本發(fā)明涉及醫(yī)用放射治療技術(shù)領(lǐng)域，具體是指調(diào)強(qiáng)放療中構(gòu)建危及器官吸收劑量預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的方法。
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，主要用于惡性腫瘤，與手術(shù)治療、化學(xué)藥物治療組成了腫瘤三大治療手段。統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，約有50％-70％的癌癥患者需要不同程度地接收放射治療。放射治療的基本目的是提高放射治療的治療增益比，即最大限度地將放射線的劑量集中到靶區(qū)內(nèi)，殺滅腫瘤細(xì)胞，而使周圍正常組織少受或免受不必要的照射。適形放射治療是一種提高治療增益比的較為有效的物理方法。調(diào)強(qiáng)放療即調(diào)強(qiáng)適形放射治療是適形放療的一種，它要求滿足在照射方向上，照射野的形狀必須與靶區(qū)形狀一致、靶區(qū)內(nèi)及表面劑量處處相等，每一個(gè)射野內(nèi)諸點(diǎn)的輸出劑量率能按要求的方式進(jìn)行調(diào)整。
調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)提高了患者的療效，改善了患者治療后的生活質(zhì)量，有效地提高了治療增益比，但受優(yōu)化方法、手段以及人為等因素影響，大多數(shù)放療中心雖然危及器官控制在限定范圍內(nèi)，但由于缺少有效的預(yù)測(cè)評(píng)估方法，危及器官的最終吸收劑量更多地依賴于各放療單位的經(jīng)驗(yàn)，并未使其吸收劑量達(dá)到最小。
現(xiàn)有的預(yù)測(cè)評(píng)估方法通過提取治療計(jì)劃中危及器官每個(gè)采樣點(diǎn)的劑量信息，建立調(diào)強(qiáng)放療的預(yù)測(cè)模型，通過該模型在制作調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃前提前預(yù)測(cè)危及器官的劑量體積曲線，以保證調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的質(zhì)量，其方法較為復(fù)雜，且作為商業(yè)軟件出售價(jià)格高昂，難以在調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃制作中得到廣泛具體的應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供調(diào)強(qiáng)放療中構(gòu)建危及器官吸收劑量預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的方法，通過此數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)制作調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃前，對(duì)危及器官的吸收劑量進(jìn)行預(yù)測(cè)。
本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：調(diào)強(qiáng)放療中危及器官吸收劑量預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟：
(1)將危及器官劃分成n個(gè)子器官，獲取第n個(gè)子器官的歸一化體積Vn/VOAR，其中，Vn為第n個(gè)子器官的體積，VOAR為危及器官的體積；
(2)根據(jù)調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃，獲得危及器官的歸一化吸收劑量Dn10～n100，其中，Dn10～n100為D10～100/Dp的比值，Dp為處方劑量，D10：是指10％的該危及器官體積所得到的吸收劑量；D20：是指20％的該危及器官體積所得到的吸收劑量；以此類推，D10～D100在放療中專門用于評(píng)價(jià)危及器官吸收劑量；
(3)根據(jù)第n個(gè)子器官的歸一化體積Vn/VOAR和危及器官的歸一化吸收劑量Dn10～n100，獲得預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步地，所述步驟(1)中，將危及器官劃分成n個(gè)子器官的具體過程包括以下步驟：
(1.1)勾畫低危區(qū)計(jì)劃腫瘤靶區(qū)PCTV2以及危及器官；
(1.2)以低位區(qū)計(jì)劃腫瘤靶區(qū)PCTV2為外擴(kuò)源，創(chuàng)建一個(gè)寬度為0.2～0.5cm的環(huán)，得到第一個(gè)環(huán)ring1，再以ring1+PCTV2為外擴(kuò)源，以相同寬度創(chuàng)建第二個(gè)環(huán)ring2，以此類推，以ring1+···+ringn-1+PCTV2為外擴(kuò)源，以相同寬度即可創(chuàng)建第n個(gè)環(huán)ringn；
