本發(fā)明一種針對多發(fā)性腫瘤的放療設(shè)備高能光束路徑優(yōu)化方法屬于醫(yī)療設(shè)備和人工智能技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

腫瘤放射治療是利用放射線治療腫瘤的一種局部治療方法。放射線包括放射性同位素產(chǎn)生的α、β、γ射線和各類x射線治療機(jī)或加速器產(chǎn)生的x射線、電子線、質(zhì)子束及其他粒子束等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約70％的癌癥患者在治療癌癥的過程中需要用放射治療，約有40％的癌癥可以用放療根治。放射治療在腫瘤治療中的作用和地位日益突出，已成為治療惡性腫瘤的主要手段之一。

惡性腫瘤能夠轉(zhuǎn)移，即原發(fā)惡性腫瘤中的癌細(xì)胞通過血管、淋巴管以及腫瘤周圍組織，隨著血液、淋巴液和體液的運(yùn)行，向其他遠(yuǎn)處部位的組織和器官轉(zhuǎn)移，并且“生根”、“發(fā)芽”，形成與原發(fā)性腫瘤同樣性質(zhì)類型的惡性腫瘤，由于這些惡性腫瘤表現(xiàn)為在多處發(fā)生，因此稱之為多發(fā)性腫瘤。

對于多發(fā)性腫瘤的放射線治療，早期的方式是將多發(fā)性腫瘤看成多個(gè)獨(dú)立的腫瘤，每次只針對其中一個(gè)腫瘤進(jìn)行放射線治療，這種方式需要多次治療才能完成一個(gè)療程，治療時(shí)間長，治療成本高。

針對上述方法所產(chǎn)生的問題，又出現(xiàn)了一種類似打印機(jī)打印文檔的多發(fā)性腫瘤放射線掃描方法，在這種方法中，將多發(fā)性腫瘤看成一個(gè)只需局部治療的大的腫瘤，其中，需要治療的區(qū)域?yàn)閷?shí)際腫瘤區(qū)域，而不需要治療的區(qū)域?yàn)閷?shí)際非腫瘤區(qū)域，放射線發(fā)生裝置以噴墨打印機(jī)打印文檔的方式掃過大的腫瘤，在實(shí)際腫瘤區(qū)域投射放射線，在實(shí)際非腫瘤區(qū)域不投射放射線。這種方式雖然技術(shù)相對復(fù)雜，但是一次治療就可以完成一個(gè)療程，大大縮短了治療時(shí)間，降低了治療成本，已成為現(xiàn)階段多發(fā)性腫瘤放射線治療的主要方法。

在上述方法中，由于放射線發(fā)生裝置也要掃過實(shí)際非腫瘤區(qū)域，而實(shí)際非腫瘤區(qū)域的面積往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際腫瘤區(qū)域，因此，大量治療時(shí)間浪費(fèi)在了實(shí)際非腫瘤區(qū)域掃描過程中，如果能夠降低這部分區(qū)域的掃描時(shí)間，從一個(gè)實(shí)際腫瘤區(qū)域快速運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)實(shí)際腫瘤區(qū)域，可以大大降低治療時(shí)間，減輕病人治療痛苦，然而，還沒有查閱到有相關(guān)的方法出現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明公開了一種針對多發(fā)性腫瘤的放療設(shè)備高能光束路徑優(yōu)化方法，該方法從類似打印機(jī)打印文檔的多發(fā)性腫瘤放射線掃描方法發(fā)展而來，利用實(shí)際非腫瘤區(qū)域往往遠(yuǎn)大于實(shí)際腫瘤區(qū)域的特點(diǎn)，將實(shí)際腫瘤區(qū)域退化成一個(gè)腫瘤點(diǎn)，將放射線掃描問題轉(zhuǎn)換為如何遍歷所有腫瘤點(diǎn)且路徑最短問題，并提出了一種路徑優(yōu)化方法，這種方法有利于大大降低治療時(shí)間，減輕病人治療痛苦，將對人工智能在醫(yī)療設(shè)備中的發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

