zhì)劑量分布中相同輻射深度處的點(diǎn)，亦即兩個(gè)射束的能流相同的點(diǎn)，之間的映射。然而，這種流程在不同材料之間的界面處過于不精確，因?yàn)樗徊倏亟缑嫣幍碾娮油坎町悺Ｈ缦挛墨I(xiàn)中具體描述了稱為Clarkson流程的另一種流程=Clarkson, J.，"A note on depth doses in fields of irregular shape",1941 ；Brit.J.Radiol. 14,265-8 ； "Scatter-air ratios，，，Phys. Med. Biol. 17,42-51, Cunningham J. R. ,1972。在 Clarkson 的流程中，在兩個(gè)水平，即初級(jí)劑量水平和次級(jí)劑量水平，執(zhí)行劑量計(jì)算。初級(jí)劑量可以定義為由例如構(gòu)成粒子射束的光子與物質(zhì)的第一交互作用，并且然后由源自第一交互作用的電子，沉積的劑量。次級(jí)劑量可以定義為由次級(jí)光子經(jīng)由它們與物質(zhì)的交互作用或它們所產(chǎn)生的電子與物質(zhì)的交互作用而沉積的劑量。如果光子不構(gòu)成初始射束，而是在另一光子或電子與物質(zhì)交互作用之后產(chǎn)生的，將該光子稱為次級(jí)的，所述另一光子自身能夠構(gòu)成初始射束或源于初始射束的光子與物質(zhì)的第一交互作用引起的級(jí)聯(lián)交互作用。通過將寬射束截面切片成三角形扇區(qū)，這種流程通過將每個(gè)扇區(qū)的貢獻(xiàn)加在一起來重建劑量。之后能夠在具有不均質(zhì)能流的射束分布的情況下調(diào)整Clarkson流程。例如可以通過楔形過濾器獲得不均質(zhì)的能流。在這種情況下，Clarkson流程還包括將射束切片成角度扇區(qū)。最后，通過考慮射束所穿過的、被切割成扇區(qū)和子扇區(qū)并隨后被次級(jí)粒子穿過的材料來處置不均質(zhì)體模。這些各種各樣的調(diào)整為計(jì)算增加了很大復(fù)雜性，同時(shí)未確保良好的精確度。如下文獻(xiàn)具體描述了所謂的卷積和/或疊加流程=Mackie T. R.、Scrimger J. W.禾口 Battista J. J. , 1985, "A convolution method of calculating dose for 15-MV χ rays", Med. Phys. 12,188-96 ； AhnesjoA. ，1989，"Collapsed cone convolution of radiant energy for photon dose calculation in heterogeneous media",Med. Phys. 16, 577-92 ；Tillikainen L. 、Helminen H. 、Torsti Τ. ,Siljamaki S. 、Alakuijala J. 、Pyyry J. Ulmer 禾口 W. ,2008,"A 3D pencil-beam-based superposition algorithm for photon dose calculation in heterogeneous media，，，Phys. Med. Biol. 53, 3821-39。禾爾為“點(diǎn)源核”的常規(guī)方法使用能量沉積核心。能量沉積核心給出初級(jí)光子的交互作用點(diǎn)周圍的次級(jí)劑量的擴(kuò)展。經(jīng)由蒙特卡羅模擬來預(yù)先計(jì)算核心。于是，可以通過對(duì)這樣的核心與針對(duì)初級(jí)光子的交互作用密度進(jìn)行卷積而獲得三維劑量?？梢酝ㄟ^射束的深度方向繪圖獲得初級(jí)光子的交互作用密度。然而，這種卷積需要相當(dāng)多計(jì)算時(shí)間，已經(jīng)提出了各種加速方式。一種這樣的方式是由Ahnesj0描述的所謂“塌陷錐形卷積”流程?！八蒎F形卷積”流程包括指數(shù)函數(shù)形式的建模核心。這樣的建模能夠?qū)崿F(xiàn)卷積計(jì)算的加速方案。然而，盡管計(jì)算加速了，但它們?nèi)匀怀掷m(xù)數(shù)分鐘，這不適于期望的使用條件。用于加速“點(diǎn)源核”流程卷積的另一種常規(guī)方法被稱為“筆形射束”。由Tillikainen描述的“筆形射束”流程包括如下操作沿著垂直軸對(duì)核心進(jìn)行預(yù)積分，以形成由無窮小截面的射束沉積的劑量。那么，針對(duì)完整射束重建劑量包括如下操作使用“筆形射束”核心與完整射束的輸入能流分布的卷積。 對(duì)這種流程進(jìn)行校正能夠在兩種不同材料之間的界面水平處獲得適當(dāng)精確度的劑量計(jì)算。 然而，計(jì)算時(shí)間仍然保持?jǐn)?shù)分鐘。很多作者提出使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來學(xué)習(xí)均質(zhì)材料中的劑量分布以便針對(duì)非均質(zhì)材料再現(xiàn)它們。在使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的流程中，Vasseur A. ,Makovicka L. ,Martin Ε. ,SaugetΜ·、Contassot-Vivier S.和Bahi J.于2008年在如下文獻(xiàn)中描述了一種流程“Dose calculations using artificial neural networks :a feasibility study for photon beams”，Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 266，1085-93。