專利名稱：一種多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)葉片序列算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多葉準(zhǔn)直器算法領(lǐng)域，是一種搜索多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)葉片序列最 優(yōu)路徑的方法，能對強(qiáng)度分布圖進(jìn)行自主搜索最優(yōu)路徑并得出葉片運(yùn)動的最佳序列。
背景技術(shù)：
多葉準(zhǔn)直器用于控制加速器或者其他放射源的電子或光子射線的強(qiáng)度與形狀， 其一般由20 - 120對葉片組成，每個(gè)葉片在等中心平面上的投影寬度約為0. 3cm至 1. 2cm不等。微型多葉準(zhǔn)直器的每個(gè)葉片投影寬度可達(dá)1. 6mm。各組葉片相向排列安 裝于托架上，葉片可以在托架上運(yùn)動，其運(yùn)動的方向與射線束軸線方向垂直，每個(gè) 葉片可獨(dú)立驅(qū)動。準(zhǔn)直器葉片的大小、片數(shù)和位置決定了照射野大小和形狀近似的 精確度。計(jì)劃系統(tǒng)輸出多葉準(zhǔn)直器各葉片的位置、運(yùn)動速度等參數(shù)，通過調(diào)節(jié)各照 射野形狀和照射時(shí)間，實(shí)現(xiàn)調(diào)強(qiáng)。輸出葉片位置和速度等參數(shù)的策略統(tǒng)稱多葉準(zhǔn)直 器的葉片序列算法，由于其可以體現(xiàn)許多數(shù)學(xué)理論的概念如最優(yōu)化方法、路徑最優(yōu) 規(guī)劃、貪心算法等，因此有許多研究機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行了理論研究。
多葉準(zhǔn)直器的適形調(diào)強(qiáng)方式主要有多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)、動態(tài)調(diào)強(qiáng)。靜態(tài)調(diào)強(qiáng) 的原理是將射野要求的強(qiáng)度分布進(jìn)行分級，利用多葉準(zhǔn)直器形成的多個(gè)子野進(jìn)行分 布照射。其特征是每個(gè)子野照射完畢后，照射切斷，多葉準(zhǔn)直器調(diào)整到另一個(gè)子野， 再繼續(xù)照射，直到所有子野照射完畢，所有子野的流強(qiáng)相加，形成要求的強(qiáng)度分布。 多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，只需控制葉片的位置，不需要控制速度， 可調(diào)制成任意階梯形的劑量分布。靜態(tài)調(diào)強(qiáng)的研究起步較早，由于其便于劑量驗(yàn)證 和機(jī)械控制，因而成為調(diào)強(qiáng)的主流。
現(xiàn)有基于多葉準(zhǔn)直器的控制系統(tǒng)，生成葉片序列的過程比較固定，即按照一定 理論的進(jìn)行矩陣分解并將子野實(shí)施。如果計(jì)算出的子野個(gè)數(shù)過多，使子野數(shù)目過多 就舍去最小的子野。這類方法缺少智能性和自主性，對于最優(yōu)路徑的選擇缺乏認(rèn)知 能力，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的葉片序列輸出的基礎(chǔ)子野分割算法進(jìn)行改進(jìn)，以便使子野的個(gè)數(shù)(Number of Segment, NS )盡可能的少，所需要的子野跳數(shù)(Total Number of Monitor Unit, TNMU)盡可能少，而提出一種多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)葉片序 列算法。在各種幾何目標(biāo)約束情況下計(jì)算最優(yōu)雙向匹配和最小費(fèi)用流，從而得到效 率更高的多葉準(zhǔn)直器葉片動作序列。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)葉片序列算法，其特征在于包括以下步驟 (1)通過計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算出的射束剖面強(qiáng)度分布優(yōu)化結(jié)果將影響到劑量的分布， 但一個(gè)好的劑量分布對應(yīng)的初始強(qiáng)度分布并不一定是最可取的，因?yàn)閯┝窟m形程度 越高，要求的強(qiáng)度分布就越復(fù)雜。對于復(fù)雜的分布情形，初始射束剖面強(qiáng)度將變得 非常復(fù)雜，子野化后必將產(chǎn)生很多子野，甚至很多的小野。如此以來，將會大大延 長照射的時(shí)間，同時(shí)隨著子野^:目的增加，特別是4艮多小子野的存在，射野利用率 將降低，同時(shí)會增加射野漏射(Leakage )、機(jī)頭散射(Scat ter )和MLC的凸凹槽效 應(yīng)(Tongue and Groove Effects )等因素帶來的不確定性。假定從計(jì)劃系統(tǒng)獲得的 m行n列二維強(qiáng)度矩陣A為已知，通過Savitzky-Golay濾波、矩形域的最小二乘曲面擬 合算法、最佳一致逼近的里米茲方法等將A在保留基本特征的情況下，得到A'。如圖
