基于GPU加速的筒串卷积剂量计算算法的准确性验证.pdf
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1、基于GPU加速的筒串卷积剂量计算算法的准确性验证吕昂1,2,徐子皓1,2,孙光耀3,赵云3,郑华庆3,4,5,贾婧3,4,5,蒋洁琼11.中国科学院合肥物质科学研究院,安徽 合肥 230031;2.中国科学技术大学研究生院科学岛分院,安徽 合肥 230031;3.中子科学国际研究院,山东 青岛 266199;4.中科超精(南京)科技有限公司,江苏 南京 210044;5.中科超精(安徽)先进技术研究院有限公司,安徽 合肥 230031【摘要】目的:验证基于GPU加速的筒串卷积剂量计算算法的准确性以及临床可行性。方法:以调强放射治疗计划系统软件KylinRay-TPSe为平台,分别根据中华人民共
2、和国医药行业标准YY 0775、YY/T 0889以及部分临床例题对基于GPU加速的筒串卷积剂量计算算法进行测试。在YY 0775标准测试中,对特定照射几何条件下水模体中规定计算点的剂量进行计算并与剂量参考值进行比较。在YY/T 0889标准测试中,对调强计划中固体水模体上特定位置的点剂量和面剂量进行计算并与实验测量得到的剂量值进行比较。在临床例题测试中,采用头颈部、胸腹部、盆腔部肿瘤临床病例各5例,从Pinnacle3计划系统中导出患者的治疗计划信息并导入到KylinRay-TPSe中,通过调用基于GPU加速的筒串卷积剂量计算算法对患者体内的剂量分布进行计算,提取计算结果中靶区和危及器官的剂
3、量学参数,与Pinnacle3的计算结果进行t检验,并比较等中心面的2D 通过率和3D 通过率。结果:基于GPU加速的筒串卷积剂量计算算法满足YY 0775标准和YY/T 0889标准的准确性要求。在临床例题测试中,计划靶区和危及器官中的各项剂量学参数与Pinnacle3计算结果的差异均无统计学意义(P0.05),所有例题等中心面的2D 通过率均在95.1%以上,3D 通过率均在95.0%以上。结论:基于GPU加速的筒串卷积剂量计算算法具有较高的准确性,满足临床使用的要求。【关键词】筒串卷积;治疗计划系统;光子放疗;剂量计算【中图分类号】R318;R811.1【文献标志码】A【文章编号】100
4、5-202X(2023)09-1075-08Accuracy verification of GPU-accelerated collapsed cone convolution algorithm for dose calculationL Ang1,2,XU Zihao1,2,SUN Guangyao3,ZHAO Yun3,ZHENG Huaqing3,4,5,JIA Jing3,4,5,JIANG Jieqiong11.Hefei Institutes of Physical Science,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;2
5、.Science Island Branch of GraduateSchool,University of Science and Technology of China,Hefei 230031,China;3.International Academy of Neutron Science,Qingdao266199,China;4.SuperAccuracy Science&Technology Co.,Ltd,Nanjing 210044,China;5.SuperAccuracy Advanced TechnologyResearch Institute Co.,Ltd,Hefei
6、 230031,ChinaAbstract:Objective To verify the accuracy and clinical feasibility of GPU-accelerated collapsed cone convolution algorithmfor dose calculation.Methods The GPU-accelerated collapsed cone convolution algorithm was tested based on the nationalstandards YY 0775,YY/T 0889 and some clinical c
7、ases with the treatment planning system KylinRay-TPSe as platform.Inthe test by the national standard YY 0775,the dose at a specified calculation point in a water phantom under specificirradiation geometrical condition was calculated and compared with a reference dose.In the test by the national sta
8、ndardYY/T 0889,the dose at a specific point or plane on the solid water phantom in intensity-modulated radiotherapy plan wascalculated and compared with the dose value measured in the experiment.The clinical case test was carried out on 5 clinicalcases of head and neck tumor,5 of chest and abdomen t
