一種自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)，包括信息輸入模塊、預(yù)處理模塊、方案優(yōu)化模塊、權(quán)重調(diào)整模塊、方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊；信息輸入模塊獲取病人三維信息、器官勾畫信息、治療頭信息，目標(biāo)函數(shù)信息、以及目標(biāo)函數(shù)中所使用器官的DV限制參數(shù)；預(yù)處理模塊通過劑量計(jì)算引擎，計(jì)算不同照射方向的劑量沉積矩陣；方案優(yōu)化模塊通過方案優(yōu)化引擎，進(jìn)行方案優(yōu)化；權(quán)重調(diào)整模塊根據(jù)方案優(yōu)化模塊的輸入信息，計(jì)算各器官的劑量分布和各子目標(biāo)函數(shù)值，并判斷各子目標(biāo)函數(shù)是否都滿足優(yōu)化的終止條件，方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊將方案優(yōu)化信息輸出。本發(fā)明自動方案優(yōu)化是一個迭代的過程，不需要輸入理想DVH曲線。
【專利說明】
一種自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于放射治療方案優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，涉及自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在放射治療的方案優(yōu)化過程中，方案優(yōu)化的總目標(biāo)函數(shù)一般表示為各子目標(biāo)函數(shù)與對應(yīng)權(quán)重乘積的總和。子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重表示各子目標(biāo)函數(shù)在優(yōu)化過程中的重要性。在方案優(yōu)化之前，各子目標(biāo)函數(shù)所使用的權(quán)重值是預(yù)先由物理師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定的，且該權(quán)重值在優(yōu)化過程中是固定不變的。在方案優(yōu)化結(jié)束后，物理師對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行方案優(yōu)化質(zhì)量評價。如果優(yōu)化結(jié)果不滿足臨床放射治療要求，物理師根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整各子目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)的權(quán)重值，并重新進(jìn)行方案優(yōu)化。該操作循環(huán)進(jìn)行，直到方案優(yōu)化結(jié)果滿足臨床放射治療的要求為止。在這種手動調(diào)整權(quán)重的方法中，優(yōu)化過程需要循環(huán)執(zhí)行多次，增加了制作放射治療方案所需的時間；同時還需要物理師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對各子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重值進(jìn)行修改，增加了物理師的工作量。針對各子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重取值問題，已有學(xué)者展開了多目標(biāo)優(yōu)化問題的研究。對于傳統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化，首先求出目標(biāo)函數(shù)的帕累托最優(yōu)邊界，然后在帕累托最優(yōu)邊界上由物理師或醫(yī)生選取最優(yōu)的優(yōu)化結(jié)果。當(dāng)總目標(biāo)函數(shù)中包含較多的子目標(biāo)函數(shù)，求解帕累托最優(yōu)邊界是非常耗時的。而且，需要物理師或醫(yī)生在帕累托邊界上選取最優(yōu)的優(yōu)化結(jié)果，同樣增加了物理師或醫(yī)生的工作量。因此，需要提出一種快速的自動放射治療方案優(yōu)化技術(shù)，在自動優(yōu)化的過程中，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果自動調(diào)整子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重值。