運(yùn)用濾波算法到強(qiáng)度通量圖A上會得到不運(yùn)用濾波算法相近的劑量分布A,可以 使需要使用的TNMU和NS大量減少。RMS ( root-mean-squared )偏離是判斷標(biāo)準(zhǔn)。濾 波算法的運(yùn)用也有2階，4階等不同階數(shù)的區(qū)別，圖4的b、 c。
(2 )并已通過輻照區(qū)域離散化使矩陣A成為一個(gè)m行n列的非負(fù)強(qiáng)度矩陣A'，矩 陣A'的元素A' ( i， j)代表輻照區(qū)域的輻照強(qiáng)度值，0代表沒有強(qiáng)度，即是沒有輻照， 輻照強(qiáng)度值由小至大，則是表示輻照強(qiáng)度由小至大，即是需要照射單位的少與多； 一般說來，元素A' (i， j)必須滿足如下的條件才能被大照射野多葉準(zhǔn)直器所實(shí)現(xiàn)，
存在正整數(shù)A _1，"' +1,其具有如下特性
《)
6其中(+1各自代表了左右葉片的位置，所以強(qiáng)度矩陣A'可以分解為二維矩 陣Si的和
其中Si是MLC可以形成的每一個(gè)子野。S(i, j )是Si二維數(shù)組中第i行第j列的 元素值。
以子野的個(gè)數(shù)NS、子野跳數(shù)T畫U最小化為目標(biāo)，也就是以SUi值與k值各自都達(dá) 到最小值；采用Xia and Verhey算法、Galvin—Chen and Smith算法、Bortfeld算法、 Engel算法、Kalinowski算法、Kamath算法、Boland， Hamacher and Lenzen算法、 Baatar and Hamacher算法、Langer, Thai and Papiez算法、Dai and Zhu算法等 計(jì)算結(jié)果比較T腿U與NS值的大小后，選擇能獲得最小TN而與NS值的算法，并按此算 法將A分解而成的二維矩陣一系列的子野S,。
(3) S,對應(yīng)與MLC的葉片序列關(guān)系，如圖3。根據(jù)大照射野的硬件條件不同，將 射野劃分成為多個(gè)射束元(beamlet),如下面的某種MLC的技術(shù)指標(biāo)
等中心射野約81 x 270mm;
葉片對數(shù)27對(3mm，等中心處投影)；
最小輻射野尺寸3mm x 3mm;
最大過等中心距離90mm。
根據(jù)技術(shù)指標(biāo)將上述MLC的調(diào)強(qiáng)區(qū)域轉(zhuǎn)換為27 x 60的二維數(shù)組。將數(shù)學(xué)關(guān)系與實(shí) 際結(jié)合到了 一起。
所述的濾波算法，其特征在于Savitzky-Golay濾波、矩形域的最小二乘曲面擬 合算法、最佳一致逼近的里米茲方法。
所述的子野分割算法比較，其特征在于采用Xia and Verhey算法、Galvin_Chen and Smith算法、Bortfeld算法、Engel算法、Kalinowski算法、Kamath算法、 Boland, Hamacher and Lenzen算法、Baatar and Hamacher算法、Langer， Thai andPapiez算法、Dai and Zhu算法。在上述算法范圍內(nèi)達(dá)到子野數(shù)目或機(jī)器跳數(shù) 最小，減少加速器和多葉準(zhǔn)直器機(jī)械損耗。
所述的濾波算法在不改變強(qiáng)度通量圖主要特性的基礎(chǔ)上減少子野數(shù)目，從而減 少了葉片機(jī)械損耗，并縮短了照射時(shí)間。保留的主要特性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其特征在于 RMS ( root—mean-squared )偏離。根據(jù)權(quán)利要求l所述的濾波算法，其特征在于可以根據(jù)用戶需要按照子野重要性逐步 減少相對不重要的子野。
