本發(fā)明涉及醫(yī)療，特別是一種急性放射性皮炎風(fēng)險預(yù)測的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、放療作為手術(shù)和化療之外重要的腫瘤治療手段，因其適應(yīng)癥廣、療效好以及綜合成本低等優(yōu)勢，在腫瘤治療中的地位逐年提升。大約70%的腫瘤患者在治療過程中需要放療，然而在發(fā)揮治療作用的同時，放療也會對正常組織造成損傷，其中皮膚損傷是放療最常見的不良反應(yīng)，發(fā)生率約為91.4%，其表現(xiàn)為不同程度的紅斑、水腫、潰瘍等，嚴(yán)重時甚至可能導(dǎo)致感染和壞死，影響患者的生活質(zhì)量及治療療效，因損傷嚴(yán)重而被迫中斷治療的發(fā)生率約為58.1%，而放療療程每延長一天，局部控制率將下降1%-3%。因此，篩選急性放射性皮炎高風(fēng)險患者，預(yù)警放射性損傷的發(fā)生，及時調(diào)整放療方案或介入干預(yù)措施是規(guī)避或降低損傷風(fēng)險的有效手段。

2、現(xiàn)有的放射性皮炎評估方法存在一些問題和限制。首先，目前國內(nèi)外在臨床上針對放療引起的急性皮炎的評估依賴于臨床醫(yī)生的主觀觀察進(jìn)行分級評分，分級結(jié)果很大程度上依賴醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和洞察力，在臨床分級中，難以區(qū)分輕微、中度、重度等多個皮膚反應(yīng)之間的差異，因此無法實(shí)現(xiàn)定量的評估，同時也導(dǎo)致在多中心研究中的存在一定偏差，無法形成標(biāo)準(zhǔn)化。其次，還有一些研究嘗試通過皮膚測量儀器、反射分光光度法、超聲、熱成像等方法來評估放射性皮膚損傷，然而這些方法存在檢查時間長、費(fèi)用高且耗費(fèi)大量醫(yī)療資源，難以在整個放療中實(shí)現(xiàn)跟蹤監(jiān)測等問題，且結(jié)果易受到多種因素的影響，如環(huán)境溫度、患者的身體狀況等，此外，傳統(tǒng)的預(yù)測方法往往不能全面考慮患者個體差異、放射治療劑量參數(shù)以及皮膚生理指標(biāo)等多個因素的影響，就容易導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確，難以滿足臨床需求，因此臨床上缺乏一種科學(xué)系統(tǒng)的預(yù)測急性放射性皮炎的方法和工具。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種預(yù)測準(zhǔn)確性高、能精準(zhǔn)進(jìn)行風(fēng)險管理、有助于提高放療效果的急性放射性皮炎風(fēng)險預(yù)測的方法及系統(tǒng)。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種急性放射性皮炎的預(yù)測方法及系統(tǒng)，包括硬件模塊和軟件模塊，所述硬件模塊包括基于空間頻域成像的光學(xué)圖像采集裝置，所述光學(xué)圖像采集裝置用于獲取患者放療治療區(qū)域皮膚表面圖像，所述軟件模塊包括圖像解調(diào)模塊、參數(shù)反演模塊和風(fēng)險預(yù)測模塊，所述圖像解調(diào)模塊用于將獲取的皮膚表面圖像解調(diào)出受測皮膚在調(diào)制頻率下的dc、ac調(diào)制傳遞函數(shù)（mtf），所述參數(shù)反演模塊用于將dc、ac調(diào)制傳遞函數(shù)（mtf）反演計(jì)算出利用組織層狀結(jié)構(gòu)映射的光學(xué)成像模型轉(zhuǎn)化得到的相應(yīng)的生理參數(shù)，所述風(fēng)險預(yù)測模塊用于構(gòu)建可解釋的機(jī)器學(xué)習(xí)風(fēng)險預(yù)測模型，并針對患者給出個性化的風(fēng)險評分。

3、進(jìn)一步的，所述風(fēng)險預(yù)測模塊包括以下步驟：

4、步驟一：收集患者臨床特征、皮膚光學(xué)和生理參數(shù)以及劑量參數(shù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行患者皮膚毒性評估，最終進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理以及數(shù)據(jù)特征篩選；