[0003]在現(xiàn)有自動放射治療方案優(yōu)化技術(shù)中，蘭(Nan)提出了一中基于已有劑量-體積直方圖(dose-volume histogram，DVH)的自適應(yīng)放射治療重新優(yōu)化方法(具體參見Nan L,Masoud Z,Andres U_S，et al.Automatic treatment plan re-optimizat1n foradaptive rad1therapy guided with the initial plan DVHs.Phys.Med.B11.,2013,58:8725-8738) o該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在優(yōu)化過程中自動的調(diào)整子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重值;缺點(diǎn)是需要預(yù)先知道理想DVH分布。在自適應(yīng)放射治療過程中，可以用同一個病人前一次分次照射方案優(yōu)化的DVH分布近似地代替該病人當(dāng)前分次照射的理想DVH分布。然而在一般的方案優(yōu)化中，由于病人解剖結(jié)構(gòu)之間的差異非常大，用這種近似代替的方法是不可行的。因此，需要發(fā)明一種不需要理想DVH的自動方案優(yōu)化方法和系統(tǒng)。
[0004]一般從三維劑量分布、DVH曲線以及生物準(zhǔn)則等方面對放射治療方案優(yōu)化結(jié)果的質(zhì)量評價。查看三維劑量分布，主要為了確認(rèn)靶區(qū)高劑量分布的覆蓋情況，以及周圍正常組織接受到的高劑量照射。傳統(tǒng)的優(yōu)化質(zhì)量評價主要是根據(jù)美國腫瘤放射治療協(xié)作組織(theRadiat1n Therapy Oncology Group，RT0G)或臨床定量分析正常組織效應(yīng)準(zhǔn)則(theQuantitative Analysis of Normal Tissue Effects in the Clinic，QUANTEC)給出的評價標(biāo)準(zhǔn)對DVH進(jìn)行定量的評價。通常方案優(yōu)化中物理子目標(biāo)函數(shù)的設(shè)置就是參考這些評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定的，并且滿足這些評價標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化結(jié)果被認(rèn)為是滿足臨床要求的。因此，在優(yōu)化過程中，可以根據(jù)實(shí)際劑量分布與這些評價標(biāo)準(zhǔn)自動的差值自動地修改對應(yīng)的子目標(biāo)函數(shù)權(quán)重，使得優(yōu)化結(jié)果滿足所有的評價標(biāo)準(zhǔn)。在臨床放射治療計(jì)劃系統(tǒng)中，生物準(zhǔn)則已經(jīng)被作為子目標(biāo)函數(shù)參與放射治療方案優(yōu)化，以及被用來定量地評價方案優(yōu)化結(jié)果。使用生物準(zhǔn)則對方案優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行方案優(yōu)化和質(zhì)量評價是放射治療未來發(fā)展的一個趨勢。同樣，相對于物理子目標(biāo)函數(shù)，生物子目標(biāo)函數(shù)也可以使用類似的方法進(jìn)行自動權(quán)重調(diào)整。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明主要是針對傳統(tǒng)放射治療方案制作過程中物理師循環(huán)調(diào)整子目標(biāo)函數(shù)并進(jìn)行重新優(yōu)化的技術(shù)問題，提出了一種自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]一種自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)，包括信息輸入模塊、預(yù)處理模塊、方案優(yōu)化模塊、權(quán)重調(diào)整模塊、方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊；
[0008]所述的信息輸入模塊包括3個功能單元:病人三維信息獲取功能單元、器官勾畫功能單元和其它信息輸入功能單元，在病人三維信息獲取功能單元中，病人通過硬件設(shè)備進(jìn)行成像，得到病人的三維密度信息，在器官勾畫功能單元中進(jìn)行自動勾畫而獲取器官勾畫信息，從而獲得病人的各器官勾畫信息，在其它信息輸入功能單元中輸入治療頭信息，目標(biāo)函數(shù)信息，以及目標(biāo)函數(shù)中所使用器官的DV限制參數(shù)；
[0009]所述的預(yù)處理模塊包含一個劑量計(jì)算功能單元，在使用當(dāng)前治療頭的情況下，通過劑量計(jì)算引擎，計(jì)算不同照射方向的劑量沉積矩陣，首先，根據(jù)獲取的病人的各器官勾畫信息、等中心點(diǎn)和照射方向確定每個方向需要計(jì)算的射束;然后，根據(jù)病人的三維密度信息和治療頭信息，通過劑量計(jì)算引擎計(jì)算每個射束的劑量分布，從而得到劑量沉積矩陣；