面向多發(fā)性腫瘤放射治療的高能x射線區(qū)域路徑優(yōu)化方法，包括以下步驟：

步驟a、將實(shí)際腫瘤區(qū)域退化成實(shí)際腫瘤點(diǎn)，確定實(shí)際腫瘤點(diǎn)的坐標(biāo)；

具體為：

將實(shí)際腫瘤點(diǎn)坐標(biāo)填寫到實(shí)際腫瘤點(diǎn)矩陣中，所述實(shí)際腫瘤點(diǎn)矩陣的每一行表示一個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)際腫瘤點(diǎn)矩陣的第一列表示實(shí)際腫瘤點(diǎn)橫坐標(biāo)，實(shí)際腫瘤點(diǎn)矩陣的第二列表示實(shí)際腫瘤點(diǎn)縱坐標(biāo)；

步驟b、計(jì)算任意兩個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)之間的距離，建立距離矩陣；

具體為：

構(gòu)建一個(gè)行列數(shù)均與實(shí)際腫瘤點(diǎn)數(shù)相同的方塊矩陣，所述方塊矩陣的第i行第j列表示第i個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)距離第j個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)的距離；

步驟c、初始化探索參數(shù)，計(jì)算啟發(fā)函數(shù)初值；

具體為：

初始化探索維度、啟發(fā)因子、保留因子、知識(shí)矩陣、探索初值和探索終值；

啟發(fā)函數(shù)為距離矩陣的倒數(shù)；

步驟d、探索最佳環(huán)路路徑；

具體為：

從探索初值開始，向探索終值進(jìn)行迭代，在每一次迭代過程中，多個(gè)維度共同探索最佳路徑，包括以下步驟：

步驟d1、在每個(gè)維度下，以任意一個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)作為探索起點(diǎn)，并初始化路徑記錄表；

步驟d2、補(bǔ)充每個(gè)維度的探索路徑；

具體為：

步驟d21、區(qū)分已訪問實(shí)際腫瘤點(diǎn)；

步驟d22、區(qū)分待訪問實(shí)際腫瘤點(diǎn)；

步驟d23、計(jì)算待訪問實(shí)際腫瘤點(diǎn)間的探索概率；具體為：在當(dāng)前維度下，對于未探索的實(shí)際腫瘤點(diǎn)，首先計(jì)算aij＝τij·[ηij]^β，其中，τij為知識(shí)矩陣中第i行第j列元素，ηij為啟發(fā)函數(shù)，與第i個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)和第j個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)之間的距離成反比，β表示啟發(fā)因子；然后計(jì)算b＝∑aij；最后構(gòu)建0方塊矩陣p，并按照pij＝aij/b的算法給矩陣p賦值；

步驟d24、采用輪盤賭方法確定要探索的下一個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)；

步驟d3、計(jì)算每個(gè)維度下探索路徑的距離；

步驟d4、計(jì)算最短探索距離；

步驟d5、更新信息矩陣；具體為：

上式為賦值語句，等式右邊的τij表示當(dāng)前探索值下知識(shí)矩陣中第i行第j列元素，等式左邊的τij表示下一探索值下知識(shí)矩陣中第i行第j列元素，ρ表示保留因子；

其中，表示當(dāng)前維度下，第i個(gè)已探測實(shí)際腫瘤點(diǎn)到第j個(gè)未探測實(shí)際腫瘤點(diǎn)之間的距離；

步驟e、找到最佳環(huán)路路徑中距離最大的兩個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)，最佳環(huán)路路徑去掉所述兩個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)的連線，剩余部分即為最終路徑。