9、umor and 5 of pelvic tumor.The patients treatment plan informationwas exported from the Pinnacle3TPS and imported into KylinRay-TPSe,and the dose distribution was calculated with GPU-accelerated collapsed cone convolution algorithm.The dosimetric parameters of target areas and organs-at-risk werecom
10、pared with the calculation results of Pinnacle3TPS by t-test,and the 2D gamma passing rates of the isocenter plane andthe 3D gamma passing rates were compared.Results The GPU-accelerated collapsed cone convolution dose algorithm metthe accuracy requirements of the national standards YY 0775 and YY/T
11、 0889.In the clinical case test,there was no【收稿日期】2023-03-24【基金项目】安徽省科技重大专项(18030801135);南京生命健康科技专项(202110028);南京江北新区重点研发计划项目(ZDYF20200219)【作者简介】吕昂,硕士,研究方向:剂量计算,E-mail:DOI:10.3969/j.issn.1005-202X.2023.09.004第40卷第9期2023年 9月中国医学物理学杂志Chinese Journal of Medical PhysicsVol.40 No.9September 2023医学放射物理-10
12、75前 言放射治疗计划系统(Treatment Planning System,TPS)是放射治疗的重要组成部分。TPS可以根据病人的临床诊断结果制定出相应的治疗计划并对计划进行评估。剂量计算是TPS中的核心模块之一,剂量计算的结果是否准确,对于放射治疗的有效性和安全性起着至关重要的作用1。目前临床上使用的光子剂量计算方法主要包括蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)方法和解析方法。MC方法是目前剂量计算中精度最高的算法,它经常作为金标准与其他算法进行对比,但是要达到较高的精度需要耗费大量的计算时间2。解析方法包括各向异性解析算法、筒串卷积算法(Collapsed Cone Convolut
13、ion,CCC)等。与MC方法相比,基于模型的解析方法在计算精度与计算速度上取得了平衡,因此解析方法在商用TPS上得到了广泛的应用3。与其他解析方法相比,CCC算法在非均匀介质中有着更好的精度4-7,被 Pinnacle3、RayStation等主流商用 TPS所采用。本研究使用的基于GPU加速的筒串卷积剂量计算算法(以下简称为基于GPU加速的CCC算法)由凤麟核集团研究开发,其在CCC算法的基础上使用GPU加速技术对计算过程进行优化。此外,凤麟核集团长期对精准放射治疗关键物理与技术进行研究8-10,开发了具有自主知识产权的精准放射治疗系统“麒麟刀”KylinRay-TPSe11-14。本论文
14、以KylinRay-TPSe为平台,根据中华人民共和国医药行业标准YY 0775、YY/T 0889以及部分临床病例对基于 GPU加速的 CCC算法的准确性和临床可行性进行验证。1 CCC算法CCC算法由Ahnesj15于1989年提出,是一种卷积叠加方法。卷积叠加主要考虑两个过程:其一是光子与物质发生相互作用,将能量沉积在模体介质中,光子在单位质量的介质中释放的全部能量称为比 释 总 能(Total Energy Release Per Unit Mass,TERMA);其二是光子与物质相互作用产生的次级电子向各个方向运动并且具有一定的射程,将能量传递到光子作用点周围的介质中,沉积的全部能量
15、在空间中的分布用能量沉积核(kernel)表示16。剂量由TERMA和kernel卷积得到,如式(1)所示17:D()r=VT(r)k(r-r)d3r(1)式中,r是模体中某一点的位置,r是光子与物质相互作用的作用点位置,D(r)是r处的吸收剂量,T(r)是位置r处的 TERMA,k(r-r)是光子在作用点r处产生的次级电子在r处单位体积的能量沉积份额。TERMA由式(2)计算得到:T()r=(r)(r)(2)式中,(r)表示位置r处的平均质量衰减系数,(r)表示位置r处的平均线性衰减系数,由式(3)对能量为Ei的光子的线性衰减系数(r,Ei)按照能谱(Ei)加权得到:()r=i(Ei)(r,
16、Ei)(3)式(1)中的kernel是对单能kernel按照能谱加权得到,单能kernel由MC模拟得到18,k(r-r)的计算方法如式(4)所示:k(r-r)=i()Eik(r-r,Ei)(4)式中,k(r-r,Ei)是能量为Ei的光子在作用点r处产生的次级电子在r处单位体积的能量沉积份额。对于某个计算点,它的剂量等于空间中每一个光子作用点的 TERMA 与该计算点 kernel 的卷积。要得到空间剂量网格就需要对空间中的所有计算点进行卷积叠加。对于三维空间计算的时间复杂度为O(N6),加入非均匀修正后复杂度达到O(N7)19,N是每个维度体素的数量。在CCC算法中,kernel被划分为一组
17、具有一定立体角的筒串,每个光子作用点都是一组筒串的中心交点,假设能量只沿着筒串轴传输和吸收,那么每个计算点的剂量就等于所有穿过这一点的筒串轴在该点的卷积叠加。这种近似减少了卷积叠加的次数,将计算的时间复杂度降为 O(N4M),M是每组筒串的数量。为了进一步提高计算速度,基于 GPU 加速的CCC算法采用了GPU和CPU异构加速技术,在GPU计算当前一个beam的剂量时,CPU采用多线程进行下一个beam的CPU部分的准备工作,同时根据GPU的特点,将计算量接近的剂量点放在同一个GPU线statistically significant difference in the dosimetric