假設(shè)因?yàn)閱栴}的復(fù)雜性未想到使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般化的能力，使得它們在非均質(zhì)介質(zhì)中直接再現(xiàn)劑量，Vasseur提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與調(diào)節(jié)界面處劑量的技術(shù)結(jié)合。非均質(zhì)介質(zhì)是包括若干種不同材料的介質(zhì)。由此構(gòu)造出半物理模型。然而，由于假設(shè)不同材料之間的界面處存在電子連續(xù)性，所以Vasseur描述的流程不能對(duì)IMRT的窄射束正確建模。B. Blmpain、D. Mercier. J. Barthe在如下文獻(xiàn)中提出了只寸@禾中禾呈白勺改 :“Calcul par reseaux de neurones de la dose d dose deposee en radiotherapie par un faisceau fin dans un volume heterogene，，[由才申罾網(wǎng)金各it 算放射療法中細(xì)長射束在不均質(zhì)體積中沉積的劑量(Calculation by neural networks of the dose deposited in radiotherapy by a slender beam in a heterogeneous volume)]， Actes de la manifestation des jeunes chercheurs en sciences et technologies de 1' information et de la communication[信息禾口通信禾斗技令頁域年輕石if 究人員工作進(jìn)展(Proceedings of the work of young researchers in information and communication sciences and technologies)],MaJeSTIC 2007，Caen，2007年 10 月 29-31 日。所提出的改進(jìn)是將使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的流程擴(kuò)展到窄射束，窄射束沒有橫向電子平衡，由此在不同材料之間的界面水平處導(dǎo)致相當(dāng)大的不連續(xù)性。然而，對(duì)于期望的應(yīng)用而言，這樣的流程不夠精確或快速。本發(fā)明的目的主要是非?？焖俚赜?jì)算輻照規(guī)程在患者體內(nèi)沉積的劑量，同時(shí)足夠精確而不會(huì)危及患者。為此目的，本發(fā)明的主題是一種用于計(jì)算由電離粒子的至少一個(gè)射束在患者體模體素上沉積的劑量的方法。體模可以被網(wǎng)格化。體模的每個(gè)網(wǎng)格單元可以包括同一種材料的體素。該計(jì)算方法針對(duì)每個(gè)射束能夠包括至少如下步驟·第一步驟，計(jì)算至少一個(gè)解析函數(shù)，用于例如針對(duì)所述體模的一組網(wǎng)格單元中的每個(gè)網(wǎng)格單元分配由第一射束沉積的劑量； 第二步驟，計(jì)算所述網(wǎng)格的若干體素上的劑量，體素的劑量值尤其是用于分配所述體素所屬的網(wǎng)格單元的劑量的解析函數(shù)在所述網(wǎng)格單元中體素位置處的值。第一步驟可以包括·首先針對(duì)第一射束所穿過的體模的第一網(wǎng)格單元計(jì)算解析函數(shù)，由此所獲得的解析函數(shù)可以為支柱(pillar)模型；·第二針對(duì)第一射束未穿過的體模的第二網(wǎng)格單元計(jì)算解析函數(shù)，例如其方式為 使所述支柱模型散射，從第一射束所穿過的網(wǎng)格單元開始，逐漸貫穿體模的第二網(wǎng)格單元， 以便獲得例如針對(duì)所述第一射束未穿過的該組網(wǎng)格單元中的網(wǎng)格單元的散射模型。體模的該組網(wǎng)格單元包括網(wǎng)格單元，對(duì)于其中的每個(gè)網(wǎng)格單元，例如，解析函數(shù)在所述網(wǎng)格單元上的值中的至少一個(gè)大于給定閾值。解析函數(shù)可以包括至少兩個(gè)函數(shù)·第一投影函數(shù)，所述第一投影函數(shù)將例如網(wǎng)格單元的第一位置ρ與例如均質(zhì)材料的體模中的第二位置P'相關(guān)聯(lián)，所述均質(zhì)材料的特性類似于所述網(wǎng)格單元的體素材料的特性； 第二模型函數(shù)，所述第二模型函數(shù)例如將均質(zhì)材料的體模中的第二位置ρ'與類似于第一射束的第二射束在那里沉積的劑量相關(guān)聯(lián)。散射模型可以包括三個(gè)函數(shù)·第一投影函數(shù)；·第二模型函數(shù)；·第三有效性函數(shù)，所述第三有效性函數(shù)將例如所述第二網(wǎng)格單元之一中的第三位置與應(yīng)用于第二模型函數(shù)的加權(quán)的程度相關(guān)聯(lián)?？梢岳美鐚⒌谝簧涫纸獬扇舾勺由涫?，針對(duì)各種材料的兩個(gè)相鄰網(wǎng)格單元計(jì)算用于分配劑量的解析函數(shù)，第一射束可能以傾斜方式穿過兩個(gè)網(wǎng)格單元之間的第二界面?？梢园凑张c針對(duì)射束的相同的方式針對(duì)每個(gè)子射束執(zhí)行解析函數(shù)的計(jì)算。還可以不使用射束的任何分解或應(yīng)用不同的變形投影，確保界面處的能流的連續(xù)性?？梢葬槍?duì)各種材料的兩個(gè)相鄰網(wǎng)格單元計(jì)算用于分配由第一射束沉積的劑量的解析函數(shù)，第一射束例如以基本平行于第一界面的方式傳播。解析函數(shù)的計(jì)算可以包括計(jì)算每個(gè)子射束的解析函數(shù)?？梢詫⒌谝簧涫纸獬扇舾勺由涫?。