[0010]所述的方案優(yōu)化模塊包括利用已知信息輸入模塊的其它信息輸入功能單元的目標(biāo)函數(shù)和預(yù)處理模塊的劑量沉積矩陣，通過方案優(yōu)化引擎，進(jìn)行方案優(yōu)化，首先，在所有的照射方向中選擇一個最佳的子野形狀;其次，通過子野權(quán)重優(yōu)化算法重新計(jì)算已有子野的權(quán)重值;最后，刪除權(quán)重值為零的子野，并對剩余子野形狀進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到子野形狀最優(yōu)，如果總的子野個數(shù)超過預(yù)設(shè)的上限值，則在迭代過程中不再增加新的子野，只做子野權(quán)重優(yōu)化，刪除子野和子野形狀微調(diào)，方案優(yōu)化進(jìn)行一段時間或迭代一定次數(shù)之后停止優(yōu)化，并輸出優(yōu)化結(jié)果到權(quán)重調(diào)整模塊；
[0011 ]所述的權(quán)重調(diào)整模塊根據(jù)方案優(yōu)化模塊的輸入信息，計(jì)算各器官的劑量分布和各子目標(biāo)函數(shù)值，并判斷各子目標(biāo)函數(shù)是否都滿足優(yōu)化的終止條件，如果方案優(yōu)化結(jié)果滿足臨床要求，方案優(yōu)化結(jié)束并將方案優(yōu)化結(jié)果輸出到方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊;否則修正各子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，繼續(xù)方案優(yōu)化，權(quán)重修改后，將按照新的子目標(biāo)函數(shù)權(quán)重繼續(xù)之前停止的方案優(yōu)化，方案優(yōu)化和權(quán)重調(diào)整循環(huán)進(jìn)行，直到方案優(yōu)化的終止條件都滿足而停止。
[0012]所述的方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊包括兩個功能單元:放射治療功能單元和優(yōu)化結(jié)果顯示功能單元，放射治療功能單元將方案優(yōu)化所得子野形狀、子野權(quán)重、射線源等信息輸入到放射治療設(shè)備，以控制放射治療設(shè)備對病人進(jìn)行放射治療，其中子野形狀和子野權(quán)重分別用來控制多葉準(zhǔn)直器的開口形狀和在對應(yīng)開口形狀下的射線照射時間長短，優(yōu)化結(jié)果顯示功能單元將優(yōu)化結(jié)果中的三維劑量分布和DVH曲線分別輸入到計(jì)算機(jī)和打印機(jī)，以顯示方案優(yōu)化的結(jié)果和生成報表。
[0013]進(jìn)一步，治療頭信息包括完整的治療頭形狀結(jié)構(gòu)和參數(shù)信息，以及照射方向，等中心的位置等。目標(biāo)函數(shù)信息為針對當(dāng)前具體的病例設(shè)置的目標(biāo)函數(shù)，包括各子目標(biāo)函數(shù)的類型、所使用的參數(shù)值。
[0014]進(jìn)一步，在器官勾畫功能單元中進(jìn)行自動勾畫而獲取器官勾畫信息，可以通過物理師在所獲取的三維密度信息上進(jìn)行勾畫。
[0015]進(jìn)一步，在器官勾畫功能單元中進(jìn)行自動勾畫而獲取器官勾畫信息，可以通過自動勾畫軟件進(jìn)行自動勾畫而獲取病人的各器官勾畫信息。
[0016]進(jìn)一步，劑量計(jì)算引擎所采用的算法可以是筆形束算法、點(diǎn)核算法、蒙特卡羅算法和確定性方法等。
[0017]進(jìn)一步，所述的子目標(biāo)函數(shù)可以分為7類，分別為最大劑量子目標(biāo)函數(shù)、最小劑量子目標(biāo)函數(shù)、均勻劑量子目標(biāo)函數(shù)、DVH子目標(biāo)函數(shù)、等效均一劑量子目標(biāo)函數(shù)、腫瘤控制率子目標(biāo)函數(shù)和正常組織并發(fā)癥概率子目標(biāo)函數(shù)。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)如下:
[0019](I)本發(fā)明可以進(jìn)行自動方案優(yōu)化，自動方案優(yōu)化是一個迭代的過程，在迭代過程中，根據(jù)當(dāng)前方案優(yōu)化的結(jié)果與給定的處方劑量的差值自動修正各子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，對不滿足條件的目標(biāo)函數(shù)的增加懲罰，從而保證迭代結(jié)束后所有目標(biāo)函數(shù)都滿足條件，實(shí)現(xiàn)自動方案優(yōu)化，相比Nan提出的方法，本發(fā)明不需要輸入理想DVH曲線。
[0020](2)本發(fā)明可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的方案優(yōu)化，也可以應(yīng)用于自適應(yīng)放射治療的方案優(yōu)化中；
