本發(fā)明屬于放射治療劑量計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域，涉及伽瑪射線立體定向回轉(zhuǎn)聚焦放療機(jī)逆向放療計(jì)劃的計(jì)算技術(shù)。

背景技術(shù)：

伽瑪射線立體定向回轉(zhuǎn)聚焦放療機(jī)是一種融立體定向技術(shù)和放射外科技術(shù)于一體的立體定向放射外科治療設(shè)備，它采用γ射線幾何聚集方式，通過(guò)精確的立體定向?qū)⒔?jīng)過(guò)規(guī)劃的大劑量γ射線集中照射于體內(nèi)的預(yù)選靶區(qū)，一次性、致死性地摧毀靶點(diǎn)內(nèi)的組織，以達(dá)到外科手術(shù)切除或損毀的治療效果，立體定向放射外科與普通外科有本質(zhì)的不同，它避免了傳統(tǒng)外科開(kāi)放式手術(shù)所帶來(lái)的術(shù)后出血、感染以及可能損傷重要功能器官的危險(xiǎn)，創(chuàng)建了一種無(wú)創(chuàng)傷的手術(shù)方法。

如圖1所示，伽瑪射線立體定向回轉(zhuǎn)聚焦放療系統(tǒng)包含：C形機(jī)架10、治療頭20、治療床30；所述治療頭20沿所述C形機(jī)架10的內(nèi)側(cè)軌道可以做180度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所述治療床30也可以繞所述C形機(jī)架做180度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。病人以仰臥位躺在治療床上時(shí)，頭部在靠近機(jī)架的方向。相對(duì)病人而言，平行于治療床底平面的切面為冠狀面，垂直于冠狀面沿頭腳方向的切面為矢狀面，垂直于冠狀面和矢狀面的切面為橫斷面，此時(shí)橫斷面恰好平行于C形機(jī)架所在平面，如圖2。

所述治療床只能在垂直于所述C型機(jī)架所在平面的兩個(gè)固定床角位置(0°、180°)，如圖3所示是兩個(gè)位置時(shí)，從放療系統(tǒng)的正面看的投影圖，其中40為伽瑪射線束。

目前，伽瑪射線立體定向回轉(zhuǎn)聚焦放療機(jī)采用正向計(jì)劃設(shè)計(jì)計(jì)算，即用戶(醫(yī)生和物理師)根據(jù)CT/MR數(shù)據(jù)勾畫(huà)出病灶和組織輪廓，依據(jù)病灶和敏感器官定義出靶區(qū)，結(jié)合治療機(jī)射線聚焦特點(diǎn)憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行布靶，布靶完成后TPS(放射治療計(jì)劃)軟件依據(jù)射線的物理模型進(jìn)行劑量計(jì)算，最后用戶根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，符合治療要求則完成計(jì)劃設(shè)計(jì)進(jìn)入治療流程，否則，再調(diào)整靶點(diǎn)的數(shù)量、靶點(diǎn)的坐標(biāo)、權(quán)重、準(zhǔn)直器尺寸、治療方向等，直到計(jì)劃滿足治療要求為止。

然而，正向計(jì)劃設(shè)計(jì)需要綜合考慮多種因素，并且依賴物理師的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)治療機(jī)的理解，主觀因素強(qiáng)，最重要的是每個(gè)計(jì)劃的設(shè)計(jì)需要很長(zhǎng)的時(shí)間，資源成本比較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于并行量子模擬退火的伽瑪射線優(yōu)化方法，通過(guò)CT/MR數(shù)據(jù)的圖像分析和醫(yī)生診斷建立腫瘤靶區(qū)、主要器官的數(shù)據(jù)模型，然后，通過(guò)伽瑪射線立體定向回轉(zhuǎn)聚焦放療機(jī)射束特征快速計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)劑量分布，并與臨床要求的放射治療目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合靶區(qū)的處方劑量和危機(jī)器官的耐受劑量定義目標(biāo)函數(shù)，按照模擬退火算法設(shè)置取舍規(guī)則，并進(jìn)行新一輪的計(jì)算對(duì)比，最終達(dá)到預(yù)期結(jié)果，最后，按照計(jì)算的預(yù)期結(jié)果對(duì)應(yīng)的參數(shù)，對(duì)劑量分布做精確計(jì)算，得出最終的照射區(qū)域內(nèi)的劑量分布，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種并行量子退火靶點(diǎn)分布計(jì)算方法，首先通過(guò)影像數(shù)據(jù)的圖像分析和醫(yī)生診斷建立腫瘤靶區(qū)以及危及器官的數(shù)據(jù)模型；