可以按照與針對(duì)射束的相同的方式針對(duì)每個(gè)子射束執(zhí)行解析函數(shù)的計(jì)算。可以通過與第一射束的每個(gè)子射束相關(guān)聯(lián)的解析函數(shù)的加權(quán)和來獲得用于分配第一射束沉積的劑量的解析函數(shù)，所述加權(quán)取決于網(wǎng)格單元的第一位置P。所述加權(quán)可以是從源自高斯形狀函數(shù)的第一系數(shù)的正規(guī)化推導(dǎo)出的。所述加權(quán)可以是從源自鐘形函數(shù)的形狀的函數(shù)的第二系數(shù)的正規(guī)化推導(dǎo)出的。可以向解析函數(shù)應(yīng)用校正元，用于針對(duì)第五網(wǎng)格單元分配劑量，第五網(wǎng)格單元相對(duì)于與所述第五網(wǎng)格單元相鄰的第六網(wǎng)格單元具有不同的材料，所述校正元能夠?qū)Φ谖寰W(wǎng)格單元和相鄰第六網(wǎng)格單元之間的第三界面附近的電子不連續(xù)性建模。所述校正元可以基于字面上表示停止模型的“停機(jī)(shutdown) ”模型。用于網(wǎng)格單元的所述校正元基于所述網(wǎng)格單元的解析函數(shù)的加權(quán)和以及與所述網(wǎng)格單元相鄰的網(wǎng)格單元的解析函數(shù)的加權(quán)和，所述加權(quán)取決于所述網(wǎng)格單元中的第一位直P。由基礎(chǔ)模型給出射束在均質(zhì)材料的體模中沉積的劑量，利用根據(jù)蒙特卡洛流程模擬獲得的劑量分布預(yù)先計(jì)算所述基礎(chǔ)模型。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是針對(duì)體模的一組點(diǎn)獲得了大大減少的劑量計(jì)算時(shí)間。借助如下以非限制性例示性方式并參考附圖給出的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，在附圖中示出了 ·

圖1 根據(jù)本發(fā)明的方法的主要步驟的流程圖；·圖加計(jì)算體模的點(diǎn)上的劑量的第一范例；·圖2b 計(jì)算體模的點(diǎn)上的劑量的第二范例；·圖3a 針對(duì)體模的網(wǎng)格單元計(jì)算解析函數(shù)的若干可能步驟；·圖北針對(duì)給定網(wǎng)格單元和給定射束計(jì)算解析函數(shù)的若干可能步驟；·圖4 將均質(zhì)介質(zhì)中的模型投影到非均質(zhì)介質(zhì)上的流程的范例；·圖5 穿過均質(zhì)材料網(wǎng)格單元的射束；·圖6 位于包括兩種不同材料的兩個(gè)網(wǎng)格單元之間的界面上的射束；·圖7 以基本正交于兩種材料之間的界面的方式穿過包括兩種不同材料的兩個(gè)網(wǎng)格單元的射束；·圖8 傾斜穿過網(wǎng)格單元的射束。圖1示出了一種用于計(jì)算由至少一個(gè)粒子射束沉積的電離輻射的劑量的方法的若干一般步驟?？梢杂捎糜诎┌Y的治療處置的裝置使用這樣的粒子射束。根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算方法尤其能夠由放射療法處置規(guī)劃系統(tǒng)實(shí)施。這樣的系統(tǒng)尤其能夠由腫瘤學(xué)醫(yī)師在診療過程中使用，以便利用放射療法建立治療處置規(guī)程。電離輻射處置的原理是同時(shí)利用諸如光子、電子、強(qiáng)子的粒子的一個(gè)或多個(gè)射束來破壞腫瘤。在舉例給出的實(shí)施例的框架之內(nèi)，粒子射束是截面恒定并且能流均勻的窄光子射束。然而，本發(fā)明并不限于這樣的射束，可以將本發(fā)明應(yīng)用于異質(zhì)和發(fā)散射束。光子的主要功能是使電子運(yùn)動(dòng)，所述電子負(fù)責(zé)電離和劑量沉積的大部分。這是將光子稱為間接電離，將電子稱為直接電離的原因。用于表征光子射束的物理量是能流。由穿過單位表面面積的光子的數(shù)量來定義能流。穿透均質(zhì)材料的光子射束的能流Φ ο根據(jù)指數(shù)定律衰減。在射束穿透的材料中的深度 Z處，由如下關(guān)系給出尚未交互作用的光子能流Φζ = Φ0θ"μζ(1000)系數(shù)μ被稱為線性衰減系數(shù)。它與材料的電子密度，即每單位體積的電子數(shù)成正比，并且還隨著光子的能量而變化。電離的原子釋放電子，在其行程中，在丟失其全部能量而停止之前導(dǎo)致其他電離。 與光子相比，電子與物質(zhì)連續(xù)交互作用，從而非常快速地失去其能量。它們的行程長度有限，而光子穿過任何厚度物質(zhì)的概率非零。用于量化電離輻射的能量沉積的量是劑量D。劑量D是相對(duì)于質(zhì)量m，等于沉積的能量的局部量。這一沉積的能量是進(jìn)入小體積質(zhì)量dm以及從其再次出現(xiàn)的能量之間的差異dE。因此 D = dE/dm(1001)根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算方法尤其使用患者的體模，即患者身體的一部分的三維矩陣表示。在體模中，每個(gè)體素的特征在于材料和/或電子密度。之后將患者的體模網(wǎng)格化。網(wǎng)格單元對(duì)應(yīng)于一組相鄰的體素。同一網(wǎng)格單元的所有體素特別涉及到同一種材料和同一電子密度。網(wǎng)格可以是規(guī)則的或不規(guī)則的，網(wǎng)格單元可能具有可變尺度和可變形狀。在接下來的描述中，例如，所使用的網(wǎng)格包括矩形平行六面體形狀的網(wǎng)格單元。根據(jù)本發(fā)明的方法還使用均質(zhì)材料中劑量沉積的基礎(chǔ)模型。每種均質(zhì)介質(zhì)，即構(gòu)成人體的每種材料，都可能有劑量沉積的基礎(chǔ)模型。