(1.3)每個(gè)環(huán)與危及器官的相交區(qū)域即為該危及器官的子器官。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步地，所述步驟(1.1)中勾畫低危區(qū) 計(jì)劃腫瘤靶區(qū)PCTV2以及危及器官的具體過程，包括以下步驟：
(1.1.1)通過CT機(jī)掃描出患者相應(yīng)部位的橫斷面圖像；
(1.1.2)將掃描出的CT圖像傳輸至放療計(jì)劃軟件；
(1.1.3)利用放療計(jì)劃軟件中的勾畫工具，在各CT橫斷面圖像上勾畫出各個(gè)危及器官與計(jì)劃靶區(qū)，即得，并可通過放療計(jì)劃軟件得出器官體積VOAR和靶區(qū)體積VTatget的體積大小。
使用的放療計(jì)劃軟件為Pinnacle軟件。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步地，所述步驟(1.2)中，創(chuàng)建的環(huán)的寬度為0.3cm。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，獲得預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型采用的方法為多元線性擬合方法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)擬合方法中的至少一種。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步地，所述多元線性擬合方法主要采用SPSS19軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步地，采用多元線性擬合方法進(jìn)行預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，所得數(shù)學(xué)模型為：
Y＝Pc+P0×(V0/VOAR)+P1×(V1/VOAR)+…+Pn×(Vn/VOAR)；
其中，Y為危及器官的歸一化吸收劑量Dn10～n100；
V0/VOAR為低危區(qū)計(jì)劃腫瘤靶區(qū)PCTV2與危及器官的歸一化相交體積，V1/VOAR為ring1與危及器官的歸一化相交體積，以此類推，Vn為ringn與危及器官的歸一化相交體積；
通過SPSS19軟件，進(jìn)行回歸線性分析，即可得到該危及器官P1～Pn，以及Pc的取值。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步地，所述預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型采用的方法主要采用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)擬合。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
(1)本發(fā)明探索調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃中臨近靶區(qū)的危及器官吸收劑量預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)在制作調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃前對(duì)危及器官的吸收劑量進(jìn)行預(yù)測(cè)；
(2)本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)易于采集，大多數(shù)放療單位均可在通過本發(fā)明的方法在現(xiàn)有治療計(jì)劃系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立起調(diào)強(qiáng)放療中危及器官吸收劑量的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，適宜廣泛推廣應(yīng)用。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
實(shí)施例1：
本實(shí)施例中選取鼻咽癌調(diào)強(qiáng)患者病歷55份，并以內(nèi)耳、口腔、腮腺、聲門喉、環(huán)后區(qū)咽、食管六種危及器官作為模板進(jìn)行研究，尋求調(diào)強(qiáng)放療中危及器官吸收劑量的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型。
一、針對(duì)鼻咽癌靶區(qū)的處方劑量與計(jì)劃評(píng)估要求：
(1)處方劑量定義為98％的計(jì)劃靶區(qū)所接收的最低吸收劑量；
(2)PGTVnx，PGTVrnp單次劑量2.10-2.25Gy，總劑量66-70Gy；
PGTVnd單次劑量2.00-2.25Gy，總劑量66-70Gy；