本發(fā)明在數(shù)學(xué)上最優(yōu)性的證明可以通過文獻(xiàn)(Boyer A L and Strait J P. Delivery of intensity modulated treatments with dynamic multileaf collimators. In Proc. XII Int. Conf. on use of Computers in Radaiation Therapy. Madison, WI: Medical Physics Publishing, 1997. 13—15.)獲4尋。
通過Xia and Verhey ，Galvin， Siochi等算法比較輸出得2D強(qiáng)度之后，可以 利用圖論知識將該2D矩陣轉(zhuǎn)換為一個(gè)帶權(quán)有向圖，G= (V， E, W)以及左右兩個(gè)指定的 頂點(diǎn)v和w (代表左右葉片)，問題轉(zhuǎn)換為要尋找從v到w的最短路徑問題。所謂 最短路徑問題，就是給定一個(gè)賦權(quán)有向圖。即給了 一個(gè)有向圖D= (V, E),對每一個(gè)弧 a=(vi, vj)，相應(yīng)地有權(quán)重w(a)=wij。又給定D中的兩個(gè)頂點(diǎn)vs， vt。設(shè)P是D中從 vs到vt的一條路徑，定義路徑P的權(quán)是P中所有弧的權(quán)之和，記為w(P)。最短路徑 就是要在所有從vs到vt的路中，求一條權(quán)重最小的路徑，即求一條從vs到vt的路 徑PO,使w(PO)-Min(w(PO))。這個(gè)算法將按照頂點(diǎn)離v增加的次序找從v到另外一 個(gè)頂點(diǎn)的最短路。當(dāng)所計(jì)算的頂點(diǎn)到達(dá)w時(shí)算法停止。尋找最小路徑的算法較多， 采用Floyd算法、動態(tài)規(guī)劃算法、貪心算法。以Floyd算法為例
Floyd算法的基本思想是從vs到vt的最短路徑是以下各種可能路徑中的長 度最小的那條。
若〈vs, vt〉存在，則存在路徑{vs, vt}。(路徑中不含有其它頂點(diǎn))
若〈vs, vl>, <vl, vP存在，則存在if各徑{vs, vl, vt)。(路徑中所含頂點(diǎn)序號不大于
1)
若〈vs，…，v2〉，〈v2,…vt〉存在，則存在一條最短;洛徑(vs，…v2…vj)。(路徑中所 含頂點(diǎn)序號不大于2)
依次類推，則vs到vt的最短路徑應(yīng)是上述這些路徑中路徑長度最小者。
關(guān)鍵思想編程，用偽代碼表示
從F1 oyd算法的基本思想可以得出其算法的步驟如下
St印l:初始化距離矩陣D (0) = (di j (0))、序號矩陣S (0) = (si j (0))和執(zhí)行次數(shù)變 量k的值。其中距離矩陣D (0)和序號矩陣S (0)分別定義為
8若vi鄰接到vj,則dij (0)=wij;否則dij (0) = ~。
si j (O)-j (i, j=l， 2…n),即元素si j (0)的值等于它所在的列數(shù)。圖中頂點(diǎn)的個(gè) 數(shù)為n。 k=l
St印2:當(dāng)k《n時(shí)，D(k)中第k行與第k列元素保持與D(k-1)的相應(yīng)元素相同。 其他元素按下式進(jìn)行計(jì)算
dij (k) =Min(dij (k—1), dik (k—1)+dkj (k—1)) 序號矩陣S (0)的元素取值規(guī)則為
若 dij(k)=dij(k-l),則 sij(k)=sij(k-l);若 dij(k)<dij(k-l),則 sij(k)=sik(k)。
經(jīng)過計(jì)算，若dii (k)<0,則結(jié)束整個(gè)過程的計(jì)算。說明圖中存在一條含有頂點(diǎn)vi 的負(fù)回if各，由序號矩陣中的sij (k)可以找出此回if各，否
則k-k+l，再執(zhí)行St印2。
St印3:當(dāng)1[=11時(shí)，終止整個(gè)過程的計(jì)算。若^"1{)=+00,則說明D中不存在從vs 到vt的最短路徑；否則di j (k)的值就是vi到vj的最短距離。其相應(yīng)的路徑可由序 號矩陣中的sik(k)找出。(i,j=l，2...n)
從以上介紹的具體算法中可以看出Floyd算法是從鄰接矩陣出發(fā)，而且最短路 徑可以從序號矩陣中找出來。最短路徑的權(quán)值從距離矩陣中得出。
得到的Ol數(shù)組，根據(jù)要求再采用Savitzky-Golay算法進(jìn)行子野過濾(可選)， 進(jìn)一步減少子野數(shù)目，最后按多葉準(zhǔn)直器的幾何參數(shù)轉(zhuǎn)換為葉片序列文件控制多葉 準(zhǔn)直器。
本發(fā)明的有益成果為以便使子野的個(gè)數(shù)(Number of Segment, NS)盡可能的 少，所需要的子野跳數(shù)(Total Number of Monitor Unit, TNMU)盡可能少，大大減 少了硬件損耗和盡可能縮短了照射的時(shí)間。