此外，可以從第二介質(zhì)的模型推導(dǎo)出不可用的第一介質(zhì)模型，即，在電子密度方面與第一介質(zhì)接近?？梢酝ㄟ^第一介質(zhì)的模型的壓縮或擴(kuò)展操作來獲得與第二介質(zhì)相關(guān)的模型。壓縮或擴(kuò)展操作被稱為縮放?？梢越柚ㄟ^蒙特卡洛型流程，例如通過回歸工具的參數(shù)化，通過已知方式獲得的劑量分布，來獲得基礎(chǔ)模型。參數(shù)化步驟有時(shí)稱為學(xué)習(xí)步驟。這樣的回歸工具可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、樣條函數(shù)、用于支持矢量回歸的統(tǒng)稱為SVR的支持矢量回歸因素、或者值表中的內(nèi)插器。尤其針對(duì)同樣的條件定義基礎(chǔ)模型射束始終具有同一截面、同一單位能流、同一能量譜分布，從真空中而來，以基本正交的方式到達(dá)包含所考慮的材料的半空間上。還可以針對(duì)不同截面、不同譜分布或試驗(yàn)條件的其他變化，通過每種材料產(chǎn)生與要考慮的情況同樣多的模型，定義射束的基礎(chǔ)模型。在圖1中示出了用于根據(jù)本發(fā)明計(jì)算劑量1的方法的兩個(gè)主要步驟2、3。用于計(jì)算劑量1的方法的第一主要步驟2可以是，針對(duì)體模的一組網(wǎng)格單元的每個(gè)網(wǎng)格單元并針對(duì)每個(gè)射束來計(jì)算劑量擴(kuò)展的解析公式?？梢詫⑷稚涫纸獬删哂胁煌芰鞯娜舾赡芰魃涫蜃由涫?，若干射束能夠同時(shí)輻照腫瘤。該組網(wǎng)格單元對(duì)于每個(gè)射束或子射束是特定的。該組網(wǎng)格單元對(duì)應(yīng)于射束或子射束輻照的網(wǎng)格單元。解析公式可以是劑量擴(kuò)展的解析函數(shù)或模型，使得能夠直接計(jì)算尤其是由給定射束在給定網(wǎng)格單元的任一點(diǎn)處沉積的劑量。在下文中，對(duì)于劑量擴(kuò)展的解析公式而言，可以互換地采用術(shù)語解析函數(shù)或解析模型。根據(jù)與網(wǎng)格單元的材料交互的射束或子射束的數(shù)目，該組網(wǎng)格單元中的每個(gè)網(wǎng)格單元因此能夠與一個(gè)或多個(gè)解析模型相關(guān)聯(lián)。與射束對(duì)應(yīng)的解析模型或函數(shù)采用網(wǎng)格單元中的點(diǎn)位置作為參數(shù)并提供在網(wǎng)格單元的這一點(diǎn)處射束沉積的劑量作為輸出。因此，第一主要步驟2例如可以包括如下處理操作針對(duì)每個(gè)射束4，并針對(duì)該組網(wǎng)格單元5 中的每個(gè)網(wǎng)格單元，計(jì)算6解析函數(shù)。一旦針對(duì)網(wǎng)格單元執(zhí)行了對(duì)解析函數(shù)的確定，進(jìn)入該組網(wǎng)格單元中對(duì)射束特有的下一網(wǎng)格單元7，計(jì)算與下一網(wǎng)格單元相關(guān)的解析函數(shù)。一旦已經(jīng)貫穿該組網(wǎng)格單元中的所有網(wǎng)格單元，亦即，到達(dá)8該組網(wǎng)格單元的最后網(wǎng)格單元，該算法前進(jìn)到下一射束或子射束9。一旦已經(jīng)貫穿所有射束，亦即已經(jīng)處理10 了最后射束的該組網(wǎng)格單元的最后網(wǎng)格單元，進(jìn)入第二主要步驟3，評(píng)估針對(duì)預(yù)定體素列表的每個(gè)體素的劑量。體素列表例如可以包含體模的該組體素或者僅包含例如從醫(yī)學(xué)角度看特別感興趣的一些體素。如果沒有解析模型與網(wǎng)格單元相關(guān)聯(lián)，認(rèn)為這一網(wǎng)格單元的每個(gè)體素中沉積的劑量為零。圖加和2b表示了用于評(píng)估體模的點(diǎn)處的劑量3的可能步驟的范例，諸如圖1中所示。根據(jù)劑量的疊加原理，在體模的特定位置沉積的劑量是每個(gè)射束或子射束沉積的劑量之和。每個(gè)射束或子射束對(duì)應(yīng)于體模的每個(gè)網(wǎng)格單元的解析模型。圖加表示了計(jì)算體模的各點(diǎn)處的劑量的可能步驟，每個(gè)點(diǎn)都由體素表示。圖加具體表示針對(duì)感興趣體素預(yù)定義列表的劑量的計(jì)算。對(duì)于感興趣體素列表20的每個(gè)體素，這需要識(shí)別列表中經(jīng)受處置的體素，即當(dāng)前體素所屬的體模21的網(wǎng)格單元。之后，對(duì)于與所識(shí)別22的網(wǎng)格單元相關(guān)聯(lián)的每個(gè)解析模型，針對(duì)當(dāng)前體素23計(jì)算劑量值。之后將計(jì)算的劑量值加到先前針對(duì)當(dāng)前體素M使用的解析模型所計(jì)算的劑量值。只要存在未用于計(jì)算所識(shí)別的網(wǎng)格單元25的當(dāng)前體素處的劑量的解析模型，則通過如下操作重復(fù)劑量的計(jì)算 轉(zhuǎn)到針對(duì)所識(shí)別網(wǎng)格單元的下一模型26，并在當(dāng)前模型23之后由下一模型計(jì)算劑量。之后，將下一模型獲得的新劑量加M到先前針對(duì)當(dāng)前體素獲得的劑量。之后，當(dāng)已經(jīng)針對(duì)為當(dāng)前體素27識(shí)別的網(wǎng)格單元的每個(gè)解析模型計(jì)算了劑量時(shí)，在感興趣體素列表20中的當(dāng)前體素觀之后的體素進(jìn)行同樣的計(jì)算，一直這樣做，直到針對(duì)感興趣列表的所有體素計(jì)算了劑量為止。圖2b表示了計(jì)算體模的各點(diǎn)處的劑量的其他可能步驟。當(dāng)在體模的任一點(diǎn)處計(jì)算劑量時(shí)，或者按照常規(guī)方式，例如每η個(gè)點(diǎn)，可以實(shí)施圖2b中所示的步驟，η是例如大于一的整數(shù)。