然后，通過(guò)伽瑪射線立體定向回轉(zhuǎn)聚焦放療機(jī)射束特征快速計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)劑量分布，并與臨床要求的放射治療目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合靶區(qū)的處方劑量和危機(jī)器官的耐受劑量定義目標(biāo)函數(shù)，按照模擬退火算法設(shè)置取舍規(guī)則，并進(jìn)行新一輪的計(jì)算對(duì)比，最終達(dá)到預(yù)期結(jié)果；

最后，按照計(jì)算的預(yù)期結(jié)果對(duì)應(yīng)的參數(shù)，對(duì)劑量分布做精確計(jì)算，得出最終的照射區(qū)域內(nèi)的劑量分布。

關(guān)鍵點(diǎn)劑量為靶區(qū)或者危及器官邊界點(diǎn)和中心點(diǎn)位置，邊界點(diǎn)為隨機(jī)均勻分布在靶區(qū)或者危及器官邊界的若干點(diǎn)，邊界點(diǎn)的數(shù)量通常為10-20個(gè)。

本發(fā)明的具體步驟如下：

步驟一、導(dǎo)入病人信息和影像數(shù)據(jù)；導(dǎo)入或勾畫(huà)皮膚輪廓、危及器官輪廓和靶區(qū)；

步驟二、根據(jù)步驟一得到的靶區(qū)邊界和器官中心，產(chǎn)生快速劑量計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)；

步驟三、定義目標(biāo)函數(shù)，設(shè)置放療計(jì)劃的臨床評(píng)價(jià)物理模型；

伽瑪射線立體定向回轉(zhuǎn)聚焦治療機(jī)優(yōu)化參數(shù)包括：靶點(diǎn)數(shù)目、靶點(diǎn)方向、靶點(diǎn)權(quán)重、靶點(diǎn)位置和準(zhǔn)直器尺寸，其中，靶點(diǎn)位置包括空間位置的3個(gè)自由度；

拉弧角度默認(rèn)為最大弧度，最大弧度與靶點(diǎn)位置有關(guān)，通過(guò)靶點(diǎn)位置可以計(jì)算出最大弧度，一般最大弧度為180度，因此，拉弧角度不作為優(yōu)化變量；靶點(diǎn)數(shù)目和靶點(diǎn)方向組合，作為線程編號(hào)，因此，線程內(nèi)靶點(diǎn)數(shù)目和靶點(diǎn)方向不作為優(yōu)化參數(shù)；

步驟四、依據(jù)靶點(diǎn)數(shù)目和靶點(diǎn)方向進(jìn)行組合構(gòu)成線程編號(hào)，進(jìn)行線程分區(qū)；

步驟五、各個(gè)線程均采用量子模擬退火對(duì)靶點(diǎn)位置、準(zhǔn)直器尺寸和靶點(diǎn)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，得到照射區(qū)域內(nèi)的劑量分布；

步驟六、對(duì)比步驟五中各線程計(jì)算結(jié)果，選出最優(yōu)結(jié)果。

影像數(shù)據(jù)為CT或者M(jìn)R。

步驟三中定義目標(biāo)函數(shù)dF方法如下：

其中：

a,b為常數(shù)，表示靶區(qū)和器官在目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，q為靶區(qū)序號(hào),Q為靶區(qū)數(shù)量,r為器官序號(hào)，R為器官數(shù)量，C為表征系綜所有粒子在軸向的自旋泡利表象的常數(shù)；

F(m)_r為靶區(qū)對(duì)于計(jì)算點(diǎn)的處方劑量；

F(n)_r為器官對(duì)應(yīng)點(diǎn)的危及劑量上限；

F(i)為計(jì)算點(diǎn)的劑量值,即領(lǐng)域解的元素；

F(i)＝G_r(X₁，X₂，…X_n)，其中X_n代表優(yōu)化變量，包括準(zhǔn)直器尺寸，靶點(diǎn)權(quán)重和靶點(diǎn)位置坐標(biāo)，r為器官序號(hào)。

