專利名稱:動態(tài)獨(dú)立準(zhǔn)直器準(zhǔn)直塊運(yùn)動軌跡的生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)特定或任意強(qiáng)度分布生成動態(tài)獨(dú)立準(zhǔn)直器準(zhǔn)直塊運(yùn)動軌跡 的方法。
背景技術(shù)：
目前，較普遍采用的技術(shù)是應(yīng)用準(zhǔn)直器進(jìn)行強(qiáng)度的調(diào)制，包括多葉準(zhǔn)直器 (multileaf collimator，MLC)和獨(dú)立準(zhǔn)直器(ind印endentcolIimator，IC)，兩者均是限定 射線束照射范圍的裝置。前者由兩組相對排列的葉片組成，通過每個葉片的獨(dú)立運(yùn)動可以 形成邊緣呈臺階狀的不規(guī)則射野。后者由兩對四個準(zhǔn)直塊組成。通過兩對準(zhǔn)直塊沿相互垂 直的方向運(yùn)動，可形成不同大小的矩形照射野。
MLC調(diào)強(qiáng)是使用多葉準(zhǔn)直器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的一類調(diào)強(qiáng)方式，又根據(jù)在射線照射時 葉片是否可以運(yùn)動而再分為兩類靜態(tài)調(diào)強(qiáng)和動態(tài)調(diào)強(qiáng)。
靜態(tài)調(diào)強(qiáng)(Static MLC-IMRT)即在射線照射時多葉準(zhǔn)直器葉片處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng) 一個子野(segment)完成后，射線關(guān)閉，葉片開始運(yùn)動形成下一個子野，新的子野形成后葉 片進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)，射線開始照射，因此被稱為靜態(tài)模式。靜態(tài)調(diào)強(qiáng)對每個射野內(nèi)諸點(diǎn)的輸出 劑量率的調(diào)節(jié)是通過疊加射野內(nèi)一系列子野的劑量而達(dá)到的，可以被看作是在每個角度的 射野里增加了更多MLC形狀的常規(guī)MLC照射。靜態(tài)調(diào)強(qiáng)的缺點(diǎn)是每個子野被作為一個常 規(guī)野進(jìn)行治療，這樣每個子野的記錄/驗(yàn)證就會占用一定的時間，由此會延長整個治療所 需的時間，對MLC葉片位置精度、加速器在小跳數(shù)情況下的表現(xiàn)要求高，還要考慮凸凹槽效 應(yīng)、MLC穿射、機(jī)頭散射、葉片弧形端面穿射，射野的寬度受到MLC長度的限制，空間分辨率 受到MLC寬度的限制。
MLC動態(tài)調(diào)強(qiáng)(Dynamic MLC-IMRT)即在射線照射時多葉準(zhǔn)直器葉片處于運(yùn)動狀 態(tài)，利用多葉準(zhǔn)直器的相對應(yīng)的每對葉片在射線照射時在計(jì)算機(jī)控制下對靶區(qū)進(jìn)行掃描以 實(shí)現(xiàn)對射野強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。動態(tài)模式依靠對每個葉片運(yùn)動的速度和照射的劑量率的調(diào)整，可 以被看作是在兩維和多對準(zhǔn)直器情況下的動態(tài)楔形板。動態(tài)調(diào)強(qiáng)的缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)比較復(fù) 雜，要對每個葉片運(yùn)動的速度和加速器的劑量率同時進(jìn)行精確調(diào)整，與靜態(tài)調(diào)強(qiáng)相比，同樣 的強(qiáng)度分布需要更多的MU才能完成，也引入了更多的MLC穿射劑量。由于葉片之間存在 一個最小間隙，這個間隙決定了照射過程中所能夠得到的最小劑量，也就決定了保護(hù)重要 器官和正常組織的最高程度。對于弧形端面的MLC，一組閉合葉片端面間的漏射可以達(dá)到 20%。此外，同樣要考慮上述靜態(tài)調(diào)強(qiáng)所面臨的一系列問題，所以實(shí)現(xiàn)起來比較困難。
MLC調(diào)強(qiáng)，無論是靜態(tài)還是動態(tài)，均存在價格昂貴的問題。如果這個問題不能得到 解決，那么調(diào)強(qiáng)放療就只能在大的腫瘤放療單位采用。這是因?yàn)橐环矫孢@些單位能夠負(fù)擔(dān) MLC以及與MLC調(diào)強(qiáng)相應(yīng)的費(fèi)用，同時還要有足夠的知識來進(jìn)行MLC的檢查、測試、維護(hù)等。