在這種情況下，圖2b中示出的步驟具有使劑量計(jì)算更快的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)闊o需識(shí)別包括當(dāng)前體素的網(wǎng)格單元。針對(duì)體模200的每個(gè)網(wǎng)格單元，針對(duì)體模201經(jīng)受處理的網(wǎng)格單元的每個(gè)體素，或者針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)格單元的每第η個(gè)體素，針對(duì)與當(dāng)前網(wǎng)格單元202相關(guān)聯(lián)的每個(gè)模型，通過當(dāng)前模型203執(zhí)行與當(dāng)前網(wǎng)格單元中的當(dāng)前體素的位置對(duì)應(yīng)的劑量計(jì)算。 之后，將當(dāng)前模型計(jì)算的劑量加到先前模型針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)格單元204中的當(dāng)前體素計(jì)算的劑量。只要有與尚未計(jì)算當(dāng)前體素處的劑量的當(dāng)前網(wǎng)格單元205相關(guān)聯(lián)的模型，網(wǎng)格單元的下一模型變?yōu)楫?dāng)前模型206，并執(zhí)行劑量203的計(jì)算，然后加到先前針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)格單元204 的當(dāng)前體素計(jì)算的劑量。如此這樣，直到當(dāng)前網(wǎng)格單元的所有模型都計(jì)算了它們對(duì)當(dāng)前體素的劑量的貢獻(xiàn)。之后，如果仍然有要處理的體素207，下一體素變?yōu)楫?dāng)前體素208，并且當(dāng)前網(wǎng)格單元的模型如前所述計(jì)算當(dāng)前體素的位置處的劑量。之后，當(dāng)已經(jīng)針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)格單元的所有體素或所有η個(gè)體素計(jì)算了劑量，并且仍然存在尚未計(jì)算209劑量的體模的網(wǎng)格單元時(shí)，則針對(duì)下一網(wǎng)格單元的體素計(jì)算劑量，該下一網(wǎng)格單元變?yōu)楫?dāng)前網(wǎng)格單元210。于是，針對(duì)體模的每個(gè)體素，或者針對(duì)體模的每第η個(gè)體素計(jì)算劑量。有利地，將每個(gè)體素上的劑量的計(jì)算簡化為對(duì)解析公式的估計(jì)，從而使得這種計(jì)算非?？臁４送?，由于該算法能夠僅在必要的點(diǎn)處計(jì)算劑量，所以計(jì)算時(shí)間取決于所選體素的數(shù)量。有利地，體素?cái)?shù)量越小，計(jì)算越快。因此這樣使得能夠根據(jù)是否有更多或更少的時(shí)間用于獲得可利用的結(jié)果，針對(duì)使用根據(jù)本發(fā)明方法的語境來調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)間。圖3a和北表示了針對(duì)每個(gè)網(wǎng)格單元和每個(gè)射束確定解析公式的步驟，諸如如圖 1所示。針對(duì)每個(gè)網(wǎng)格單元和每個(gè)射束確定解析公式是圖3a中所示的迭代過程。于是，對(duì)于每個(gè)射束30，將針對(duì)其評(píng)估31模型的網(wǎng)格單元列表進(jìn)行初始化。初始列表的網(wǎng)格單元是當(dāng)前射束進(jìn)入體模所通過的網(wǎng)格單元。列表的網(wǎng)格單元與關(guān)于穿過它們的每個(gè)射束的信息相關(guān)聯(lián)，所述信息諸如是射束的取向、射束的能流以及關(guān)于中性傳播的信息。關(guān)于中性傳播的信息傳達(dá)如下事實(shí)射束在穿透網(wǎng)格單元之前未穿過任何材料。關(guān)于中性傳播的信息還傳達(dá)如下事實(shí)網(wǎng)格單元外部表面上的劑量為零，因?yàn)榭梢酝茰y在體模的外部，射束穿過真空。只要針對(duì)其計(jì)算模型的網(wǎng)格單元列表非空，就針對(duì)列表32的每個(gè)網(wǎng)格單元確定33當(dāng)前射束的當(dāng)前網(wǎng)格單元的解析模型。針對(duì)當(dāng)前射束33確定當(dāng)前網(wǎng)格單元的解析模型尤其基于·模型相關(guān)聯(lián)的當(dāng)前射束的特性；·與當(dāng)前射束在當(dāng)前網(wǎng)格單元中的傳播相關(guān)的特性。之后，識(shí)別與當(dāng)前網(wǎng)格單元相鄰并且當(dāng)前射束在其中有顯著影響34的網(wǎng)格單元， 并將其添加到評(píng)估35解析模型的網(wǎng)格單元列表。當(dāng)前射束在當(dāng)前網(wǎng)格單元中的顯著影響的特征可以是針對(duì)解析函數(shù)在當(dāng)前網(wǎng)格單元上的值中的至少一個(gè)的給定閾值。在射束傳播的方向上，并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)格單元和與當(dāng)前網(wǎng)格單元相鄰的每個(gè)網(wǎng)格單元之間的界面處計(jì)算的劑量值，識(shí)別與當(dāng)前網(wǎng)格單元相鄰并且其中必須傳播射束的效果的網(wǎng)格單元。如果可以認(rèn)為當(dāng)前網(wǎng)格單元和相鄰網(wǎng)格單元之間的界面上的劑量值可以在界面所有點(diǎn)上忽略不計(jì)， 那么認(rèn)為劑量在被討論的相鄰網(wǎng)格單元中是可以忽略的。因此不向網(wǎng)格單元的列表添加劑量被認(rèn)為可忽略的網(wǎng)格單元。添加到網(wǎng)格單元列表的網(wǎng)格單元與射束的參數(shù)以及射束的傳播參數(shù)相關(guān)聯(lián)。繼而處理37評(píng)估模型的網(wǎng)格單元列表的每個(gè)網(wǎng)格單元，直到網(wǎng)格單元列表為空。當(dāng)列表的所有網(wǎng)格單元都已經(jīng)被處理36時(shí)，如果有的話，處理下一射束或子射束。下一子射束變?yōu)楫?dāng)前子射束38，并針對(duì)當(dāng)前射束，處理以必須評(píng)估31模型的網(wǎng)格單元列表的初始化重新開始。
