GPU加速技术在治疗计划系统剂量计算中的应用

　　随着科学技术的发展,三维放射治疗计划系统被广泛应用于肿瘤的临床放射治疗·其核心技术剂量计算在过去半个多世纪里,提出了多种计算模型,如20世纪80~90年代发展起来的笔形束模型[1-3]和基于点核函数的卷积/叠加模型[4-7]及当前研究的热点———蒙特卡罗剂量计算模型[8]·这些新模型的不断发展使剂量计算的精度越来越高,但计算的时间也越来越长,尽管计算机技术也在飞速发展,出于精度和速度两方面的考虑,目前的精确治疗计划系统大多采用卷积/叠加模型·用于卷积/叠加的核分为点核和笔形束核·基于点核的卷积/迭加模型更接近光子与物质作用的物理过程,其精度要比基于笔形束核的笔形束模型高·但由于基于点核的卷积/迭加模型在三维空间进行叠加运算,速度要比笔形束模型慢很多·尽管针对点核叠加模型提出了很多优化算法,但这些算法都是以简化模型减少计算量,同时也降低了剂量计算精度·目前国际上只有Philips的Pinnacle系统采用了真正意义的点核叠加模型·而国内计划系统剂量计算还没有采用基于点核的卷积/迭加模型商品化的产品,其主要原因就是因为点核叠加模型建模复杂,计算速度慢,无法达到临床上的要求·

　　本文基于NVIDIA显卡通用计算架构CUDA技术,首次将GPU加速技术应用于基于点核卷积/迭加模型的治疗计划系统的剂量计算,使剂量计算速度得到了大幅度提高,并在实际的临床中得到了有效的应用·

　　1　基于点核的卷积/迭加模型

　　许多人提出了将迭加原理用于外部射束的剂量计算方法[6,9]·利用这个方法,单能光子入射到一个均匀吸收介质中得到的剂量,可以由射束的“密度”分布与一个空间不变核卷积得到:

式中:D(r)表示的是吸收介质中点r处的剂量;T(r′)表示Terma,是主光子在点r′处的体元d3r′中作用释放的所有能量;A(r-r′)是剂量伸展核·几何位置关系如图1所示·

　　单能光子在点r′处的Terma值T(r′)可以按照式(2)解析地计算:

式中:μ是介质的线性衰减因子;E是光子能量;Φ0是沿r′方向上模体表面的光子能量注量;ρ是介质的密度;r′true表示在r′方向上在模体中的实际长度。

　　2　基于GPU加速技术的算法改进

　　2.1　GPU加速技术介绍

　　CUDA是NVIDIA的GPGPU模型,它使用C语言为基础,可以直接以大多数人熟悉的C语言,写出在显示芯片上执行的程序·在CUDA的架构下,一个程序分为两个部份:host端和device端·host端是指在CPU上执行的部份,而device端则是在显示芯片上执行的部份·