5、步驟二：構(gòu)建風(fēng)險預(yù)測模型，所述風(fēng)險預(yù)測模型包括一種堆疊多模態(tài)機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)，所述機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)包括以級聯(lián)方式互連的基礎(chǔ)模塊和元模塊，所述基礎(chǔ)模塊包括七個基于樹的bagging和boosting基礎(chǔ)分類器，即決策樹（dt）、隨機(jī)森林（rf）、adaboost、xgboost、extratrees、light?gbm?和?catboost，七個基礎(chǔ)分類器并行運(yùn)行獨(dú)立預(yù)測輸入特征并采用五倍交叉驗(yàn)證法準(zhǔn)備元模塊的輸入，七個基礎(chǔ)分類器聚合預(yù)測結(jié)果并將聚合結(jié)果傳輸至元模塊，所述元模塊由元分類器組成，所述元分類器處理由基礎(chǔ)分類器聚合完成的聚合結(jié)果，最終得到急性放射性皮膚毒性預(yù)測結(jié)果；

6、步驟三：使用shap和lime工具對基于樹的模型進(jìn)行模型解釋，增強(qiáng)模型的全局以及局部可解釋性，該模型解釋步驟在python環(huán)境中使用庫進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，其中shap值計(jì)算使用shap包，lime解釋使用lime包；

7、步驟四：評估風(fēng)險值和獲取截止值，通過受試者工作特征（roc）曲線分析評估風(fēng)險值在訓(xùn)練集中對急性放射性皮炎發(fā)生的鑒別能力，并根據(jù)youden指數(shù)獲取截止值，將受試者分為低風(fēng)險組和高風(fēng)險組，最終將模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)際發(fā)生的急性放射性皮炎情況進(jìn)行比較。

8、進(jìn)一步的，所述步驟一中的患者臨床特征包括年齡、性別、高血壓、糖尿病、吸煙史、飲酒史、體重指數(shù)（bmi）、化療、免疫治療，所述皮膚光學(xué)和生理參數(shù)包括總血紅蛋白濃度、氧飽和度、黑色素濃度、氧飽和度、約化散射系數(shù)、散射能力、表皮粗糙程度以及表皮厚度，通過在患者皮膚外表面下方5mm位置使用放射治療計(jì)劃系統(tǒng)并將獲得的皮膚表面劑量轉(zhuǎn)換為dvh參數(shù)最終獲得受試皮膚的劑量參數(shù)，所述劑量參數(shù)包括受試皮膚區(qū)域最大劑量、最小劑量、平均劑量、中位數(shù)劑量以及皮膚v10、v20、v30、v40、v50、v60，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理中的缺失值使用特征中位數(shù)進(jìn)行替換并進(jìn)行所有連續(xù)變量的標(biāo)準(zhǔn)化，對類別變量進(jìn)行編碼，將最終獲得的數(shù)據(jù)按8：2的比例分為訓(xùn)練集和測試集并使用borderline?smote?對訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行平衡。

9、進(jìn)一步的，所述光學(xué)圖像采集裝置包括成像光源、投影設(shè)備和探測器，所述投影設(shè)備采用數(shù)字微鏡（1）實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化照明，投影波長為r（623?nm）、g（539?nm）、b（465?nm）的混合白光，并由準(zhǔn)直物鏡（2）對混合白光進(jìn)行準(zhǔn)直和校正，投影混合白光的頻率為0和0.2?mm-1，通過調(diào)整頻率實(shí)現(xiàn)不同成像深度，成像區(qū)域?yàn)?*3cm，實(shí)現(xiàn)組織寬場成像，所述探測器采用ccd相機(jī)（3），通過入射不同頻率的空間調(diào)制圖案到樣品區(qū)域，并用ccd相機(jī)（3）捕捉反射圖像。

10、進(jìn)一步的，所述圖像解調(diào)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)三相移法（α=0,2π/3,4π/3）解調(diào)出受測皮膚在調(diào)制頻率0和下的dc、ac調(diào)制傳遞函數(shù)（mtf），進(jìn)而依據(jù)光在混濁介質(zhì)的傳播理論由mtf反演獲得介質(zhì)包括吸收系數(shù)（）和約化散射系數(shù)（）等的二維分布，在采用標(biāo)準(zhǔn)三相移法進(jìn)行圖像解調(diào)時，三個相位圖像為，和可以表示為：

11、

12、{i}_{ac}=\frac {\sqrt {2}} {3}\left [ {\left ( {{i}_{1}-{i}_{2}} \right )^{2}+\left ( {{i}_{2}-{i}_{3}} \right )^{2}+\left ( {{i}_{3}-{i}_{1}} \right )^{2}} \right ]^{\frac {1} {2}}。