上述面向多發(fā)性腫瘤放射治療的高能x射線區(qū)域路徑優(yōu)化方法用于治療多發(fā)性腫瘤。

上述面向多發(fā)性腫瘤放射治療的高能x射線區(qū)域路徑優(yōu)化方法在放射治療設(shè)備中的應(yīng)用。

有益效果：

第一、本發(fā)明從類似打印機(jī)打印文檔的多發(fā)性腫瘤放射線掃描方法發(fā)展而來，利用實(shí)際非腫瘤區(qū)域往往遠(yuǎn)大于實(shí)際腫瘤區(qū)域的特點(diǎn)，將實(shí)際腫瘤區(qū)域退化成一個(gè)腫瘤點(diǎn)，將放射線掃描問題轉(zhuǎn)換為如何遍歷所有腫瘤點(diǎn)且路徑最短問題，并提出了一種路徑優(yōu)化方法，這種方法有效避免大量治療時(shí)間浪費(fèi)在了實(shí)際非腫瘤區(qū)域掃描過程中，有利于大大降低治療時(shí)間，減輕病人治療痛苦，將對人工智能在醫(yī)療設(shè)備中的發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

第二、在本發(fā)明路徑優(yōu)化方法中，提出了一種迭代方法，通過探索維度、啟發(fā)因子、保留因子、知識(shí)矩陣之間的相互運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了對最短距離的探索。

第三、在本發(fā)明方法中，通過引用輪盤賭方法，實(shí)現(xiàn)探索路徑的改變，有效避免探索路徑集中到局部最優(yōu)值。

第四、本發(fā)明同本課題組同日申請的發(fā)明專利《面向多發(fā)性腫瘤放射治療的高能x射線區(qū)域路徑優(yōu)化方法》相比，由于在更新信息矩陣的步驟中，將當(dāng)前維度下，已經(jīng)探測實(shí)際腫瘤點(diǎn)的總距離替換為第i個(gè)已探測實(shí)際腫瘤點(diǎn)到第j個(gè)未探測實(shí)際腫瘤點(diǎn)之間的距離，因此節(jié)省了總距離的計(jì)算過程，使得算法用時(shí)也更少。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種針對多發(fā)性腫瘤的放療設(shè)備高能光束路徑優(yōu)化方法流程圖。

圖2是仿真實(shí)驗(yàn)的程序的運(yùn)行結(jié)果。

圖3是仿真實(shí)驗(yàn)的matlab軟件界面截圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

具體實(shí)施方式一

以下是本發(fā)明一種針對多發(fā)性腫瘤的放療設(shè)備高能光束路徑優(yōu)化方法的實(shí)施方式。

本實(shí)施方式的一種針對多發(fā)性腫瘤的放療設(shè)備高能光束路徑優(yōu)化方法，流程圖如圖1所示，該方法包括以下步驟：

步驟a、將實(shí)際腫瘤區(qū)域退化成實(shí)際腫瘤點(diǎn)，確定實(shí)際腫瘤點(diǎn)的坐標(biāo)；

具體為：

將實(shí)際腫瘤點(diǎn)坐標(biāo)填寫到實(shí)際腫瘤點(diǎn)矩陣中，所述實(shí)際腫瘤點(diǎn)矩陣的每一行表示一個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)際腫瘤點(diǎn)矩陣的第一列表示實(shí)際腫瘤點(diǎn)橫坐標(biāo)，實(shí)際腫瘤點(diǎn)矩陣的第二列表示實(shí)際腫瘤點(diǎn)縱坐標(biāo)；

步驟b、計(jì)算任意兩個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)之間的距離，建立距離矩陣；

具體為：

構(gòu)建一個(gè)行列數(shù)均與實(shí)際腫瘤點(diǎn)數(shù)相同的方塊矩陣，所述方塊矩陣的第i行第j列表示第i個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)距離第j個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)的距離；

步驟c、初始化探索參數(shù)，計(jì)算啟發(fā)函數(shù)初值；

具體為：

初始化探索維度、啟發(fā)因子、保留因子、知識(shí)矩陣、探索初值和探索終值；

啟發(fā)函數(shù)為距離矩陣的倒數(shù)；

步驟d、探索最佳環(huán)路路徑；

具體為：

從探索初值開始，向探索終值進(jìn)行迭代，在每一次迭代過程中，多個(gè)維度共同探索最佳路徑，包括以下步驟：

步驟d1、在每個(gè)維度下，以任意一個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)作為探索起點(diǎn)，并初始化路徑記錄表；

