粒子剂量的确定方法、装置、设备、介质和程序产品与流程

1.本公开涉及物理学和计算机领域，具体涉及物理学和计算机技术在放射医疗领域的应用，更具体地涉及一种粒子剂量的确定方法、装置、设备、介质和程序产品。


背景技术：

2.在放射治疗领域中，通常基于蒙特卡洛方法模拟粒子在物质中的反应过程及粒子在介质中的输运和能量沉积。蒙特卡洛模拟软件在模拟过程需要频繁调用内存中存储的物理数据模拟大量粒子输运过程的相互作用，cpu环境的计算线程较少，计算速度受到影响。基于cuda加速框架开发的蒙特卡洛模拟软件只支持在nvidia的gpu设备上执行计算，这使得基于gpu运行的蒙特卡洛模拟软件应用场景受限。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本公开提供了提高计算效率的粒子剂量的确定方法、装置、设备、介质和程序产品。
4.根据本公开的第一个方面，提供了一种粒子剂量的确定方法，包括：根据ct图像信息，确定感兴趣区域；在感兴趣区域内模拟多个批次粒子的输运过程；利用gpu并行计算多个批次粒子中每个批次的多个粒子进行输运过程后的沉积剂量信息；以及对多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计，得到总体剂量信息。
5.根据本公开的实施例，多个批次粒子的沉积剂量信息分别存储于多个本地剂量计数器，对多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计，得到总体剂量信息，包括：利用全局剂量计数器对多个本地剂量计数器中存储的多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计，得到统计结果；以及对统计结果进行归一化处理，得到总体剂量信息。
6.根据本公开的实施例，感兴趣区域包括多种组织材料；在感兴趣区域内模拟多个批次粒子的输运过程，包括：根据粒子发射源的属性参数，在感兴趣区域中设置初始化路径；在初始化路径下模拟多个批次粒子的输运过程；以及计算输运过程中多种组织材料的电离相互作用数据和核反应截面数据，并计算多个能量区域的限制阻止本领。
7.根据本公开的实施例，粒子包括初级粒子，计算多个批次粒子中每个批次的多个粒子进行输运过程后的沉积剂量信息，包括：获取初级粒子在完成当前输运后的位置信息；在确定位置信息位于感兴趣区域中的情况下，获取初级粒子的能量信息；在确定能量信息大于等于预设值的情况下，对初级粒子进行下一次输运，并返回获取初级粒子在完成当前输运后的位置信息的操作；以及在确定能量信息小于预设值的情况下，记录位置信息和能量信息为初级粒子的沉积剂量信息。
8.根据本公开的实施例，计算多个批次粒子中每个批次的多个粒子进行输运过程后的沉积剂量信息，还包括：在确定能量信息大于等于预设值的情况下，获取初级粒子在完成当前输运后的电离相互作用数据和核反应截面数据；根据电离相互作用数据和核反应截面数据，计算质子反应道；根据质子反应道，判断完成当前输运后的初级粒子是否生成次级粒
子；以及在确定完成当前输运后的初级粒子生成次级粒子的情况下，计算次级粒子的沉积剂量信息。
9.根据本公开的实施例，次级粒子包括次级δ电子、次级氧离子、次级质子、反冲质子、长射程粒子和短射程粒子；在确定粒子的粒子属性由初级粒子变生成次级粒子的情况下，计算次级粒子的沉积剂量信息，包括：在确定完成当前输运后的初级粒子生成次级δ电子、次级氧离子或短射程粒子的情况下，将次级δ电子、次级氧离子或短射程粒子的能量信息和位置信息记为沉积剂量信息；在确定完成当前输运后的初级粒子生成次级质子或反冲质子的情况下，将次级质子或反冲质子压入次级粒子堆栈以对次级质子或反冲质子进行下一次输运，并计算次级质子或反冲质子的沉积剂量信息；以及在确定完成当前输运后的初级粒子生成长射程粒子的情况下，停止对长射程粒子的输运，并剔除长射程粒子的沉积剂量信息。
10.根据本公开的实施例，完成输运后的粒子包括初级粒子和次级粒子，对多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计，得到总体剂量信息，包括：对初级粒子的沉积剂量信息和次级粒子的沉积剂量信息进行统计，得到总体剂量信息。
11.根据本公开的实施例，利用gpu并行计算多个批次粒子中每个批次的多个粒子进行输运过程后的沉积剂量信息，包括：基于taichi和蒙特卡洛物理模型，对于多个批次粒子中每个批次的多个粒子，在gpu上利用多个线程并行计算多个粒子进行输运过程后的沉积剂量信息。
12.根据本公开的实施例，根据ct图像信息，确定感兴趣区域，包括：获取ct图像信息中多个体素的相关信息，相关信息包括位置信息、元素信息和hu值；从位置信息、元素信息和hu值中获取与感兴趣区域对应的特定位置信息、特定元素信息和特定hu值；以及根据特定位置信息、特定元素信息和特定hu值，确定感兴趣区域。
13.本公开的第二方面提供了一种粒子剂量的确定装置，包括：确定模块，用于根据ct图像信息，确定感兴趣区域；模拟模块，用于在感兴趣区域内模拟多个批次粒子的输运过程；计算模块，用于利用gpu并行计算多个批次粒子中每个批次的多个粒子进行输运过程后的沉积剂量信息；以及统计模块，用于对多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计，得到总体剂量信息。
14.本公开的第三方面提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，其中，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行上述粒子剂量的确定方法。