所述步驟三中，進(jìn)行多維優(yōu)化參數(shù)初始化，優(yōu)化參數(shù)包括：靶點(diǎn)數(shù)目、靶點(diǎn)方向、靶點(diǎn)權(quán)重、靶點(diǎn)位置(3個(gè)自由度)和準(zhǔn)直器尺寸；設(shè)置線程優(yōu)化熱平衡閥值dD，定義各個(gè)優(yōu)化參數(shù)的限制邊界，并確定優(yōu)化參數(shù)的增量：

1)靶點(diǎn)數(shù)目、靶點(diǎn)方向作為線程編號(hào)組合，靶點(diǎn)數(shù)目增量為1,默認(rèn)靶點(diǎn)數(shù)目最大不超過(guò)30，靶點(diǎn)方向只有兩個(gè)方向的自由度；

2)準(zhǔn)直器尺寸α₁，編號(hào)增量為±1；

3)靶點(diǎn)權(quán)重α₂增量為±0.1；

4)靶點(diǎn)位置(α₃，α₄，α₅)為3個(gè)自由度(x，y，z)，增量都為±1mm；

步驟四中的線程分區(qū)具體步驟如下：

1)以靶點(diǎn)數(shù)目n和靶點(diǎn)方向進(jìn)行組合構(gòu)成線程編號(hào)，不同的線程對(duì)應(yīng)不同的靶點(diǎn)數(shù)目和各個(gè)靶點(diǎn)方向，線程數(shù)量為n×(n-1)；

2)靶點(diǎn)數(shù)目最大值由用戶設(shè)定，系統(tǒng)有設(shè)定的默認(rèn)值；

3)每個(gè)線程均獨(dú)立進(jìn)行量子模擬退火優(yōu)化計(jì)算。

步驟五中量子模擬退火子線程計(jì)算具體步驟如下：

1)給定初始橫向場(chǎng)T₀、下降步長(zhǎng)b(0<b<1)和終止橫向場(chǎng)T_f，迭代指標(biāo)k＝0，啟動(dòng)計(jì)算線程；

2)在各個(gè)優(yōu)化參數(shù)的限制邊界內(nèi)，隨機(jī)給線程優(yōu)化參數(shù)賦值，令i＝0，快速計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)劑量，并產(chǎn)生一組領(lǐng)域解F(i)_j；線程優(yōu)化參數(shù)包括：準(zhǔn)直器尺寸G(d)，(準(zhǔn)直器編號(hào)代表準(zhǔn)直器的不同尺寸，準(zhǔn)直器尺寸由固定長(zhǎng)和寬構(gòu)成方形射野)、靶點(diǎn)權(quán)重G(e)以及靶點(diǎn)位置G(x)、G(y)和G(z)；領(lǐng)域解生成結(jié)果為計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)的劑量場(chǎng)分布值；

3)根據(jù)上一步計(jì)算得到的領(lǐng)域解，求解目標(biāo)函數(shù)dF，其中，a,b為常數(shù)，表示靶區(qū)和器官在目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，q為靶區(qū)序號(hào),Q為器官數(shù)量,r為器官序號(hào)，R為器官數(shù)量，C為常數(shù)；若dF<dD，dD為線程優(yōu)化熱平衡閥值，則轉(zhuǎn)入4)，否則產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)y，0<y<1；若y<exp(-dF/P*T(i))^P，則轉(zhuǎn)入4)，否則，轉(zhuǎn)入2)；其中P為穩(wěn)態(tài)時(shí)搜索次數(shù)，代表體系處于某一狀態(tài)的粒子數(shù)，T(i)為橫向場(chǎng)變量；

4)令i自增運(yùn)算，即i＝i+1：

β為隨機(jī)產(chǎn)生的因子，α_i為各個(gè)參數(shù)的搜索步長(zhǎng)，優(yōu)化參數(shù)若超越限制邊界則為邊界值；若達(dá)到穩(wěn)定態(tài)，即i>N，N為系統(tǒng)設(shè)定常量，轉(zhuǎn)入5)；否則轉(zhuǎn)入2)；

5)降低場(chǎng)T(k)，k＝k+1，即T(k+1)＝T(k)·b；，如果T(k+1)<T_f，線程結(jié)束進(jìn)入步驟六，否則轉(zhuǎn)入2)。

