[發明專利]基于GPU蒙特卡洛算法的磁場下光子和電子劑量計算方法

有效

• 申請號: 201710271427.9
• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN106943679B
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 徐榭;陽露;劉紅冬;劉天宇;林卉;裴曦
• 申請（專利權）人: 安徽慧軟科技有限公司
• 主分類號: A61N5/10
• 分類號: A61N5/10
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 陸麗莉;何梅生

1.一種基于GPU蒙特卡洛算法的磁場下光子和電子劑量計算方法，其特征是按如下步驟進行：

步驟1：采集數據；

步驟1.1、獲取放射治療加速器的照射源數據并進行處理，得到放射源信息其中，E表示源能量，表示源位置，表示源發射方向；

步驟1.2、獲取人體解剖結構的圖像數據并重建人體模型；獲取核磁共振儀的磁場強度數據

步驟1.3、獲取光子和電子分別與物質發生反應的核數據并進行處理，得到所述核數據的宏觀截面數據Σ，對所述宏觀截面數據按照能量的高低進行降序排序，得到排序后的光子宏觀截面數據Σ^p和電子宏觀截面數據Σ^e；

步驟2、確定GPU的最優線程數和輸運任務的批次；

步驟2.1、利用runtime attribute程序接口獲得GPU中每個線程所需寄存器的數目r；則GPU中每個流多處理器工作在滿載狀態的最小線程個數為R表示每個流多處理器上的寄存器個數；從而得到GPU工作在滿載狀態所需線程總數為T＝Mt，M表示GPU中流多處理器的個數；

步驟2.2、設置放射源粒子的數目為N，并將N個放射源粒子的輸運任務劃分為T個批次，使得每個批次上以串行地方式待計算放射源粒子的個數為

步驟3、利用蒙特卡洛算法計算每個批次在磁場作用下的光子和電子輻射劑量；

步驟3.1、定義每一批抽取放射源粒子的次數為w，并初始化w＝1；

步驟3.2、定義第w次抽取放射源粒子時的輸運次數為u，并初始化u＝0；

步驟3.3、利用隨機數生成器從放射源信息S中第w次抽取第w個放射源粒子S_w；所述第w個放射源粒子S_w第u次輸運的狀態為：并判斷第w次抽取第w個放射源粒子S_w的類型，若為光子記為則執行步驟3.4；若為電子記為則執行步驟3.5；

步驟3.4、基于排序后的光子宏觀截面數據Σ^p抽取第u+1次輸運時的運動步長和運動方向再執行步驟3.7；

步驟3.5、基于排序后的電子宏觀截面數據Σ^e抽取第u+1次輸運時的運動步長和運動方向

步驟3.6、判斷所述電子是否處于人體模型的磁場區，若是，先將第w個電子沿運動方向移動距離再將第w個電子沿著式(1)修正的運動方向移動否則，仍然采用所述運動方向

式(1)中，為第w個電子第u+1次輸運時修正后的新方向；norm{}為歸一化算符；為第u+1次對第w個電子進行抽樣所得到的步長；Q為電子電荷數；c為真空中光速，m為電子靜質量，為第w個電子在第u次輸運時的能量；為電子第u+1次輸運時未修正的運動方向；為第w個電子在人體模型中第u+1次輸運時所處位置的磁場強度；

步驟3.7、基于排序后的光子宏觀截面數據Σ^p和電子宏觀截面數據Σ^e、所述第w個放射源粒子S_w第u次輸運的狀態運動步長、運動方向或修正的運動方向，對第w個放射源粒子S_w的反應類型進行抽樣，得到第w個放射源粒子S_w在人體模型中進行第u+1次輸運的狀態

步驟3.8、計算第w次抽取的第w個放射源粒子S_w人體模型中進行第u+1次輸運時沉積的劑量

步驟3.9、將u+1賦值給u，若為光子，則返回步驟3.4執行，若為電子，則返回步驟3.5執行，直到能量低于截止能量或第w個放射源粒子S_w超出人體模型的邊界為止；從而統計得到第w次抽取的第w個放射源粒子S_w在人體模型中沉積的劑量Dose_w；

步驟3.10、將w+1賦值給w，并返回步驟3.1執行，直到w＞n為止；從而統計得到每個批次n次抽取的n個放射源粒子在人體模型中沉積的劑量Dose；

步驟4、基于GPU快速原子加法統計劑量結果：

步驟4.1、將T個批次所獲得沉積的劑量以三維矩陣的形式存入GPU的全局內存中，在所述三維矩陣中的任意元素記為dose_i；dose_i表示在三維空間中第i個位置上的劑量；

步驟4.2、獲取GPU中同一個線程包內的有效線程，并將所要更新的全局內存地址相同的有效線程從所述同一線程包中篩選出來；

步驟4.3、將篩選出來的有效線程所對應的全局內存中所存儲的劑量進行累加，得到的劑量結果存入序號最小的有效線程中；

步驟4.4、利用“卡漢求和”以及“比較-交換”算法將所有屬于同一線程包內序號最小的有效線程中的劑量結果累加到GPU的全局內存中，從而得到人體模型中放射源粒子的總劑量；

步驟4.5、將所述總劑量除以放射源粒子的總數N，從而得到歸一化的劑量結果，并將其返回到CPU內存。