15.本公开的第四方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器执行上述粒子剂量的确定方法。
16.本公开的第五方面还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述粒子剂量的确定方法。
附图说明
17.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
18.图1示意性示出了根据本公开实施例的粒子剂量的确定方法、装置、设备、介质和
程序产品的系统架构图；
19.图2示意性示出了根据本公开实施例的粒子剂量的确定方法的应用场景图；
20.图3示意性示出了根据本公开实施例的粒子剂量的确定方法的流程图；
21.图4示意性示出了根据本公开实施例的计算沉积剂量信息的流程图；
22.图5示意性示出了根据本公开另一实施例的粒子剂量的确定方法的流程图；
23.图6示意性示出了根据本公开实施例的粒子剂量的确定装置的结构框图；以及
24.图7示意性示出了根据本公开实施例的适于实现粒子剂量的确定方法的电子设备的方框图。
具体实施方式
25.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
26.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
27.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
28.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
29.在本公开的技术方案中，所涉及的用户个人信息的收集、存储、使用、加工、传输、提供、公开和应用等处理，均符合相关法律法规的规定，采取了必要保密措施，且不违背公序良俗。在本公开的技术方案中，在获取或采集用户个人信息之前，均获取了用户的授权或同意。
30.本公开的实施例提供了一种粒子剂量的确定方法，包括：
31.根据ct图像信息，确定感兴趣区域；在感兴趣区域内对多个批次粒子进行模拟输运；利用gpu并行计算多个批次粒子中每个批次的多个粒子进行输运过程后的沉积剂量信息；以及对多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计，得到总体剂量信息。
32.图1示意性示出了根据本公开实施例的粒子剂量的确定方法、装置、设备、介质和程序产品的系统架构图。如图1所示，根据该实施例的应用场景100可以包括终端设备101、102、103、网络104和服务器105。网络104用以在终端设备101、102、103和服务器105之间提供通信链路的介质。网络104可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。
33.用户可以使用终端设备101、102、103通过网络104与服务器105交互，以接收或发
送消息等。终端设备101、102、103上可以安装有各种通讯客户端应用，例如购物类应用、网页浏览器应用、搜索类应用、即时通信工具、邮箱客户端、社交平台软件等(仅为示例)。
34.终端设备101、102、103可以是具有显示屏并且支持网页浏览的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、膝上型便携计算机和台式计算机等等。
35.服务器105可以是提供各种服务的服务器，例如对用户利用终端设备101、102、103所浏览的网站提供支持的后台管理服务器(仅为示例)。后台管理服务器可以对接收到的用户请求等数据进行分析等处理，并将处理结果(例如根据用户请求获取或生成的网页、信息、或数据等)反馈给终端设备。
36.需要说明的是，本公开实施例所提供的粒子剂量的确定方法一般可以由服务器105执行。相应地，本公开实施例所提供的粒子剂量的确定装置一般可以设置于服务器105中。本公开实施例所提供的粒子剂量的确定方法也可以由不同于服务器105且能够与终端设备101、102、103和/或服务器105通信的服务器或服务器集群执行。相应地，本公开实施例所提供的粒子剂量的确定装置也可以设置于不同于服务器105且能够与终端设备101、102、103和/或服务器105通信的服务器或服务器集群中。
37.应该理解，图1中的终端设备、网络和服务器的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的终端设备、网络和服务器。
38.图2示意性示出了根据本公开实施例的粒子剂量的确定方法的应用场景图。
39.放射治疗技术的基本物理学原理是以射线照射肿瘤组织，通过射线与组织的相互作用将其携带的能量沉积到癌细胞处将其杀死，其根本目标是在保护健康组织(给予健康组织尽可能低的辐射剂量)的前提下，尽可能多地杀伤癌细胞(给予肿瘤组织尽可能高的辐射剂量)。
40.质子放射治疗是一种新兴的放射治疗技术，与传统的x光/电子束放射治疗相比，质子剂量曲线会存在一个突然隆起的剂量尖峰(布拉格峰)。质子的剂量更高且更尖锐，可以在达到更低的组织损伤的同时，极大提高肿瘤组织的杀伤效率。相较光子而言，质子放射治疗的剂量副作用更低。
41.如图2所示，对待治疗的组织进行建模，生成质子沉积的感兴趣区域210。模拟质子流220从感兴趣区域210的指定位置进行入射，沉积在感兴趣区域210的不同位置。通过本公开实施例提供的粒子剂量的确定方法计算质子源220在感兴趣区域210的剂量情况。
42.以下将基于图2描述的场景，通过图3～图6对公开实施例的粒子剂量的确定方法进行详细描述。