圖北表示了針對(duì)當(dāng)前射束的當(dāng)前網(wǎng)格單元解析模型的確定33的各個(gè)步驟。為了針對(duì)給定射束確定與網(wǎng)格單元相關(guān)的解析模型，可以分為兩種情況·第一種情況300，當(dāng)前射束，或者當(dāng)前射束的一部分，物理地穿過當(dāng)前網(wǎng)格單元；·第二種情況310，當(dāng)前射束未穿過當(dāng)前網(wǎng)格單元。在當(dāng)前射束或者當(dāng)前射束的一部分物理穿過網(wǎng)格單元的第一種情況下，可以分兩個(gè)階段確定解析模型。在第一階段中，計(jì)算301支柱模型。支柱模型表示當(dāng)前網(wǎng)格單元中沉積的劑量，假設(shè)與當(dāng)前網(wǎng)格單元相鄰的網(wǎng)格單元與當(dāng)前網(wǎng)格單元自身具有相同的組成。支柱模型尤其是這樣的模型，在網(wǎng)格單元中通常具有對(duì)網(wǎng)格單元的任一點(diǎn)處的劑量的計(jì)算的最大影響?？梢越柚|(zhì)材料中劑量沉積的模型定義支柱模型。均質(zhì)材料中劑量沉積的模型也稱為均質(zhì)介質(zhì)模型或基礎(chǔ)模型。均質(zhì)介質(zhì)模型對(duì)應(yīng)于先前描述的試驗(yàn)條件。射束從真空以基本正交于材料的方式到達(dá)包含所考慮材料的半空間的材料。此外，射束為單位能流。支柱模型是通過均質(zhì)介質(zhì)模型的投影獲得的。通過將均質(zhì)材料中的第二位置P' 與當(dāng)前網(wǎng)格單元的第一給定位置P相關(guān)聯(lián)的公式進(jìn)行投影，使得假設(shè)相鄰網(wǎng)格單元與當(dāng)前網(wǎng)格單元具有相同組成，當(dāng)前網(wǎng)格單元中每個(gè)第一位置ρ處沉積的劑量等于射束能流乘以在相關(guān)聯(lián)的第二位置P'處均質(zhì)介質(zhì)中沉積的劑量的積。只要射束的一部分穿過當(dāng)前網(wǎng)格單元，就向支柱模型應(yīng)用校正因子，該校正因子與穿過網(wǎng)格單元的信號(hào)的比例和幾何考慮因素相關(guān)。在第二階段中，可以計(jì)算支柱模型的第一校正元302。第一校正元使得能夠考慮相鄰網(wǎng)格單元之間的界面處的材料變化導(dǎo)致的電子失衡(如果有的話)。第一校正元考慮了當(dāng)前網(wǎng)格單元的支柱模型，而且還考慮了與當(dāng)前網(wǎng)格單元相鄰，相對(duì)于射束的傳播方向位于當(dāng)前網(wǎng)格單元上游的網(wǎng)格單元的支柱模型，并且任選地還考慮與當(dāng)前網(wǎng)格單元相鄰，相對(duì)于射束傳播方向位于當(dāng)前網(wǎng)格單元下游的網(wǎng)格單元的支柱模型?？紤]位于下游的網(wǎng)格單元的支柱模型可以用于考慮射束反向散射的現(xiàn)象。接下來更為詳細(xì)地描述校正元。校正元可以采取各種形式，諸如加性模型，或者應(yīng)用于各種支柱模型的加權(quán)。在第二種情況下，射束不會(huì)再次進(jìn)入當(dāng)前網(wǎng)格單元310。那么沉積的劑量僅源自電子和次級(jí)光子在材料中的散射現(xiàn)象。在這種情況下，網(wǎng)格單元的解析模型是從針對(duì)接近當(dāng)前網(wǎng)格單元的網(wǎng)格單元定義的支柱模型散射操作311獲得的模型?？梢詫⑦@樣獲得的模型稱為散射模型。不同網(wǎng)格單元的支柱模型不會(huì)影響同一區(qū)域中當(dāng)前網(wǎng)格單元的解析模型。 通過定義當(dāng)前網(wǎng)格單元中散射模型的有效區(qū)或者通過定義分配給散射模型的權(quán)重來執(zhí)行相鄰網(wǎng)格單元的支柱模型的散射，所述權(quán)重取決于網(wǎng)格單元中的位置并在散射模型無效的任何地方都等于零。在這種情況下，在整個(gè)當(dāng)前網(wǎng)格單元上沒有支柱模型。之后能夠確定 312第二校正元。第二校正元與第一校正元302具有相同物理本性，并且形式相似。有利地，如果將體模分割成可感知尺寸的網(wǎng)格單元，那么圖3a中所示的針對(duì)每個(gè)網(wǎng)格單元33計(jì)算解析模型的步驟非?？?。具體而言，針對(duì)支柱模型301、針對(duì)散射模型311 或者針對(duì)第一和第二校正元302、312的計(jì)算時(shí)間對(duì)于具有同一網(wǎng)格但其中之一在每個(gè)方向都具有另一體模兩倍多體素的兩個(gè)體模而言是相同的。圖4圖示了投影到均質(zhì)模型以獲得針對(duì)不均質(zhì)體模40的兩個(gè)網(wǎng)格單元44、45的每個(gè)的解析模型的原理。不均質(zhì)體模40包括兩種不同的材料。不均質(zhì)體模的第一網(wǎng)格單元44包括第一均質(zhì)材料，例如水。第二網(wǎng)格單元45包括第二均質(zhì)材料，例如骨骼。圖4表示了通過第一網(wǎng)格單元44穿透不均質(zhì)體模40的射束43。