圖l建立多葉準(zhǔn)直器葉片序列輸出過程示意圖。 圖2為算法流程圖。
圖3為2D數(shù)組與對應(yīng)MLC形狀，中間有洞的多邊形。圖4濾波算法使用效果圖；(a)是原數(shù)組，(b) (c)是二階、四階濾波效果圖。
在實(shí)際應(yīng)用的具體實(shí)施實(shí)例 實(shí)例
有如下強(qiáng)度矩陣A:
爿=
2111113、
75625441
14566657
67627662
27724557
55544563
54456777
,11213311,
步驟l: Xia and Verhey， Galvin， Siochi, Bortfeld算法等分解結(jié)果如下:
Xia and VerheyGalvinSiochiBortfeld
子野數(shù)目(NS)78712
表l子野數(shù)目的計(jì)算結(jié)果
按照表l的計(jì)算結(jié)果，采用Xia and Verhey算法取初始強(qiáng)度
u = INT(log2(I』-1 = 4。
00000000 1110 1110 0 1111111
1110 1110 0 110 111 1
1111 1110 11111111 00000000
將此結(jié)果按照1的連續(xù)性分為MIX可以執(zhí)行的形狀。對應(yīng)如圖3。按照F1 oyd 算法對2D矩陣進(jìn)行計(jì)算，尋找最小路徑。
10編程方法(偽代碼)如下 For k=l to n For i=l to n For j=l to n If i=k Then
For c=l to n
dkc (k) =dkc (k-1) #D (k)中第k行與與D(k-l)的第k行的元 素對應(yīng)相同
dck(k)=dck(k—l)#D(k)中第k列與與D(k-l)的第k列的元 素對應(yīng)相同 Next
Else
If j#k Then dij (k)=Min(dij (k—1)， dik(k-l)+dkj (k-1) If dij (k) = (dij (k-l)Then sij(k)=sij(k-1)
Else
sij (k)=sik(k)
End End
Next
Next Next
該算法的時(shí)間復(fù)雜性為0(n3+n2)。計(jì)算結(jié)果為3,比預(yù)期的Xia算法子野 分割數(shù)目(2D強(qiáng)度下)要小。因?yàn)樽右皵?shù)目已經(jīng)比較小，所以不需要進(jìn)行濾波。 如果濾波程序就可以將子野數(shù)目按權(quán)重能力過濾掉小子野。
權(quán)利要求
1、一種多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)葉片序列算法，其特征在于包括以下步驟(1)通過計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算出的射束剖面強(qiáng)度分布優(yōu)化結(jié)果將影響到劑量的分布，但一個(gè)好的劑量分布對應(yīng)的初始強(qiáng)度分布并不一定是最可取的，因?yàn)閯┝窟m形程度越高，要求的強(qiáng)度分布就越復(fù)雜；對于復(fù)雜的分布情形，初始射束剖面強(qiáng)度將變得非常復(fù)雜，子野化后必將產(chǎn)生很多子野，甚至很多的小野；如此以來，將會大大延長照射的時(shí)間，同時(shí)隨著子野數(shù)目的增加，特別是很多小子野的存在，射野利用率將降低，同時(shí)會增加射野漏射(Leakage)、機(jī)頭散射(Scatter)和MLC的凸凹槽效應(yīng)(Tongue and Groove Effects)等因素帶來的不確定性；假定從計(jì)劃系統(tǒng)獲得的m行n列二維強(qiáng)度矩陣A為已知，通過Savitzky-Golay濾波、矩形域的最小二乘曲面擬合算法、最佳一致逼近的里米茲方法等將A在保留基本特征的情況下，得到A′；運(yùn)用濾波算法到強(qiáng)度通量圖A上會得到不運(yùn)用濾波算法相近的劑量分布A，可以使需要使用的TNMU和NS大量減少；RMS(root-mean-squared)偏離是判斷標(biāo)準(zhǔn)；濾波算法的運(yùn)用也有2階，4階等不同階數(shù)的區(qū)別；(2)并已通過輻照區(qū)域離散化使矩陣A成為一個(gè)m行n列的非負(fù)強(qiáng)度矩陣A′，矩陣A′的元素A′(i，j)代表輻照區(qū)域的輻照強(qiáng)度值，0代表沒有強(qiáng)度，即是沒有輻照，輻照強(qiáng)度值由小至大，則是表示輻照強(qiáng)度由小至大，即是需要照射單位的少與多；一般說來，元素A′(i，j)必須滿足如下的條件才能被大照射野多葉準(zhǔn)直器所實(shí)現(xiàn)，存在正整數(shù)li-1，ri+1，其具有如下特性1≤li≤ri+1≤n+1 (i∈[m])，其中l(wèi)i-1，ri+1各自代表了左右葉片的位置，所以強(qiáng)度矩陣A′可以分解為二維矩陣Si的和其中Si是MLC可以形成的每一個(gè)子野。