43.图3示意性示出了根据本公开实施例的粒子剂量的确定方法的流程图。
44.如图3所示，该实施例的粒子剂量的确定方法包括操作s310～操作s340。
45.在操作s310，根据ct图像信息，确定感兴趣区域。
46.在本公开实施例中，ct图像可以为待照射组织的ct图像，例如，ct图像信息可以是医学数字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，dicom)ct图像。
47.感兴趣区域可以是粒子沉积的目标区域，例如，需要治疗的肿瘤区域。根据ct图像进行三维建模得到感兴趣区域。例如，感兴趣区域的体积为512*512*256mm3。
48.在操作s320，在感兴趣区域内对模拟多个批次粒子的输运过程。
49.在本公开实施例中，粒子可以是质子。每个批次的粒子数量可以相同，也可以不相同。例如，模拟输运的粒子包括10万个，将10万个粒子平均划分为10个批次，每个批次包括1万个粒子。
50.通过蒙特卡洛模拟软件对粒子的输运进行模拟。例如，可以通过geant4、gate、fluka、topas等蒙特卡洛模拟软件对粒子的输运进行模拟。
51.在操作s330，利用gpu并行计算多个批次粒子中每个批次的多个粒子进行输运过程后的沉积剂量信息。
52.在本公开实施例中，每个线程可以用于计算一个批次粒子中一个粒子的沉积剂量。在gpu的运算框架下，多个线程并行计算每个批次的多个粒子在进行输运过程后的沉积剂量信息。
53.在gpu中运行的计算引擎可以是基于taichi开发的。taichi可以使计算引擎能够在多种gpu设备下运行，例如nvidia、amd、intel等，扩充了本公开实施例中基于gpu运行的粒子剂量确定方法的应用场景。
54.例如，在gpu的运算框架下，利用多个线程通过蒙特卡洛物理模型并行计算感兴趣区域中的沉积剂量。蒙特卡洛物理模型包括简化蒙特卡洛物理模型和完整蒙特卡洛物理模型。
55.在操作s340，对多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计，得到总体剂量信息。
56.在本公开实施例中，对多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计，得到感兴趣区域中不同位置的粒子沉积剂量。沉积剂量信息包括粒子的最终沉积的位置信息和剩余能量信息，将位置信息和能量信息结合，可以得到总体剂量信息。
57.通过本公开实施，在gpu的运算框架下，将单批次的多个粒子的蒙特卡洛输运过程在相互独立的计算线程上并行计算，提高计算速率。基于taichi搭建的gpu并行运行框架，可以自动设计批次排序及线程分布形式，这使得本公开实施例中基于gpu运行的粒子剂量确定方法不仅可以应用在全系列的gpu设备中，还使得gpu并行运行框架得到简化，提高优化迭代效率。
58.在本公开实施例中，操作s310，根据ct图像信息，确定感兴趣区域的步骤包括获取ct图像信息中多个体素的相关信息，相关信息包括位置信息、元素信息和hu值信息；从位置信息、元素信息和hu值中获取与感兴趣区域对应的特定位置信息、特定元素信息和特定hu值；以及根据特定位置信息、特定元素信息和特定hu值，确定感兴趣区域。
59.ct图像表示的区域可认为由多个体素块组成，ct图像表示的区域包括感兴趣区域和非感兴趣区域。感兴趣区域的位置信息、元素信息和hu值与非感兴趣区域的位置信息、元素信息和hu值不同。感兴趣区域为特定对象的所在区域，例如ct图像中的肿瘤区域。获取ct图像中特定对象的特定位置信息、特定元素信息和特定hu值，以确定感兴趣区域。
60.例如，感兴趣区域可以被定义为矩阵模型h(i，j，k，hu)，ct图像中的每个体素可以被定义为矩阵模型中的矩阵点。i，j，k用于表示体素的位置信息，例如图2所示，i表示体素在x轴的坐标，j表示体素在y轴的坐标，k表示体素在z轴的坐标。hu用于表示体素的hu(hounsfiled unit)值，hu值是测定局部组织或者器官密度大小的一种计量单位，可以反映了组织或者器官对x射线吸收程度。感兴趣区域还包括每个体素的元素信息，例如，h、c、n和o等元素。
61.通过对感兴趣区域建立矩阵模型，矩阵模型包括体素块的位置坐标信息、元素信息和体素密度信息(由hu值转换得到)，可以便于表征粒子的输运过程，确定粒子的位置信息和能量信息。
62.在本公开实施例中，操作s320，在感兴趣区域内模拟多个批次粒子的输运过程的步骤包括根据粒子发射源的属性参数，在感兴趣区域中设置初始化路径；以及在初始化路径下模拟多个批次粒子的输运过程；以及计算输运过程后多种组织材料的电离相互作用数据和核反应截面数据，并计算多个能量区域的限制阻止本领。
63.例如，粒子发射源可以是质子源。属性参数包括质子源的能量、强度、形状、入射位置和入射方向。质子源的能量范围可以是50-250mev，本领域的技术人员可以根据实际的需求设置质子源的能量。质子源的强度可以是束流中质子的束流。质子源的形状包括方形、笔形或其他形状。质子源的入射位置可以设置在感兴趣区域的任意地方。
64.根据质子源的属性参数，设置质子的输运路径，通过随机数发生器，使从质子源发射的预设数量的质子按照能量或高斯从预设入射位置以预设入射方向入射到感兴趣区域中。第n个质子的输运状态可以通过in(en，pn，dn)表征。en表示第n个质子的能量。dn表示第n个质子的位置，由坐标点(x，y，z)表示。pn表示第n个质子的入射方向，由(dx，dy，dz)表示。n为正整数。
65.在输运过程中，质子会与感兴趣区域内的材料发生反应。根据蒙特卡洛模拟软件模拟的输运过程，计算质子在多个能量区域下穿过感感兴趣区时，感兴趣区域的组织材料的电离相互作用数据和核反应截面数据，例如，电离宏观反应截面σ