步驟六具體步驟如下：等待步驟五中各線程結(jié)束，對(duì)比各線程計(jì)算，優(yōu)選出最優(yōu)結(jié)果，即找出目標(biāo)函數(shù)的最小值；用最優(yōu)結(jié)果參數(shù)對(duì)劑量場(chǎng)分布進(jìn)行精算。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果，本發(fā)明計(jì)算過(guò)程采用機(jī)器自動(dòng)計(jì)算，降低了對(duì)物理師的經(jīng)驗(yàn)等主觀因素，計(jì)劃設(shè)計(jì)者不需要干預(yù)計(jì)算過(guò)程，計(jì)算結(jié)果較為客觀；并且，同時(shí)逆向計(jì)劃設(shè)計(jì)降低了對(duì)物理師的經(jīng)驗(yàn)等主觀因素且加快了設(shè)計(jì)計(jì)劃的時(shí)間，提高了放療的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效率；物理師可以對(duì)逆向計(jì)劃計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行干預(yù)和調(diào)整，提高治療計(jì)劃的可行度，也同時(shí)融入優(yōu)秀物理師的臨床經(jīng)驗(yàn)；計(jì)算過(guò)程中目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)于靶區(qū)和器官采用不同的計(jì)算方法，提高靶區(qū)劑量的靈敏度，而器官的下限劑量不做限制，更符合臨床需求。

進(jìn)一步的，優(yōu)化參數(shù)中拉弧角度始終使用最大靶點(diǎn)的最大角度，這樣就減少了優(yōu)化參數(shù)的維度，也滿足臨床布靶的要求，避免更多靶點(diǎn)切換，從而縮短治療時(shí)間；

進(jìn)一步的，本發(fā)明采用GUP并行算法，按照搜索分區(qū)，較單線程串行算法，大幅提高了計(jì)算時(shí)間；本發(fā)明采用量子模擬退火算法，是一種概率選擇領(lǐng)域中目標(biāo)值相對(duì)較小的狀態(tài)，避免陷入局部最小值；量子模擬退火算法采用量子躍遷的隧道效用機(jī)制，比傳統(tǒng)的模擬退火算法，優(yōu)化搜索速度更快。

附圖說(shuō)明

圖1是伽瑪射線立體定向回轉(zhuǎn)聚焦放療系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2橫斷面、冠狀面和矢狀面示意圖；

圖3是治療位平面投影圖；

圖4是并行計(jì)算流程圖；

圖5是單個(gè)線程量子模擬退火流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明中，危及器官即放射治療可能卷入射野內(nèi)的重要組織或器官，本發(fā)明中提到的伽瑪射線立體定向回轉(zhuǎn)聚焦放療機(jī)的型號(hào)為L(zhǎng)UNA-260。

參見(jiàn)圖4，本發(fā)明的一種并行量子退火靶點(diǎn)分布計(jì)算方法，具體步驟如下：

1.導(dǎo)入診斷影像數(shù)據(jù)、病人信息或者勾畫(huà)皮膚輪廓、組織輪廓、靶區(qū)；

2.GPU初始化，確定優(yōu)化參數(shù)X(0)，X(1)…X(n)；

3.根據(jù)靶區(qū)與危及器官的邊界點(diǎn)和中心，產(chǎn)生快速劑量計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)；

4.定義目標(biāo)函數(shù)及計(jì)算方法：

其中：

a,b為常數(shù)，表示靶區(qū)和器官在目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，q為靶區(qū)序號(hào),Q為靶區(qū)數(shù)量,r為器官序號(hào)，R為器官數(shù)量，C為表征系綜所有粒子在軸向的自旋泡利表象的常數(shù)；

F(m)_r為靶區(qū)對(duì)于計(jì)算點(diǎn)的處方劑量；

F(n)_r為器官對(duì)應(yīng)點(diǎn)的危及劑量上限；

F(i)為計(jì)算點(diǎn)的劑量值,即領(lǐng)域解的元素；

F(i)＝G_r(X₁，X₂，…X_n)，其中X_n代表優(yōu)化變量，包括準(zhǔn)直器尺寸，靶點(diǎn)權(quán)重和靶點(diǎn)位置坐標(biāo)，r為器官序號(hào)。

5.進(jìn)行多維優(yōu)化參數(shù)初始化，優(yōu)化參數(shù)包括：靶點(diǎn)數(shù)目、靶點(diǎn)方向、靶點(diǎn)權(quán)重、靶點(diǎn)位置(3個(gè)自由度)和準(zhǔn)直器尺寸；設(shè)置線程優(yōu)化熱平衡閾值dD，定義各個(gè)優(yōu)化參數(shù)的限制邊界，并確定優(yōu)化參數(shù)的增量：

