[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

本發明公開了一種基于GPU蒙特卡洛算法的磁場下光子和電子劑量計算方法，包括：1采集數據；2確定GPU的最優線程數和輸運任務批次；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；4基于GPU快速原子加法統計劑量結果。本發明能快速且準確的計算出磁場作用下光子和電子的輻射劑量，可用于磁共振實時引導放射治療MRIgRT的治療計劃系統中的劑量計算，進而提高MRIgRT治療計劃系統中劑量計算的準確性與速度，改善放射治療的效果。

技術領域

本發明屬于計算機信息技術在核技術領域的應用，尤其涉及到醫學放射治療技術領域，具體的說是一種基于GPU蒙特卡洛算法的磁場下光子和電子劑量計算方法，可用于磁共振實時引導放射治療MRIgRT的治療計劃系統中的劑量計算。

背景技術

癌癥是人類死亡的主要原因之一，大約有70％的癌癥患者在治療癌癥的過程中需要使用放射治療，約有40％的癌癥可以用放射治療根治。實際患者接受的放射治療方案是通過治療計劃系統來設計的。在治療計劃系統中，醫生會根據病人的CT勾畫出靶區器官與危及器官的輪廓，并設置好靶區器官的處方劑量及危及器官的劑量限值，然后這些信息會傳送到物理師工作站，物理師在上述基礎上，為病人制定的具體的放療方案。這個方案主要是指設置病人實際放療時放射源的能量、照射方向、照射野數目和權重。通過治療計劃系統計算出物理師制定的放療方案是否滿足醫生規定的靶區劑量和危及器官劑量要求。若滿足則按照物理師方案中提到的放射源對患者進行照射。反之則重新制定治療計劃，修改放射源數目、照射方向和權重，直到劑量計算的靶區劑量和危及器官劑量達到醫生設定的要求。劑量計算主要計算的是放射源與人體模型相互作用時，在人體模型中沉積的劑量。人體模型主要是通過患者CT數據獲取而來，放射源主要是參照上述物理師為病人設置的放射源的能量、照射方向、照射野數目和權重。

目前的治療計劃系統中的劑量計算主要是采用解析法來計算靶區劑量和危及器官劑量，解析法適合處理均勻介質的劑量計算問題，但是患者的器官是非均勻介質，解析法在處理非均勻介質的劑量計算問題時存在較大誤差。另一方面，治療計劃系統主要支持CT的數據，制定放射治療計劃方案。導致病人必須通過CT掃描才能獲取人體模型數據，對于一些運動器官，為了獲得它們的清晰圖像，體內需植入標記物，這讓不少的病人很痛苦。臨床數據表明CT獲得的軟組織分辨率不高，運動器官即使植入標記物，圖像仍然不清晰，且在CT掃描時患者受到了非治療需要的輻射劑量。

隨著放療技術與成像技術的發展，國際上提出用MRI引導放射治療，即在治療前、治療中通過MRI來引導整個放射治療的過程。MRI可實時跟蹤器官運動變化，無輻射劑量，并能獲得豐富的解剖結構、功能性信息。但MRI中存在磁場，而目前的治療計劃系統劑量計算并未將磁場的因素考慮，這將使得目前的治療計劃系統無法準確計算出磁場存在時的輻射劑量。另外通過PET也可以獲取患者的圖像信息，但目前的治療計劃系統暫時不支持PET成像的數據，用于劑量計算。

蒙特卡洛方法一直是公認計算輻射劑量的“黃金準則”。蒙特卡洛方法能解決在治療計劃系統中的劑量計算遇到的非均勻介質問題。但蒙特卡洛方法是基于統計的思想，需進行大量模擬才能保證結果的準確性，所以用蒙特卡洛方法解決治療計劃系統中的劑量計算問題，將花費很長的時間才能獲得劑量結果。正是因為蒙特卡洛方法花費時間長，即使它能準確計算出劑量結果，該方法也一直無法應用于臨床。

隨著計算機的發展，基于Kepler構架和Maxwell構架的GPU在當前的科學計算中使用十分廣泛。將已有的CPU大型模擬程序如Geant4、MCNP移植到GPU上，需手動改寫代碼，且GPU上十幾GB內存分配到幾千個線程，對于基于蒙特卡洛方法的程序而言，這是遠遠不足的。即使移植成功，也會因為GPU上的線程分歧、內存延時，C++多態功能導致編譯器無法進行函數內聯導致運行速度很慢。因而，目前若將基于蒙特卡洛方法的放射源粒子輸運程序與GPU相結合，只能用于特定用途的蒙特卡洛程序模擬。