ion
及核反应宏观截面σ
nuclear
，以及根据bethe-bloch公式计算得到质子在多个能量区域内的限制阻止本领。
66.例如，质子的电离相互作用数据、核反应截面数据和多个能量区域的限制阻止本领还可以通过已有数据插值得到。
67.在本公开实施例中，多个能量区域的范围可以是根据质子动能划分得到的。例如，能量区域的范围为0-200mev，以10mev为单元划分能量区域。0-10mev能量区域中0mev、5mev和10mev的电离相互作用数据和核反应截面数据通过计算得到，1-4mev和6-9mev的电离相互作用数据和核反应截面数据可以通过已有数据插值得到。
68.计算得到的电离宏观反应截面σ
ion
、核反应宏观截面σ
nuclear
和限制阻止本领后续可以根据体素中的元素信息和体素密度信息转为体素内的沉积剂量信息。
69.本公开还提供一种对多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计的实施例。
70.在本公开实施例中，多个批次粒子的沉积剂量信息分别存储于多个本地剂量计数器，多个本地剂量计数器所覆盖的存储范围与感兴趣区域的范围相同。操作s340，对多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计，得到总体剂量信息的步骤包括：利用全局剂量计数器对多个本地剂量计数器中存储的多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计，得到统计结果；以及对统计结果进行归一化处理，得到总体剂量信息。
71.单个批次粒子将批次内不同粒子的沉积剂量信息随机存到一定束流的本地剂量计数器内，再将多个本地剂量计数器中存储的剂量沉积信息写入到全局剂量计数器中，由此可以避免出现由于多个线程将计算得到沉积剂量信息同时写入到全局剂量计数器中而造成的堵塞现场。通过多个本地剂量计数器分别存储多个线程的计算结果也可以避免由于前一线程对全局剂量计数器中数据进行修改等操作时，后一线程只能等待而造成的信息传
递堵塞。
72.作为一种可选实施例，多个本地剂量计数器还可以用于分别存储多个批次粒子输运后的沉积剂量信息。多个本地剂量计数器也可以用于随机存储多个批次粒子输运后的沉积剂量信息。
73.图4示意性示出了根据本公开实施例的计算沉积剂量信息的流程图。
74.如图4所示，粒子包括初级粒子，在操作s330中计算多个批次粒子中每个批次的多个粒子进行输运过程后的沉积剂量信息的步骤包括操作s410～操作s440。
75.在操作s410，获取初级粒子在完成当前输运后的位置信息。
76.在操作s420，在确定位置信息位于感兴趣区域中的情况下，获取初级粒子的能量信息。
77.在操作s430，在确定能量信息大于等于预设值的情况下，对初级粒子进行下一次输运，并返回操作s410。
78.在操作s440，在确定能量信息小于预设值的情况下，记录位置信息和能量信息为初级粒子的沉积剂量信息。
79.在本公开实施例中，初级粒子可以为初级质子，输运过程包括多个步次的输运。在第一个步次的输运过程中，初级质子与感兴趣区域内的元素发生反应，会产生次级粒子。次级粒子包括次级质子、中子、次级电子和重离子等。
80.对于每个批次的多个初级质子，在第n个初级质子在完成第一个步次的输运后，获取初级质子的输运状态i
n1
(e
n1
，p
n1
，d
n1
)。根据位置信息d
n1
判断第n初级质子在完成第一个步次的输运后是否还在感兴趣区域中。在确定第n初级质子在完成第一个步次的输运后离开了感兴趣区域的情况下，则停止对第n初级质子的输运，且认为第n初级质子剂量未沉积在感兴趣区域。在确定第n初级质子在完成第一个步次的输运后依然在感兴趣区域中的情况下，根据能量e
n1
判断第n初级质子在完成第一个步次的输运后能量是否小于0.5mev。在确定第n初级质子在完成第一个步次的输运后能量小于0.5mev的情况下，可认为第n初级质子沉积在d
n1
处，并将能量e
n1
记录在本地剂量计数器中。在确定第n初级质子在完成第一个步次的输运后能量大于等于0.5mev的情况下，对第n初级质子进行第二个步次的输运。
81.在第n个初级质子在完成第二个步次的输运后，更新第n个初级质子的输运状态为i
n2
(e
n2
，p
n2
，d
n2
)。例如，根据输运方向p
n2
和第二个步次的输运步长s2，将位置信息d
n1
更新为d
n2
。再例如，可以根据输运过程中的元素信息和hu值，计算第二个步次输运的限制阻止本领l2，再根据限制阻止本领l2计算在完成两次输运后第n初级质子的能量差值δe，以将能量更新为e
n2
＝e
n1-δe，并将能量差值δe存储在本地剂量计数器中。再根据更新后的位置d
n2
和能量e
n2
判断第n初级质子在完成第二个步次的输运后的位置信息和能量信息。判断过程与第n个初级质子在完成第一个步次的输运后的判断过程相同，本公开不再赘述。
82.在本公开实施例中，对每个初级质子需要进行多个步次的输运，直至初级质子离开感兴趣区域或完成输运后的能量小于0.5mev为止。当初级质子离开感兴趣区域时，认为该初级质子剩余能量未沉积在感兴趣区域。当初级质子在完成输运后任在感兴趣区域且能量小于0.5mev时，将此时初级质子的能量和位置记录在本地剂量计数器中。
83.操作s330中计算多个批次粒子中每个批次的多个粒子进行输运过程后的沉积剂量信息的步骤还包括在确定能量信息大于等于预设值的情况下，获取完成当前输运后的电
离相互作用数据和核反应截面数据；根据电离相互作用数据和核反应截面数据，计算质子反应道；根据质子反应道，判定完成当前输运后的初级粒子是否生成次级粒子；以及在确定完成当前输运后的初级粒子生成次级粒子的情况下，计算次级粒子的沉积剂量信息。