1)靶點(diǎn)數(shù)目、靶點(diǎn)方向作為線程編號(hào)組合，靶點(diǎn)數(shù)目增量為1，最大靶點(diǎn)數(shù)目由系統(tǒng)限制，在本實(shí)施例中，最大靶點(diǎn)數(shù)目不超過(guò)30，靶點(diǎn)方向只有兩個(gè)方向的自由度；

2)準(zhǔn)直器尺寸α₁，編號(hào)增量為±1；

3)靶點(diǎn)權(quán)重α₂增量為±0.1；

4)靶點(diǎn)位置(α₃，α₄，α₅)為3個(gè)自由度(x，y，z)，增量都為±1mm；

6.線程分區(qū)：

1)以靶點(diǎn)數(shù)目和靶點(diǎn)方向進(jìn)行組合構(gòu)成線程編號(hào)，不同的線程對(duì)應(yīng)不同的靶點(diǎn)數(shù)目和各個(gè)靶點(diǎn)方向，線程數(shù)量為n×(n-1)；線程內(nèi)靶點(diǎn)數(shù)目和靶點(diǎn)方向不作為優(yōu)化參數(shù)；

2)靶點(diǎn)數(shù)目最大值由用戶設(shè)定，系統(tǒng)有設(shè)定的默認(rèn)值。

3)每個(gè)線程都要獨(dú)立進(jìn)行量子模擬退火優(yōu)化計(jì)算。

7.量子模擬退火子線程計(jì)算，參見(jiàn)圖5：

1)優(yōu)化參數(shù)按照隨機(jī)分布進(jìn)行初始化，k＝0，給定初始橫向場(chǎng)T₀和下降步長(zhǎng)b(0<b<1)，終止橫向場(chǎng)T_f，啟動(dòng)計(jì)算線程；

2)在限制范圍內(nèi)隨機(jī)給線程優(yōu)化參數(shù)賦值，i＝0，快速計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)劑量，并產(chǎn)生一組領(lǐng)域解F(i)_j；線程優(yōu)化參數(shù)包括：準(zhǔn)直器尺寸G(d)(準(zhǔn)直器編號(hào)代表準(zhǔn)直器的不同尺寸，準(zhǔn)直器尺寸由固定長(zhǎng)和寬構(gòu)成方形射野)、權(quán)重G(e)、位置G(x)，G(y)，G(z)；領(lǐng)域解生成結(jié)果為計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)的劑量場(chǎng)分布值；

3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果求解目標(biāo)函數(shù)，(C為常數(shù)，r為器官序號(hào)，R為器官數(shù)量)；dF<dD，則轉(zhuǎn)入4)，否則產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)(y＝Random(0，1))；若y<exp(-dF/PT(i))^P，則轉(zhuǎn)入4)，否則，轉(zhuǎn)入2)；其中P為穩(wěn)態(tài)時(shí)搜索次數(shù)，代表體系處于某一狀態(tài)的粒子數(shù)。

4)令i自增運(yùn)算，即i＝i+1：

β為隨機(jī)產(chǎn)生的因子，α_i為各個(gè)參數(shù)的搜索步長(zhǎng)，優(yōu)化參數(shù)若超越限制邊界則為邊界值；若達(dá)到穩(wěn)定態(tài)，即i>N，N為系統(tǒng)設(shè)定常量，在本實(shí)施例中，N＝200，轉(zhuǎn)入5)；否則轉(zhuǎn)入2)；

5)降低場(chǎng)T(k)，k＝k+1，即T(k+1)＝T(k)b；，如果T(k+1)<T_f，線程結(jié)束進(jìn)入8，否則轉(zhuǎn)入2).

8.等待同步各個(gè)網(wǎng)格計(jì)算線程，對(duì)比各線程計(jì)算，優(yōu)選出最優(yōu)結(jié)果，即找出目標(biāo)函數(shù)的最小值Min(dF(0)，dF(1)…dF(i))；

9.用最優(yōu)結(jié)果參數(shù)X_f(0)，X_f(1)…X_f(n)，對(duì)劑量場(chǎng)分布進(jìn)行精算。