PCTV1單次劑量1.80-2.05Gy，總劑量60-66Gy；
PCTV2單次劑量1.80Gy，總劑量54-56Gy。
(3)計(jì)劃評(píng)估要求：
(3.1)PTV接受≥110％處方劑量的體積＜2％；
(3.2)PTV接受＜93％的處方劑量的體積＜1％。
二、針對(duì)選定危及器官的限定劑量：
單側(cè)內(nèi)耳平均劑量(Dme)≤45Gy；
口腔平均劑量(Dmo)≤40Gy；
腮腺平均劑量(Dmpa)≤26Gy，對(duì)于腮腺與PCTV2相交體積過大的情況至少單側(cè)D50％<30Gy或劑量盡量低；
聲門喉平均劑量(Dml)≤45Gy；
環(huán)后區(qū)咽平均劑量(Dmph)≤45Gy；
食管平均劑量(Dmes)≤45Gy。
三、治療計(jì)劃設(shè)計(jì)：
55例鼻咽癌病歷中調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃均采用Pinnacle8.0治療計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)劃進(jìn)行回顧性優(yōu)化分析，鼻咽癌采用6兆伏X射線共面9野均分直接子野優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。
具體探尋過程如下：
首先，病歷中低危區(qū)計(jì)劃腫瘤靶區(qū)PCTV2以及選定的危及器官的進(jìn)行勾畫，通過CT機(jī)掃描出患者相應(yīng)部位的橫斷面圖像；將掃描出的CT圖像傳輸至pinnacle放療計(jì)劃軟件；利用pinnacle軟件中的勾畫工具，在各CT橫斷面圖像上勾畫出各個(gè)危及器官與計(jì)劃靶區(qū)，點(diǎn)擊Volume工具，可計(jì)算出危及器官和靶區(qū)體積的體積大小。所有入組病歷均由同一醫(yī)師對(duì)靶區(qū)進(jìn)行勾畫。
其次，將PCTV2外擴(kuò)為寬度為0.3cm的多個(gè)環(huán)ring1～ringn，將ring1～ringn與不同危及器官相交區(qū)域(ring1～ringn∩OAR)作為該危及器官獨(dú)立的子器官進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。
最后，通過對(duì)各個(gè)患者的子器官的均勻劑量大小與權(quán)重的不斷調(diào)整，在危及器官與靶區(qū)相交區(qū)域劑量認(rèn)定為靶區(qū)處方劑量與保證靶區(qū)處方劑量滿足評(píng)估要求的前提下，使得各個(gè)危及器官吸收劑量盡量低，由于優(yōu)化時(shí)子器官數(shù)量較多，其權(quán)重參數(shù)應(yīng)調(diào)整到相對(duì)于靶區(qū)權(quán)重較小的值。
四、鼻咽癌危及器官吸收劑量預(yù)測(cè)模型建立：
從55例鼻咽癌患者病歷中的調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃得出各個(gè)危及器官的子器官歸一化體積以及各個(gè)危及器官的歸一化吸收劑量。
主要采用多元線性擬合方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，具體通過SPSS19軟件實(shí)現(xiàn)：點(diǎn)擊SPSS19軟件中分析-回歸-線性工具，因變量選取需要分析的危及器官的歸一化吸收劑量，自變量選取ring1～ringn與該危及器官相交區(qū)域的歸一化體積，點(diǎn)擊確定按鈕，即可得到該危及器官P1～Pn，以及Pc的取值。
所得預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型為：
Y＝Pc+P0×(V0/VOAR)+P1×(V1/VOAR)+…+Pn×(Vn/VOAR)；
其中，Y為危及器官的歸一化吸收劑量Dn10～n100；
V0/VOAR為低危區(qū)計(jì)劃腫瘤靶區(qū)PCTV2與危及器官的歸一化相交體積，V1/VOAR為ring1與危及器官的歸一化相交體積，以此類推，Vn為ringn與危及器官的歸一化相交體積；
內(nèi)耳的P0～Pn、Pc的取值為，如表1所示，
表1內(nèi)耳
其中，Dn10為是指10％的該危及器官體積所得到的吸收劑量；
Dn20為是指10％的該危及器官體積所得到的吸收劑量；
以此類推，Dn10～Dn100專門用于評(píng)價(jià)危及器官的吸收劑量。
口腔的P1～Pn的取值為，如表2所示，
表2口腔
腮腺的P1～Pn的取值為，如表3所示，
表3腮腺
喉的P1～Pn的取值為，如表4所示，
表4喉
環(huán)后區(qū)咽的P1～Pn的取值為，如表5所示，
表5環(huán)后區(qū)咽
食管的P1～Pn的取值為，如表6所示，
表6食管
將表1～表6中的數(shù)據(jù)帶入預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，通過SPSS19軟件可得出所有方程模型的F統(tǒng)計(jì)量的p值均小于0.05，說明該數(shù)學(xué)模型是有效的，并測(cè)得該預(yù) 測(cè)數(shù)學(xué)模型的擬合優(yōu)度值r，如表7所示。