S(i，j)是Si二維數(shù)組中第i行第j列的元素值；以子野的個(gè)數(shù)NS、子野跳數(shù)TNMU最小化為目標(biāo)，也就是以∑Ui值與k值各自都達(dá)到最小值；采用Xia and Verhey算法、Galvin_Chen and Smith算法、Bortfeld算法、Enge1算法、Kalinowski算法、Kamath算法、Boland，Hamacher and Lenzen算法、Baatar and Hamacher算法、Langer，Thai and Papiez算法、Dai and Zhu算法等計(jì)算結(jié)果比較TNMU與NS值的大小后，選擇能獲得最小TNMU與NS值的算法，并按此算法將A分解而成的二維矩陣一系列的子野Si；(3)Si對應(yīng)與MLC的葉片序列關(guān)系根據(jù)大照射野的硬件條件不同，將射野劃分成為多個(gè)射束元(beamlet)，如下面的某種MLC的技術(shù)指標(biāo)等中心射野約81×270mm；葉片對數(shù)27對(3mm，等中心處投影)；最小輻射野尺寸3mm×3mm；最大過等中心距離90mm；根據(jù)技術(shù)指標(biāo)將上述MLC的調(diào)強(qiáng)區(qū)域轉(zhuǎn)換為27×60的二維數(shù)組，將數(shù)學(xué)關(guān)系與實(shí)際結(jié)合到了一起。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)葉片序列算法，其特征在于所述的濾 波算法，是Savitzky-Golay濾波、矩形域的最小二乘曲面擬合算法、最佳一致 逼近的里米茲方法。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)葉片序列算法，其特征在于所述的子 野分割算法比較，采用Xia and Verhey算法、Galvin—Chen and Smith算法、 Bortfeld算法、Engel算法、Kalinowski算法、Kamath算法、Boland， Hamacher and Lenzen算法、Baatar and Hamacher算法、Langer， Thai and Papiez算 法、Dai and Zhu算法，在上述算法范圍內(nèi)達(dá)到子野^:目或機(jī)器跳數(shù)最小，減 少加速器和多葉準(zhǔn)直器機(jī)械損耗。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)葉片序列算法，其特征在于所述的濾 波算法在不改變強(qiáng)度通量圖主要特性的基礎(chǔ)上減少子野數(shù)目，從而減少了葉片 機(jī)械損耗，并縮短了照射時(shí)間；保留的主要特性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其特征在于RMS(root-mean-squared )偏離。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)葉片序列算法，其特征在于所述的濾波算法，根據(jù)用戶需要按照子野重要性逐步減少相對不重要的子野。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)葉片序列算法，綜合比較現(xiàn)有算法得出2d強(qiáng)度分布，再利用圖論分解2d強(qiáng)度分布并加入子野過濾的葉片序列算法的整體解決方案。在獲得靶區(qū)強(qiáng)度矩陣后，對其分群并利用多種算法(Galvin，Xia andverhey，Siochi，Bortfeld等)進(jìn)行子野分割的結(jié)果比較總加速器跳數(shù)(TNMU)和子野分割數(shù)目(NS)得出最優(yōu)值，后選定子野分割方案，得到2d強(qiáng)度分布，并以圖論中最小路徑法計(jì)算葉片序列，并可根據(jù)需要按MU權(quán)重過濾子野，以期達(dá)到符合需求的優(yōu)化葉片序列算法。
文檔編號G06F17/10GK101499326SQ200910116119
公開日2009年8月5日 申請日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月22日
發(fā)明者蘭海洋, 吳宜燦, 耀 孟, 佳 景, 曹瑞芬, 貴 李, 曦 裴, 鄭華慶 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)