考慮到這些實(shí)際問題，在戴建榮和胡逸民的中國發(fā)明專利申請97116545. 9號中 首次提出了應(yīng)用獨(dú)立準(zhǔn)直器(如
圖1所示)進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度調(diào)制的方法，即僅用兩對(四片) 相互垂直的準(zhǔn)直塊完成MLC同樣的工作。該方法有以下3個步驟1)將計(jì)劃系統(tǒng)優(yōu)化得到的二維射野強(qiáng)度分布離散為一個強(qiáng)度分級矩陣；幻采用一種分子野算法將強(qiáng)度矩陣轉(zhuǎn)換 為一組形狀、位置和大小各異的矩形照射子野；幻優(yōu)化子野照射順序以減少準(zhǔn)直器葉片移 動所需的時間。
獨(dú)立準(zhǔn)直器調(diào)強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)是，IC目前已經(jīng)是新一代加速器的標(biāo)準(zhǔn)配置，IC比MLC更 為經(jīng)濟(jì)；矩陣大小可在X，y兩個方向上同時調(diào)節(jié)；由于調(diào)強(qiáng)矩陣可以選的較小，對小體積 的不規(guī)則病變較MLC更適合；沒有凹凸槽效應(yīng)，漏射線和射線半影都較小；運(yùn)動比MLC更可 靠，故障機(jī)會大為減少。獨(dú)立準(zhǔn)直器調(diào)強(qiáng)的缺點(diǎn)是治療時間較長，射線利用率較低。
為解決獨(dú)立準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)治療時間較長，射線利用率較低的缺點(diǎn)，其它腫瘤放 療中心陸續(xù)提出了改進(jìn)的方法。Meve. Webb提出了一種改進(jìn)的方法“ jaws-plus-mask”，通 過在準(zhǔn)直器下方再加入一個掩碼(mask)準(zhǔn)直器來提高射線利用率，能將效率提高兩到三 倍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種生成動態(tài)獨(dú)立準(zhǔn)直器準(zhǔn)直塊運(yùn)動軌跡的方法，其包括以下步驟
(1)用實(shí)數(shù)變量表示每個控制點(diǎn)的獨(dú)立準(zhǔn)直器準(zhǔn)直塊位置，其中，準(zhǔn)直塊A、準(zhǔn)直 塊B、準(zhǔn)直塊G、準(zhǔn)直塊T在累積照射時間為t時的位置分別表示JA(t)，JB(t)，JG(t)，JT(t)。
(2)基于所述四個準(zhǔn)直塊的位置，根據(jù)公式⑴計(jì)算射野內(nèi)任一點(diǎn)(X，y)的強(qiáng)度 分布 I (x, y)

權(quán)利要求
1.一種生成動態(tài)獨(dú)立準(zhǔn)直器準(zhǔn)直塊運(yùn)動軌跡的方法，其包括以下步驟 確定理想的強(qiáng)度分布；用實(shí)數(shù)變量表示每個控制點(diǎn)的獨(dú)立準(zhǔn)直器的四個準(zhǔn)直塊的位置； 基于所述四個準(zhǔn)直塊的位置，計(jì)算射野內(nèi)任一點(diǎn)的強(qiáng)度分布； 確定準(zhǔn)直塊的運(yùn)動約束條件； 設(shè)定目標(biāo)函數(shù)；優(yōu)化步驟，生成獨(dú)立準(zhǔn)直器準(zhǔn)直塊運(yùn)動軌跡； 其中準(zhǔn)直塊的運(yùn)動約束條件包括防碰撞約束，第一準(zhǔn)直塊的位置小于或等于第二準(zhǔn)直塊的位置，第三準(zhǔn)直塊的位置大 于或等于第四準(zhǔn)直塊的位置，即Ja(t)彡JB(t)，Jt(t)彡Jc(t)，其中JA(t)，Jb(t), Jg(t), Jt (t)分別表示第一準(zhǔn)直塊、第二準(zhǔn)直塊、第三準(zhǔn)直塊、第四準(zhǔn)直塊在累積照射時間為t時的 位置；準(zhǔn)直塊運(yùn)動范圍約束，所述四個準(zhǔn)直塊均位于方向射野的極限位置之內(nèi)，即
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于根據(jù)公式(1)計(jì)算射野內(nèi)任一點(diǎn)(x，y)的強(qiáng) 度分布I (χ，y)
3.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所述目標(biāo)函數(shù)包括第一目標(biāo)函數(shù)和第二目標(biāo) 函數(shù)，其中所述第一目標(biāo)函數(shù)定義為最小化所實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度分布和理想強(qiáng)度分布的方差，即 如公式(5)所示