表7不同危及器官采用SPSS19軟件構(gòu)建的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)危及器官吸收劑量的擬合優(yōu)度r
由表7中擬合優(yōu)度r可知，基于鼻咽癌而最終建立的數(shù)學(xué)模型的擬合程度非常好。
可以根據(jù)多元線性擬合方法建立預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，即可在已知危及器官的子器官歸一化體積的前提下對(duì)危及器官的歸一化吸收劑量進(jìn)行預(yù)測(cè)。
實(shí)施例2：
本實(shí)施例在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，具體過程為，采用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合的具體過程為：matlab軟件中輸入nftool，打開神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)擬合工具箱，點(diǎn)擊next，Inputs選取需要分析的危及器官的歸一化吸收劑量，Target選取ring1～ringn與該危及器官相交區(qū)域的歸一化體積，點(diǎn)擊next，點(diǎn)擊Train按鈕對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，即可得數(shù)據(jù)擬合的Networks。
根據(jù)建立的Networks獲得與實(shí)際危及器官的吸收劑量進(jìn)行擬合，所得擬合優(yōu)度，如表8所示，
表8不同危及器官通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)危及器官吸收劑量的擬合優(yōu)度r
由表8中相關(guān)系數(shù)r可知，基于鼻咽癌而最終建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)擬合方式數(shù)學(xué)模型為擬合程度非常好，略好于多元線性擬合方法。
根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合后所得到的Networks，即可在已知危及器官的子器官歸一化體積的前提下對(duì)危及器官的歸一化吸收劑量進(jìn)行預(yù)測(cè)。本實(shí)施例其他部分與上述實(shí)施例相同，這里不再贅述。本實(shí)施例其他部分與上述實(shí)施例相同，這里不再贅述。
實(shí)施例3：
本實(shí)施例公開了以PCTV2為外擴(kuò)源，向外擴(kuò)環(huán)的具體過程，將PCTV2外擴(kuò)為寬度為0.3cm的多個(gè)環(huán)ring1～ringn的具體過程，首先利用Pinnacle8.0軟件的感興趣區(qū)(ROI)外擴(kuò)程序，以PCTV2為外擴(kuò)源，創(chuàng)建一個(gè)寬度為0.3的環(huán)，即可得到第1個(gè)環(huán)(ring1)；以PCTV2+ring1為外擴(kuò)源，創(chuàng)建一個(gè)寬度為0.3的環(huán)，即可得到第2個(gè)環(huán)(ring2)；以此類推，以PCTV2+ring1+·+ringn-1為外擴(kuò)源，創(chuàng)建一個(gè)寬度為0.3的環(huán)，即可得到第n個(gè)環(huán)(ringn)。
在Pinnacle軟件具體的操作過程包括以下步驟：
(a)在Pinnacle軟件中點(diǎn)擊ROI Expansion/Contraction工具；
(b)source選取PCTV2，Create new ROI Name輸入ring1，Uniform margin(cm)輸入0.3，點(diǎn)擊Create Ring ROI工具，即可得到一個(gè)新的感興趣區(qū)ring1；
(c)點(diǎn)擊ROI Expansion/Contraction工具；source選取PCTV2與ring1，Create new ROI Name輸入ring2，Uniform margin(cm)輸入0.3，點(diǎn)擊Create Ring ROI工具，即可得到一個(gè)新的感興趣區(qū)ring2；
(d)以此類推點(diǎn)擊ROI Expansion/Contraction工具；
(e)source選取PCTV2、ring1、…、ringn-1，Create new ROI Name輸入ringn，Uniform margin(cm)輸入0.3，點(diǎn)擊Create Ring ROI按鈕，即可得到一個(gè)新的感興趣區(qū)ringn。
本實(shí)施例其他部分與上述實(shí)施例相同，這里不再贅述。
盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。