84.在初级质子完成第一个步次的输运后，还需要判断完成输运后的初级质子是否与体素内的元素发生反应生成次级粒子。次级粒子包括次级δ电子、次级氧离子、次级质子、反冲质子、长射程粒子和短射程粒子等。
85.在确定能量信息大于等于预设值的情况下，根据完成输运后的初级质子的质子反应道t
rc
判断输运过程是否生成了次级粒子。
86.例如，若t
rc
＝t
ion
时，可认为输运过程生成次级δ电子。若t
rc
＝t
ppe
时，可认为输运过程生成次级质子和反冲质子。若t
rc
＝t
poe
时，可认为输运过程生成次级质子和次级氧离子。若t
rc
＝t
poi
，可认为输运过程生成次级质子、长射程粒子或短射程粒子。t
ion
表示次级电子反应道，t
ppe
表示次级质子与反冲质子的反应道之和，t
poe
表示次级质子和次级氧离子的反应道之和，t
poi
表示次级质子、长射程粒子或短射程粒子的反应道。
87.在确定完成当前输运后的初级粒子生成次级δ电子、次级氧离子或短射程粒子的情况下，将次级δ电子、次级氧离子或短射程粒子的能量信息和位置信息记为沉积剂量信息，并将沉积剂量信息储存到本地剂量计数器内。
88.在确定完成当前输运后的初级粒子生成长射程粒子的情况下，停止对长射程粒子的输运，并将长射程粒子的能量剔除计算系统，剔除长射程粒子的沉积剂量信息。
89.在确定完成当前输运后的初级粒子生成次级质子或反冲质子的情况下，将次级质子或反冲质子压入次级质子堆栈，在完成对初级质子的输运后，再对次级质子或反冲质子进行下一次输运，并根据输运结束后的位置信息和能量信息判断沉积剂量信息，直至次级质子或反冲质子离开感兴趣区域或完成输运后的能量小于0.5mev为止，以计算次级质子或反冲质子的沉积剂量信息。
90.在本公开实施例中，完成输运后的粒子包括初级粒子和次级粒子，操作s340，对多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计，得到总体剂量信息的步骤包括：对初级粒子的沉积剂量信息和次级粒子的沉积剂量信息进行统计，得到剂量信息。
91.在每批次初级质子进行蒙特卡洛输运过程中，可先初始化一定数量的本地剂量计数器，并为每个线程分配指定的本地剂量计数器，初级粒子和次级粒子的沉积剂量信息被随机存储到某个本地剂量计数器中。在该批次的粒子输运结束后将所有本地剂量计数器结果叠加到全局剂量计数器上。例如，先对初级粒子进行输运，并计算初级粒子的沉积剂量信息。在对初级粒子的沉积剂量信息计算完毕后，再对次级粒子进行输运，并计算次级粒子的沉积剂量信息。
92.在本公开实施例中，通过束流计数器统计初级粒子的数量。束流计数器统计离开感兴趣区域的粒子数量和沉积在感兴趣区域的粒子数量。束流计数器可以用于统计单个批次粒子的数量，由多个束流计数器统计多个批次粒子的数量。束流计数器也可以用于统计多个批次初级粒子的数量。
93.本公开还提供另一实施例的粒子剂量的确定方法。图5示意性示出了根据本公开另一实施例的粒子剂量的确定方法的流程图。
94.如图5所示，该实施例的粒子剂量的确定方法包括操作s510～操作s590。
95.在操作s510，根据ct图像信息，确定感兴趣区域。
96.在本公开实施例中，操作s510与操作s310相同，不再赘述。
97.在操作s520，初始化质子堆栈和剂量计数器。
98.根据质子源强度确定发射的质子数量为a。利用taichi功能模块，设定入射的质子批次数为b，每个批次的质子数量为n，其中，n＝a/b，a、b和n均为正整数。最后一个批次的质子数量也可以不为n，最后一个批次的质子数量可以仅由设置(b-1)批次质子后的剩余质子数填充，最后一个批次的质子数量可以为a-n(b-1)。
99.初始化的质子堆栈用于存储初级质子输运后产生的次级质子。初始化剂量计数器包括初始化多个本地剂量计数器di和全局剂量计数器d
total
。多个本地剂量计数器di用于存储沉积在感兴趣区域的多种粒子的能量信息和位置信息。
100.例如，多个本地剂量计数器的存储范围之和可以与感兴趣区域的体积范围相同。每个本地剂量计数器的存储范围也可以与感兴趣区域的体积范围相同。例如，沉积在感兴趣区域的粒子的位置信息和能量信息随机存储在任意一个本地剂量计数器。每个本地剂量计数器都可以用于存储沉积在整个感兴趣区域内的粒子的位置信息和能量信息。
101.在操作s530，在感兴趣区域内对初级质子进行模拟输运，并计算初级质子的沉积剂量信息。
102.在gpu上，设置多个线程。利用多个线程对b个批次初级质子的多个粒子的输运过程进行并行计算。一个线程用于计算一个粒子的输运过程。
103.对于一个批次的初级质子，从n个初级质子中抽取第n个初级质子，n＝1，2，3，
…
，n-1，n。在第n个初级质子在完成第一个步次的输运后，获取第n个初级质子的输运状态i
n1
(e
n1
，p
n1
，d
n1
)。根据位置信息d
n1
判断第n初级质子在完成第一个步次的输运后是否还在感兴趣区域中。在确定第n初级质子在完成第一个步次的输运后离开了感兴趣区域的情况下，则停止对第n初级质子的输运，且认为第n初级质子未沉积在感兴趣区域。在确定第n初级质子在完成第一个步次的输运后依然在感兴趣区域中的情况下，根据能量e
n1
判断第n初级质子在完成第一个步次的输运后能量是否小于0.5mev。在确定第n初级质子在完成第一个步次的输运后能量小于0.5mev的情况下，可认为第n初级质子沉积在d
n1
处，并将能量e
n1
随机存储在本地剂量计数器中。在确定第n初级质子在完成第一个步次的输运后能量大于等于0.5mev的情况下，对第n初级质子进行第二个步次的输运直到第n个初级质子离开感兴趣区域或能量小于0.5mev。