步驟d2、補(bǔ)充每個(gè)維度的探索路徑；

具體為：

步驟d21、區(qū)分已訪問實(shí)際腫瘤點(diǎn)；

步驟d22、區(qū)分待訪問實(shí)際腫瘤點(diǎn)；

步驟d23、計(jì)算待訪問實(shí)際腫瘤點(diǎn)間的探索概率；具體為：在當(dāng)前維度下，對于未探索的實(shí)際腫瘤點(diǎn)，首先計(jì)算aij＝τij·[ηij]^β，其中，τij為知識(shí)矩陣中第i行第j列元素，ηij為啟發(fā)函數(shù)，與第i個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)和第j個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)之間的距離成反比，β表示啟發(fā)因子；然后計(jì)算b＝∑aij；最后構(gòu)建0方塊矩陣p，并按照pij＝aij/b的算法給矩陣p賦值；

步驟d24、采用輪盤賭方法確定要探索的下一個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)；

步驟d3、計(jì)算每個(gè)維度下探索路徑的距離；

步驟d4、計(jì)算最短探索距離；

步驟d5、更新信息矩陣；具體為：

上式為賦值語句，等式右邊的τij表示當(dāng)前探索值下知識(shí)矩陣中第i行第j列元素，等式左邊的τij表示下一探索值下知識(shí)矩陣中第i行第j列元素，ρ表示保留因子；

其中，表示當(dāng)前維度下，第i個(gè)已探測實(shí)際腫瘤點(diǎn)到第j個(gè)未探測實(shí)際腫瘤點(diǎn)之間的距離；

步驟e、找到最佳環(huán)路路徑中距離最大的兩個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)，最佳環(huán)路路徑去掉所述兩個(gè)實(shí)際腫瘤點(diǎn)的連線，剩余部分即為最終路徑。

下面用matlab對本發(fā)明一種針對多發(fā)性腫瘤的放療設(shè)備高能光束路徑優(yōu)化方法進(jìn)行了仿真，仿真程序如下：

仿真實(shí)驗(yàn)的程序的運(yùn)行結(jié)果如圖2所示，從圖2可以看出，最短距離為2432.6172個(gè)單位。

仿真實(shí)驗(yàn)的matlab軟件界面截圖如圖3所示，從圖3可以看出，最短的路徑5、7、4、3、6、9、1、8、10、2，軟件用時(shí)0.892959s。

同本課題組同日申請的發(fā)明專利《面向多發(fā)性腫瘤放射治療的高能x射線區(qū)域路徑優(yōu)化方法》相比，得到的最短距離從2487.9366個(gè)單位縮短到2432.6172個(gè)單位，即探索得到的最短距離更短，用時(shí)從1.248304s縮短到0.892959s，用時(shí)也更少。

具體實(shí)施方式二

以下是本發(fā)明一種針對多發(fā)性腫瘤的放療設(shè)備高能光束路徑優(yōu)化方法的應(yīng)用實(shí)施例。

本實(shí)施方式中的一種針對多發(fā)性腫瘤的放療設(shè)備高能光束路徑優(yōu)化方法，為具體實(shí)施方式一所述的方法，所述方法用于治療多發(fā)性腫瘤。

具體實(shí)施方式三

以下是本發(fā)明一種針對多發(fā)性腫瘤的放療設(shè)備高能光束路徑優(yōu)化方法的應(yīng)用實(shí)施例。

本實(shí)施方式中的一種針對多發(fā)性腫瘤的放療設(shè)備高能光束路徑優(yōu)化方法，為具體實(shí)施方式一所述的方法，所述方法應(yīng)用于放射治療設(shè)備。