18、parameters of target areas and organs-at-risk(P 0.05),and the 2Dgamma passing rates of the isocenter plane and the 3D gamma passing rates were above 95.1%and 95.0%.Conclusion TheGPU-accelerated collapsed cone convolution algorithm has high dose calculation accuracy and meets the requirements forclin
19、ical treatment.Keywords:collapsed cone convolution;treatment planning system;photon radiotherapy;dose calculation中国医学物理学杂志第40卷-1076程束中进行计算,以保证更好地利用GPU的计算资源,同时算法还为GPU部分计算进行了相应的数据结构优化,减少计算过程中的数据拷贝和寻址时间。2 测试方法与例题介绍2.1 测试内容简介为了全面地验证基于 GPU 加速的 CCC 算法的准确性与临床可行性,本论文的测试内容分为 YY0775、YY/T 0889标准测试以及临床例题测试3个部分。
20、本研究以治疗计划系统KylinRay-TPSe为平台,调用本研究所用的剂量计算算法,对表1中的测试内容分别进行测试验证。YY 0775标准测试对特定照射几何条件下水模体中规定计算点的剂量进行计算,再根据计算值与参考值之间的差异,验证剂量计算算法的准确性。在YY/T 0889标准测试中,对调强计划下固体水模体上特定位置的点剂量和面剂量进行计算,通过与实验测量得到的剂量值进行比较,验证剂量计算算法在调强计划下的准确性。在临床例题测试中,对真实临床病例的剂量分布进行计算,通过与相同治疗计划下Pinnacle3的计算结果进行对比,验证剂量计算算法在临床使用中的准确性是否与主流商用TPS一致。测试名称Y
21、Y 0775标准测试YY/T 0889标准测试临床例题测试模体类型水模体固体水模体真实临床病例测试内容计算指定位置的点剂量计算指定位置的点剂量和面剂量计算靶区和危及器官的剂量学参数以及等中心面的剂量分布对比对象IAEA 1540号报告给出的剂量测量值实验得到的剂量测量值相同计划下Pinnacle3的计算结果表1 测试内容说明Table 1 Description of test contest2.2 YY 0775标准测试方法YY 0775标准是由国家食品药品监督管理局于2010年发布的 远距离放射治疗计划系统X()射束剂量计算准确性要求和试验方法,规定了远距离放射治疗计划系统的剂量计算准确性
22、要求和试验方法20。YY 0775标准采用 IAEA 1540号报告给出的数据包对测量点的剂量参考值进行规定21。本研究根据该标准对12道测试例题规定位置的点剂量进行验证,共包含489个测量点。在测试时首先按照YY0775 标准在 KylinRay-TPSe 中分别建立 6、10 和 18MV的光子射束模型并设置测量点,再使用基于GPU加速的CCC算法对测量点处的剂量进行计算。将计算结果与数据包中的剂量参考值进行对比并计算出误差,误差的计算方法如下:=(Dc-Dr)Dx 100%(5)式中,是测量点的相对误差,Dc是测量点的剂量计算值(cGy),Dr是测量点的剂量参考值(cGy),对于射野内测
23、量点,Dx是测量点的剂量参考值(cGy),对于射野边缘外测量点,Dx是射束轴上相同深度处的剂量参考值(cGy),对于复杂几何条件且中心轴被遮挡条件下、射野边缘外中心束轴测量点,Dx是开放野相同深度处的剂量参考值(cGy)。2.3 YY/T 0889标准测试方法YY/T 0889标准是由国家食品药品监督管理总局于2013年发布的 调强放射治疗计划系统性能和试验方法,测试例题包括多靶区、前列腺肿瘤、头颈部肿瘤、C形靶区(含两种情况,其中第二种情况的计划参数的剂量目标较第一种情况更为严格),测试内容包括点剂量、单野面剂量和复合野面剂量22。首先通过实验测量得到该标准所规定的测量点和测量区域的剂量作为
24、参考值,用于与计算值进行对比。实验使用的加速器为Varian VitalBeam直线加速器,内置60对多叶光栅。测试模体为30 cm30 cm20 cm固体水。YY/T 0889标准中推荐使用 AAPM TG119号报告中的数据包作为解剖结构数据,因此本测试的模体图像和勾画信息均使用AAPM TG119号报告的测试包23。每道例题包括静态调强、动态调强和旋转调强3种调强计划。测量仪器包括PTW 0.6 cm3指型电离室及配套剂量仪、PTW OCTAVIUS 729 二维矩阵电离室、EBT3-0810免冲洗胶片、Epson V850Pro 扫描仪。计算结果的分析工具为 PTW VeriSoft6
25、.2软件和RIT 6.1胶片分析软件。实验采集数据之后,测试的流程包括:将模体图像和勾画信息加载到KylinRay-TPSe中、将调强计划导入并加载到相应的模体上、使用基于GPU加速的CCC算法计算、导出所需要的剂量计算结果并使用分析软件与实测数据进行对比。计算的剂量网格分辨率为4.0 mm4.0 mm2.5 mm。该标准对计算误差第9期吕昂,等.基于GPU加速的筒串卷积剂量计算算法的准确性验证-1077所允许的范围进行了规定。点剂量计算误差按照式(5)计算,式中的Dx是靶区分次处方剂量(cGy)。点剂量需要满足:靶区内剂量计算误差不高于4.5%,危及器官内剂量计算误差不高于4.7%。单野面剂
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