104.在第n个初级质子在完成第二个步次的输运后，更新第n个初级质子的输运状态为i
n2
(e
n2
，p
n2
，d
n2
)。例如，根据输运方向p
n2
和第二个步次的输运步长s2，将位置信息d
n1
更新为d
n2
。再例如，可以根据输运过程中的元素信息和hu值，计算第二个步次输运的限制阻止本领l2，再根据限制阻止本领l2计算在完成两次输运后第n初级质子的能量差值δe，以将能量更新为e
n2
＝e
n1-δe，并将能量差值δe存储在本地剂量计数器中。再根据更新后的位置d
n2
和能量e
n2
判断第n初级质子在完成第二个步次的输运后的位置信息和能量信息。判断过程与第n个初级质子在完成第一个步次的输运后的判断过程相同，本公开不再赘述。
105.在确定能量信息大于等于预设值的情况下，还需要根据完成输运后的初级质子的质子反应道t
rc
判断输运过程是否生成了次级粒子。
106.例如，若t
rc
＝t
ion
时，可认为输运过程生成次级δ电子。次级δ电子沉积在本地，将
次级δ电子的位置信息和能量信息随机存储在本地剂量计数器中。
107.若t
rc
＝t
ppe
时，可认为输运过程生成次级质子ps和反冲质子pr。将次级质子ps和反冲质子pr压入经过初始化的次级质子堆栈，记为se＝se
pre
+ps+pr。se表示次级质子堆栈中存储的次级质子的数量，se表示前一时刻的次级质子堆栈中存储的次级质子的数量，ps表示次级质子的数量，pr表示反冲质子的数量。
108.若t
rc
＝t
poe
时，可认为输运过程生成次级质子ps和次级氧离子os。次级质子ps压入经过初始化的质子堆栈，记为se＝se
pre
+ps。次级氧离子os的剩余能量沉积在本地，将次级氧离子os的位置信息和能量信息随机存储在本地剂量计数器中。
109.若t
rc
＝t
poi
，可认为输运过程生成次级质子ps、长射程粒子或短射程粒子。次级质子ps压入经过初始化的次级质子堆栈，记为se＝se
pre
+ps。短射程粒子沉积在本地，将短射程粒子的位置信息和能量信息随机存储在本地剂量计数器中。长射程粒子被停止输运。
110.在操作s540，判断初级质子是否输运结束。若是，执行操作s550，若否，返回执行操作s530。
111.对于每一个批次的初级质子，本地剂量计数器会记录每个初级质子的输运状态，包括离开感兴趣区域的初级质子和沉积在感兴趣区域的初级质子。根据束流计数器统计的统计离开感兴趣区域的初级质子数量和沉积在感兴趣区域的初级质子数量，判断是否对所有的初级质子的输运模拟完成。若对所有的初级质子的输运模拟完成，则执行步骤s550，以对产生的次级质子进行模拟输运。若对所有的初级质子的输运未完成模拟，则返回操作s530，继续对剩余的初级质子进行输运模拟，并计算初级质子的沉积剂量信息。
112.在操作s550，在感兴趣区域内对次级质子进行模拟输运，并计算次级质子的沉积剂量信息。
113.在对次级质子进行输运的过程中，每完成对一个次级质子的输运和沉积剂量的计算，可以在质子堆栈记录se＝se
pre-1，直至质子堆栈清零。对次级质子的模拟输运过程及沉积剂量信息的计算方法与初级质子相同，不再赘述。需要说明的是，本公开不考虑次级质子在输运过程中产生的三级粒子的输运过程和沉积剂量。
114.在操作s560，判断次级质子是否输运结束。若是，执行操作s570，若否，返回执行操作s550。
115.根据本地剂量计数器统计的次级质子的数量，判断是否对所有的次级质子完成输运。若对所有的次级质子完成输运，则执行步骤s570，以对产生的次级质子进行模拟输运。若对所有的次级质子未完成输运，则返回操作s550，继续对剩余的次级质子进行输运，并计算次级质子的沉积剂量信息。
116.在操作s570，累加剂量结果至剂量计数器。
117.在质子堆栈中次级质子的数量se清零后，将多个本地剂量计数器存储的沉积剂量信息由gpu传入到cpu内存中。通过全局剂量计数器对本地剂量计数器存储的结果进行叠加。叠加过程可表示为d
total
＝d
ini
+∑
rdr
。d
ini
表示初始化后全局剂量计数器存储的沉积剂量信息，∑
rdr
表示r个本地剂量计数器的叠加结果。
118.在操作s580，判断是否所有粒子输运结束。若是，执行操作s590，若否，返回执行操作s530。
119.根据全局本地剂量计数器的叠加结果，判断叠加结果是否包含所a个初级质子的
沉积剂量信息。若叠加结果包含a个初级质子的沉积剂量信息，可认为对所有粒子的输运结束，执行操作s590。若叠加结果未包含a个初级质子的沉积剂量信息，可认为未对所有粒子的完成输运，返回执行操作s530，对剩余的初级质子进行模拟输运，并计算沉积剂量信息。
120.在操作s590，生成总体剂量信息。
121.根据初级质子的数量a，对叠加后的沉积剂量信息进行归一化计算，得到总体剂量信息。
122.通过本公开实施例，在质子的沉积剂量信息的储存传递过程中添加了一定数量的本地剂量计数器，使得多个线程计算得到的质子沉积剂量首先被储存到gpu的本地剂量计数器中。在所有粒子输运结束后将多个本地剂量技术器存储的沉积剂量累加至全局剂量计数器上。由此减少沉积剂量信息传递过程中的原子加堵塞效应，缩短剂量计算时间，提高了质子剂量计算速度。本公开还基于taichi加速框架开发gpu加速算法，taichi可以本公开提供的基于gpu的粒子剂量的确定方法在多种的gpu设备下运行，拓宽了应用场景。基于taichi开发的gpu运算模型将自动设计批次排序及线程形式，使得gpu运算模型得到简化，提高优化迭代及模型开发效率。此外，本公开还对贡献较小的物理过程进行了简化处理，包括忽略次级电子的输运过程，忽略次级中子剂量，忽略次级重离子输运过程。