13、進(jìn)一步的，所述圖像解調(diào)模塊采用單次快照多頻解調(diào)法（ssmd）解調(diào)出受測皮膚在調(diào)制頻率0和下的dc、ac調(diào)制傳遞函數(shù)（mtf），進(jìn)而依據(jù)光在混濁介質(zhì)的傳播理論由mtf反演獲得介質(zhì)包括吸收系數(shù)（）和約化散射系數(shù)（）等的二維分布，在采用單次快照多頻解調(diào)法（ssmd）進(jìn)行圖像解調(diào)時，入射到組織樣品表面的結(jié)構(gòu)光圖案和經(jīng)組織后向散射得到的光強(qiáng)圖案可以表示為：

14、{i}_{0}\left ( {x,y} \right )={i}^\left ( {0} \right )_{dc}+\sum ^{k}_{i=1} {{i}^\left ( {0} \right )_{ac,i}}\cos {\left [ {2π\(zhòng)left ( {{f}_{x,i}x+{f}_{y,i}y} \right )\left ( {} \right )+{\varnothing }_{i}} \right ]}

15、i\left ( {x,y} \right )={i}_{dc}\left ( {x,y} \right )+\sum ^{k}_{i=1} {{i}_{ac,i}}\left ( {x,y} \right )\cos {\left [ {2π\(zhòng)left ( {{f}_{x,i}x+{f}_{y,i}y} \right )+{\varnothing }_{i}} \right ]}

16、其中k?≥?1是交流分量的個數(shù)，和分別是在空間頻率和相位下的第個交流分量的入射幅值和后向散射幅值，ssmd每個交流分量幅值和直流分量幅值分別如下公式計(jì)算：

17、

18、。

19、進(jìn)一步的，所述受測皮膚組織的吸收系數(shù)方程建立為，其中，λ為光的波長，n為發(fā)色團(tuán)的數(shù)量，為發(fā)色團(tuán)摩爾消光系數(shù)，為發(fā)色團(tuán)濃度，由mie散射描述，其中a表示散射幅度，與散射體數(shù)量相關(guān)， b表示與散射體大小相關(guān)的散射能力，多波長下低頻結(jié)構(gòu)光成像所得的可進(jìn)一步依據(jù)求得，測定層狀結(jié)構(gòu)中總血紅蛋白濃度和氧飽和度，通過映射均勻介質(zhì)和原始兩層結(jié)構(gòu)之間的典型光子強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)了等效的光吸收和散射，即

20、{μ}_{a}l={μ}_{a,melanin}\left ( {λ} \right )h+\left [ {{μ}_{a,hb{o}_{2}}\left ( {λ} \right )+{μ}_{a,hb}\left ( {λ} \right )} \right ]\left ( {l-h} \right )，其中 h是皮膚表皮層厚度， l為在空間頻率和波長λ下的結(jié)構(gòu)光平均探測深度。

21、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過基于空間頻域成像（spatial?frequencydomain?imaging，sfdi）的光學(xué)圖像采集裝置實(shí)現(xiàn)放療患者治療區(qū)域的圖像采集，實(shí)時監(jiān)測患者在放療療程中皮膚的微循環(huán)和結(jié)構(gòu)特性，風(fēng)險預(yù)測模塊綜合考慮患者個體差異（臨床特征）、放射治療參數(shù)（劑量組學(xué)特征）、皮膚光學(xué)及生理指標(biāo)等多個因素，運(yùn)用多模態(tài)機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)學(xué)習(xí)算法構(gòu)建可解釋的風(fēng)險預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對急性放射性皮膚毒性的定量評估和預(yù)測，避免了現(xiàn)有的一些檢測方法中侵入性操作帶來的不適和操作位置感染的風(fēng)險，也提高了皮膚毒性評估的準(zhǔn)確性和客觀性，相較于目前臨床上對于急性放射性皮炎的評估主要依賴于醫(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)判斷，無法定量進(jìn)行評估并形成標(biāo)準(zhǔn)化的問題，本發(fā)明的預(yù)測結(jié)果更為客觀準(zhǔn)確，相對更加契合臨床放療過程中的預(yù)警預(yù)測需求，另一方面，相對傳統(tǒng)的一些預(yù)測方法中檢查時間長、難跟蹤監(jiān)測、受到多種客觀因素影響大的問題，本發(fā)明的檢測方法在構(gòu)建可解釋的風(fēng)險預(yù)測模型后，高效且有效地進(jìn)行放療患者皮炎的預(yù)測監(jiān)測，方便臨床上對放療患者進(jìn)行更精準(zhǔn)的風(fēng)險管理，提升了整體監(jiān)測預(yù)警對患者個體差異和復(fù)雜病情快速變化的適應(yīng)性，在放療醫(yī)治過程中醫(yī)生能及時對放療患者當(dāng)前的狀況進(jìn)行追蹤評估，提升放療效果，減少放療患者放療后的不適并提升放療質(zhì)量。