圖4還表示了同一射束43穿透第一均質(zhì)體模，第一均質(zhì)體模包括由水構(gòu)成的第三均質(zhì)材料41，亦即與第一網(wǎng)格單元由相同材料構(gòu)成。圖4還表示了射束43穿透第二均質(zhì)體模，第二均質(zhì)體模包括由骨骼構(gòu)成的第四均質(zhì)材料42，亦即與第二網(wǎng)格單元45由相同材料構(gòu)成。用于網(wǎng)格單元44、45的支柱模型可以包括兩個(gè)函數(shù) 第一投影函數(shù)，將網(wǎng)格單元44、45中的第一三維位置ρ與材料與網(wǎng)格單元44、45 的材料具有相同特性的均質(zhì)體模41、42中的第二位置ρ'相關(guān)聯(lián)；·第二模型函數(shù)，將均質(zhì)體模41、42中的第二位置ρ'與射束43在那里沉積的劑量相關(guān)聯(lián)，射束43與進(jìn)入網(wǎng)格單元44、45但為單位能流的射束43相同。因此，對(duì)于每個(gè)網(wǎng)格單元44、45的每種材料，定義從網(wǎng)格單元44、45的位置空間到對(duì)應(yīng)材料的均質(zhì)體模的位置空間47、49的投影46、48，兩個(gè)空間受到同一射束43作用。例如，第一投影46從第一網(wǎng)格單元44的第一位置空間開始，到均質(zhì)材料41的第一體模中的第二位置空間47。第一網(wǎng)格單元44的材料與第一均質(zhì)體模41的材料是相同類型。第二投影48從第二網(wǎng)格單元45的第三位置空間開始，到均質(zhì)材料42的第二體模的第四位置空間 49。第二網(wǎng)格單元45的材料與第二均質(zhì)體模42的材料是相同類型。因此，借助同一射束 43輻照的均質(zhì)體模41、42中的等價(jià)或?qū)?yīng)位置，計(jì)算不均質(zhì)體模40中沉積的劑量?？梢酝ㄟ^如下方式獲得兩個(gè)函數(shù)·第一投影函數(shù)取決于射束43的參數(shù)，諸如射束的位置、取向、傳播參數(shù)；·對(duì)與網(wǎng)格單元44、45的材料相同的均質(zhì)體模41、42中沉積的劑量模型進(jìn)行預(yù)參數(shù)化，從而在根據(jù)本發(fā)明計(jì)算劑量的方法期間能夠立即使用為此目的，預(yù)先計(jì)算感興趣射束43在構(gòu)成患者的體模40的各種材料中的三維劑量分布，然后用于在實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法之前學(xué)習(xí)劑量模型。例如可以通過蒙特卡洛流程生成預(yù)先計(jì)算的劑量分布。用于劑量模型的回歸工具可以是例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、樣條函數(shù)、支持矢量回歸因素、表值之間的內(nèi)插器。可以通過其他方式，例如通過執(zhí)行與實(shí)際數(shù)據(jù)相關(guān)的值的內(nèi)插，生成預(yù)先計(jì)算的劑量分布。也可以設(shè)想其他生成模式，一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)據(jù)的質(zhì)量使得能夠依賴實(shí)際的劑量分布。有利地，將與粒子輸運(yùn)和輻射與物質(zhì)之間的交互作用的物理方程相關(guān)的計(jì)算的大部分歸并到基礎(chǔ)模型中。投影46、48可以是將第一三維空間中的三維坐標(biāo)變換成第二三維空間中的三維坐標(biāo)的線性函數(shù)。令f為網(wǎng)格單元的投影函數(shù)。令m為連接到第一三維空間的網(wǎng)格單元的位置?？梢杂伤膫€(gè)元的列矢量表示位置m。第四個(gè)元常規(guī)上等于一，并使得能夠由矩陣定義一組相似變換，即旋轉(zhuǎn)、同位、平移或這些變換的任何組成。
權(quán)利要求
1.一種用于計(jì)算由電離粒子的至少一個(gè)射束G3)在患者的體模的體素上沉積的劑量的方法(1)，所述體模被網(wǎng)格化，所述體模的每個(gè)網(wǎng)格單元包括同一種材料的體素，所述計(jì)算方法(1)的特征在于，針對(duì)每個(gè)射束至少包括如下步驟 第一步驟O)，計(jì)算至少一個(gè)解析函數(shù)，用于針對(duì)所述體模的一組網(wǎng)格單元中的每個(gè)網(wǎng)格單元分配由第一射束沉積的劑量，所述第一步驟包括ο針對(duì)第一射束所穿過的所述體模的第一網(wǎng)格單元(300)進(jìn)行解析函數(shù)的第一計(jì)算 (301)，由此獲得的所述解析函數(shù)為支柱模型；ο針對(duì)所述體模中第一射束未穿過的第二網(wǎng)格單元(310)進(jìn)行解析函數(shù)的第二計(jì)算， 其方式為使所述支柱模型散射(311)，從所述第一射束所穿過的所述網(wǎng)格單元開始，逐漸貫穿所述體模(34)的所述第二網(wǎng)格單元，以便獲得針對(duì)所述組網(wǎng)格單元中所述第一射束未穿過的網(wǎng)格單元(310)的散射模型； 第二步驟，計(jì)算在所述網(wǎng)格的若干體素上的劑量(3)，體素的劑量值是用于分配所述體素所屬的所述網(wǎng)格單元的劑量的解析函數(shù)在所述網(wǎng)格單元中的所述體素位置處的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述體模的所述組網(wǎng)格單元包括這樣的網(wǎng)格單元，對(duì)于所述網(wǎng)格單元中的每個(gè)，所述解析函數(shù)在所述網(wǎng)格單元上的值中的至少一個(gè)大于給定閾值(34)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，解析函數(shù)包括如下至少兩個(gè)函數(shù) 