123.基于上述粒子剂量的确定方法，本公开还提供了一种粒子剂量的确定装置。以下将结合图6对该装置进行详细描述。
124.图6示意性示出了根据本公开实施例的粒子剂量的确定装置的结构框图。
125.如图6所示，该实施例的粒子剂量的确定装置600包括确定模块610、模拟模块620、计算模块630和统计模块640。
126.确定模块610用于根据ct图像信息，确定感兴趣区域。在一实施例中，确定模块610可以用于执行前文描述的操作s310，在此不再赘述。
127.模拟模块620用于在感兴趣区域内模拟多个批次粒子的输运过程。在一实施例中，模拟模块620可以用于执行前文描述的操作s320，在此不再赘述。
128.计算模块630用于利用gpu并行计算多个批次粒子中每个批次的多个粒子进行输运过程后的沉积剂量信息。在一实施例中，计算模块630可以用于执行前文描述的操作s330，在此不再赘述。
129.统计模块640用于对多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计，得到总体剂量信息。在一实施例中，统计模块640可以用于执行前文描述的操作s340，在此不再赘述。
130.根据本公开的实施例，确定模块610包括第一获取单元、第二获取单元和第一确定单元。第一获取单元应用获取ct图像信息中多个体素的相关信息，相关信息包括位置信息、元素信息和hu值信息。第二获取单元用于从位置信息、元素信息和hu值中获取与感兴趣区域对应的特定位置信息、特定元素信息和特定hu值。第一确定单元用于根据特定位置信息、特定元素信息和特定hu值，确定感兴趣区域。
131.根据本公开的实施例，感兴趣区域包括多种组织材料。模拟模块620包括设置单元、模拟单元和第一计算单元。设置单元用于根据粒子发射源的属性参数，在感兴趣区域中设置初始化路径。模拟单元用于在初始化路径下模拟多个批次粒子的输运过程。计算单元用于计算输运过程后多种组织材料的电离相互作用数据和核反应截面数据，以及计算多个能量区域的限制阻止本领。
132.根据本公开的实施例，粒子包括初级粒子，计算模块630包括第三获取单元、第二确定单元、第三确定单元和第四确定单元。第三获取单元用于获取初级粒子在完成当前输运后的位置信息。第二确定单元用于在确定位置信息位于感兴趣区域中的情况下，获取初级粒子的能量信息。第三确定单元用于在确定能量信息大于等于预设值的情况下，对粒子进行下一次输运，并返回获取初级粒子在完成当前输运后的位置信息的操作。第四确定单元用于在确定能量信息小于预设值的情况下，记录位置信息和能量信息为初级粒子的沉积剂量信息。
133.根据本公开的实施例，计算模块630还包括第五确定单元、第二计算单元、判定单元和第六确定单元。第五确定单元用于在确定能量信息大于等于预设值的情况下，获取电离相互作用数据和核反应截面数据。第二计算单元用于根据电离相互作用数据和核反应截面数据，计算质子反应道。判定单元用于根据质子反应道，判定初级粒子在完成当前输运后的初级粒子是否生成次级粒子。第六确定单元用于在确定完成当前输运后的初级粒子生成次级粒子的情况下，计算次级粒子的沉积剂量信息。
134.根据本公开的实施例，次级粒子包括次级δ电子、次级质子、次级氧离子、反冲质子、长射程粒子和短射程粒子。第六确定单元还用于在确定完成当前输运后的初级粒子生成次级δ电子、次级氧离子或短射程粒子的情况下，将次级δ电子的能量信息和位置信息记为沉积剂量信息。第六确定单元还用于在确定完成当前输运后的初级粒子生成次级质子或反冲质子的情况下，将次级质子或反冲质子压入次级粒子堆栈以对次级质子或反冲质子进行下一次输运，并计算次级质子或反冲质子的沉积剂量信息。第六确定单元还用于在确定完成当前输运后的初级粒子生成长射程粒子的情况下，停止对长射程粒子的输运，并剔除长射程粒子的沉积剂量信息。
135.根据本公开的实施例，计算模块630还用于基于taichi和蒙特卡洛物理模型，对于多个批次粒子中每个批次的多个粒子，在gpu上利用多个线程并行计算多个批次粒子进行输运过程后的沉积剂量信息。
136.根据本公开的实施例，统计模块640还用于对初级粒子的沉积剂量信息和次级粒子的沉积剂量信息进行统计，得到总体剂量信息。
137.根据本公开的实施例，多个批次粒子的沉积剂量信息分别存储于多个本地剂量计数器。统计模块640包括统计单元和归一化单元。统计单元用于利用全局剂量计数器对多个本地剂量计数器中存储的多个批次粒子的沉积剂量信息进行统计，得到统计结果。归一化单元用于对统计结果进行归一化处理，得到剂量信息。
138.根据本公开的实施例，确定模块610、模拟模块620、计算模块630和统计模块640中的任意多个模块可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。根据本公开的实施例，确定模块610、模拟模块620、计算模块630和统计模块640中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑阵列(pla)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(asic)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，确定模块610、模拟模块620、计算模块630和统计模块640中的至少一个可以至少
被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。
139.图7示意性示出了根据本公开实施例的适于实现粒子剂量的确定方法的电子设备的方框图。