4.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所述優(yōu)化步驟是采用模擬退火算法、遺傳算 法、梯度算法或牛頓法基于所述約束條件使所述目標(biāo)函數(shù)最小化。
5.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于該方法還包括評測步驟，即用優(yōu)化得到的強(qiáng) 度分布與理想的強(qiáng)度分布的符合度和完成強(qiáng)度調(diào)制所需的時間兩個指標(biāo)來評測所述優(yōu)化 步驟的結(jié)果。
6.如權(quán)利要求
3所述的方法，其特征在于所述第一和第二目標(biāo)函數(shù)可合并為如公式 ⑶所示的目標(biāo)函數(shù) "■max ^inaxMin Pf j /(I(x,y) -10 (x,y)fdxdy + pttsum(8)-xIHin ^min其中Pf和Pt是權(quán)重因子，I (X，y)代表了位置(X，y)的強(qiáng)度值，tSUffl是總的射線照射時間。
7.如權(quán)利要求
6所述的方法，其特征在于pf的取值優(yōu)選為1，Pt的取值范圍優(yōu)選在1 至100之內(nèi)。
8.如權(quán)利要求
5所述的方法，其特征在于所述的符合度用強(qiáng)度平面內(nèi)誤差最大點(diǎn)的強(qiáng) 度差值與平面內(nèi)最大強(qiáng)度值的比率max表示，或所述的符合度用優(yōu)化得到的強(qiáng)度分布與理想強(qiáng)度分布的差方進(jìn)行求和，即Mm^^&i^h,·"^·)2表示，其中Iai為理想強(qiáng)度的第i個V n /=1數(shù)據(jù)的值，Ii為優(yōu)化后得到的強(qiáng)度在第i個數(shù)據(jù)的值，η為總的數(shù)據(jù)個數(shù)。
9.如權(quán)利要求
8所述的方法，其特征在于max的值在士5%以內(nèi)，或者最大MSD值為0. 8。
10.如權(quán)利要求
5所述的方法，其特征在于所述的完成強(qiáng)度調(diào)制所需的時間用MDF因子 來表示MDF = ΦIC/Ophys其中Φκ為完成動態(tài)IC序列需要的總的強(qiáng)度，為射線通過準(zhǔn)直塊得到的最大強(qiáng)度值。
11.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所述的獨(dú)立準(zhǔn)直器采用動態(tài)模式進(jìn)行射野 強(qiáng)度的調(diào)制。
12.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于利用動態(tài)獨(dú)立準(zhǔn)直器進(jìn)行一維或二維的強(qiáng) 度調(diào)制。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種根據(jù)特定強(qiáng)度分布，優(yōu)化生成獨(dú)立準(zhǔn)直器準(zhǔn)直塊運(yùn)動軌跡的方法。該方法包括以下步驟用實(shí)數(shù)變量表示每個控制點(diǎn)的獨(dú)立準(zhǔn)直器準(zhǔn)直塊位置，根據(jù)準(zhǔn)直塊動態(tài)運(yùn)動軌跡，計(jì)算射野內(nèi)任意一點(diǎn)的強(qiáng)度分布，確定準(zhǔn)直塊的運(yùn)動約束條件，建立目標(biāo)函數(shù)，執(zhí)行優(yōu)化求解，生成獨(dú)立準(zhǔn)直器準(zhǔn)直塊運(yùn)動軌跡。應(yīng)用動態(tài)獨(dú)立準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直塊運(yùn)動軌跡生成方法，實(shí)際得到的強(qiáng)度分布與理想的強(qiáng)度分布符合度比靜態(tài)強(qiáng)度調(diào)制的結(jié)果更好，同時能夠大大縮短調(diào)制的時間，提高執(zhí)行效率。
文檔編號G21K1/04GKCN101246757SQ200710146107
公開日2011年7月6日 申請日期2007年8月23日
發(fā)明者張永謙, 戴建榮 申請人:中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2), 非專利引用 (3),