第一投影函數(shù)，所述第一投影函數(shù)將網(wǎng)格單元(44、妨)的第一位置ρ與均質(zhì)材料01、 42)的體模中的第二位置ρ'相關(guān)聯(lián)，所述均質(zhì)材料的特性類似于所述網(wǎng)格單元04、45)的所述體素的材料的特性； 第二模型函數(shù)，所述第二模型函數(shù)將所述均質(zhì)材料Gl、42)的所述體模中的所述第二位置P'與類似于所述第一射束^幻的第二射束在那里沉積的劑量相關(guān)聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，由基礎(chǔ)模型給出射束在均質(zhì)材料的所述體模中沉積的劑量，利用根據(jù)蒙特卡洛流程的模擬獲得的劑量分布來預(yù)先計(jì)算所述基礎(chǔ)模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求3和4中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，散射模型包括如下三個(gè)函數(shù) 所述第一投影函數(shù)； 所述第二模型函數(shù)； 第三有效性函數(shù)，所述第三有效性函數(shù)將所述第二網(wǎng)格單元之一中的第三位置與應(yīng)用于所述第二模型函數(shù)的加權(quán)的程度相關(guān)聯(lián)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，利用將所述第一射束 (43)分解成若干子射束，針對(duì)各種材料的兩個(gè)相鄰網(wǎng)格單元執(zhí)行對(duì)用于分配劑量的解析函數(shù)的計(jì)算，其中所述兩個(gè)網(wǎng)格單元之間的第二界面被所述第一射束^幻以傾斜方式穿過； 以與針對(duì)射束的相同方式針對(duì)每個(gè)子射束執(zhí)行所述解析函數(shù)的計(jì)算。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，針對(duì)各種材料的兩個(gè)相鄰網(wǎng)格單元(61、6幻執(zhí)行對(duì)用于分配劑量的解析函數(shù)的計(jì)算，所述第一射束以基本平行于第一界面(61)的方式傳播，所述解析函數(shù)的計(jì)算包括計(jì)算每個(gè)子射束(63、64)的解析函數(shù)，所述第一射束^幻被分解成若干子射束(63、64)，以與針對(duì)射束的相同方式針對(duì)每個(gè)子射束執(zhí)行所述解析函數(shù)的計(jì)算。
8.根據(jù)權(quán)利要求6和7中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過與所述第一射束 (43)的每個(gè)子射束(63、64)相關(guān)聯(lián)的所述解析函數(shù)的加權(quán)和來獲得用于分配由所述第一射束^幻沉積的劑量的解析函數(shù)，所述加權(quán)取決于網(wǎng)格單元G4、45)的第一位置ρ。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述加權(quán)是從源自高斯形狀函數(shù)的第一系數(shù)的正規(guī)化推導(dǎo)出的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述加權(quán)是從源自鐘形函數(shù)的形狀的函數(shù)的第二系數(shù)的正規(guī)化推導(dǎo)出的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，向解析函數(shù)應(yīng)用校正元，用于針對(duì)第五網(wǎng)格單元(71)分配劑量，所述第五網(wǎng)格單元(71)相對(duì)于與所述第五網(wǎng)格單元(71)相鄰的第六網(wǎng)格單元(7 具有不同的材料，所述校正元對(duì)所述第五網(wǎng)格單元 (71)和相鄰的所述第六網(wǎng)格單元(7 之間的第三界面(70)附近的電子不連續(xù)性進(jìn)行建模。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述校正元基于字面上表示停止模型的“停機(jī)”模型。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，用于網(wǎng)格單元的所述校正元基于所述網(wǎng)格單元的解析函數(shù)和與所述網(wǎng)格單元相鄰的網(wǎng)格單元的解析函數(shù)的加權(quán)和，所述加權(quán)取決于所述網(wǎng)格單元中的第一位置P。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種計(jì)算電離輻射沉積的負(fù)載(1)的方法，例如由輻射治療處置裝置使用。本發(fā)明的方法包括至少一個(gè)第一步驟(2)，計(jì)算網(wǎng)格體模的網(wǎng)格中負(fù)載的分布函數(shù)。本發(fā)明的方法包括第二步驟(3)，計(jì)算體素組件中沉積的負(fù)載，一個(gè)體素沉積的負(fù)載值由該體素所屬網(wǎng)格特有的負(fù)載分布函數(shù)給出。尤其可以將本發(fā)明用于強(qiáng)度調(diào)制的輻射治療。
文檔編號(hào)A61N5/10GK102481458SQ201080040563
公開日2012年5月30日 申請日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者B·布朗潘, D·梅西耶, J·巴爾特 申請人:原子能和輔助替代能源委員會(huì)