140.如图7所示，根据本公开实施例的电子设备700包括处理器701，其可以根据存储在只读存储器(rom)702中的程序或者从存储部分708加载到随机访问存储器(ram)703中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器701例如可以包括通用微处理器(例如cpu)、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(asic))等等。处理器701还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器701可以包括用于执行根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。
141.在ram 703中，存储有电子设备700操作所需的各种程序和数据。处理器701、rom 702以及ram 703通过总线704彼此相连。处理器701通过执行rom 702和/或ram 703中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意，所述程序也可以存储在除rom 702和ram 703以外的一个或多个存储器中。处理器701也可以通过执行存储在所述一个或多个存储器中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。
142.根据本公开的实施例，电子设备700还可以包括输入/输出(i/o)接口705，输入/输出(i/o)接口705也连接至总线704。电子设备700还可以包括连接至i/o接口705的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分706；包括诸如阴极射线管(crt)、液晶显示器(lcd)等以及扬声器等的输出部分707；包括硬盘等的存储部分708；以及包括诸如lan卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分709。通信部分709经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器710也根据需要连接至i/o接口705。可拆卸介质711，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器710上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分708。
143.本公开还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。
144.根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质，例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。例如，根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的rom 702和/或ram 703和/或rom 702和ram 703以外的一个或多个存储器。
145.本公开的实施例还包括一种计算机程序产品，其包括计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。当计算机程序产品在计算机系统中运行时，该程序代码用于使计算机系统实现本公开实施例所提供的粒子剂量的确定方法。
146.在该计算机程序被处理器701执行时执行本公开实施例的系统/装置中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。
147.在一种实施例中，该计算机程序可以依托于光存储器件、磁存储器件等有形存储介质。在另一种实施例中，该计算机程序也可以在网络介质上以信号的形式进行传输、分发，并通过通信部分709被下载和安装，和/或从可拆卸介质711被安装。该计算机程序包含的程序代码可以用任何适当的网络介质传输，包括但不限于：无线、有线等等，或者上述的任意合适的组合。
148.在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分709从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质711被安装。在该计算机程序被处理器701执行时，执行本公开实施例的系统中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。
149.根据本公开的实施例，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开实施例提供的计算机程序的程序代码，具体地，可以利用高级过程和/或面向对象的编程语言、和/或汇编/机器语言来实施这些计算程序。程序设计语言包括但不限于诸如java，c++，python，“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(lan)或广域网(wan)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
150.附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
151.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
152.以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。