[0021](3)本發(fā)明可以利用生物準(zhǔn)則進(jìn)行自動方案優(yōu)化。
【附圖說明】
:
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0023]圖1是本發(fā)明的自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)的具體實(shí)施流程圖；
[0024]圖2是本發(fā)明的最大DVH限制的權(quán)重修正示意圖；
[0025]圖3是本發(fā)明的最小DVH限制的權(quán)重修正示意圖；
[0026]圖4是本發(fā)明的信息輸入模塊的硬件構(gòu)成示意圖；
[0027]圖5是本發(fā)明的方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊構(gòu)成示意圖；
[0028]圖6是本發(fā)明的自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)組成框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施作詳細(xì)的說明。
[0030]如圖6所示，本發(fā)明提供了一種自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)I，包括信息輸入模塊11、預(yù)處理模塊12、方案優(yōu)化模塊13、權(quán)重調(diào)整模塊14、方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊15;所述的信息輸入模塊11的硬件構(gòu)成如圖4所示，該模塊包括3個功能單元:病人三維信息獲取功能單元111、器官勾畫功能單元112和其它信息輸入功能單元113。在病人三維信息獲取功能單元111中，病人通過硬件設(shè)備進(jìn)行成像，得到病人的三維密度信息，硬件常用的設(shè)備是螺旋CT。為了增加螺旋CT成像的質(zhì)量，采用功能成像設(shè)備(如核磁共振成像設(shè)備)對病人進(jìn)行成像，以增強(qiáng)螺旋CT成像的質(zhì)量或直接用來表示病人的三維密度信息。在器官勾畫功能單元112中進(jìn)行自動勾畫而獲取器官勾畫信息，可以通過物理師在所獲取的三維密度信息上進(jìn)行勾畫，從而獲得病人的各器官勾畫信息，也可以通過自動勾畫軟件進(jìn)行自動勾畫而獲取病人的各器官勾畫信息。在其它信息輸入功能單元113中輸入治療頭信息，目標(biāo)函數(shù)信息，以及目標(biāo)函數(shù)中所使用器官的DV限制參數(shù)等。治療頭信息包括完整的治療頭形狀結(jié)構(gòu)和參數(shù)信息，以及照射方向，等中心的位置等。目標(biāo)函數(shù)信息為針對當(dāng)前具體的病例設(shè)置的目標(biāo)函數(shù)，包括各子目標(biāo)函數(shù)的類型、所使用的參數(shù)值等。
[0031]所述的器官勾畫功能單元112和其它信息輸入功能單元113都在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。以上所述硬件設(shè)備以及器官勾畫的軟件可以在大型醫(yī)療設(shè)備公司獲取得到。
[0032]所述的預(yù)處理模塊12包含一個劑量計(jì)算功能單元(圖未視出)，在使用當(dāng)前治療頭的情況下，通過劑量計(jì)算引擎，計(jì)算不同照射方向的劑量沉積矩陣。實(shí)施的技術(shù)方案是，首先，根據(jù)獲取的病人的各器官勾畫信息、等中心點(diǎn)和照射方向確定每個方向需要計(jì)算的射束;然后，根據(jù)病人的三維密度信息和治療頭信息，通過劑量計(jì)算引擎計(jì)算每個射束的劑量分布，從而得到劑量沉積矩陣。劑量計(jì)算引擎所采用的算法可以是筆形束算法、點(diǎn)核算法、蒙特卡羅算法和確定性方法等。在這個模塊中，我們使用經(jīng)典筆形束算法計(jì)算劑量分布。為了提高筆形束算法的計(jì)算速度，該算法被嵌入到硬件設(shè)備中，形成單獨(dú)的劑量計(jì)算硬件設(shè)備。
[0033]通常，該劑量計(jì)算功能單元在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，同樣其軟件可以在大型醫(yī)療設(shè)備公司都獲取得到。由于該功能單元的執(zhí)行無需用戶的參與，因此該功能單元可以由專門的計(jì)算劑量分布的硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)。
[0034]所述的方案優(yōu)化模塊13包括利用已知信息輸入模塊11的其它信息輸入功能單元113的目標(biāo)函數(shù)和預(yù)處理模塊12的劑量沉積矩陣，通過方案優(yōu)化引擎，進(jìn)行方案優(yōu)化。實(shí)施的技術(shù)方案是，在已知目標(biāo)函數(shù)和劑量沉積矩陣的情況下，就可以進(jìn)行方案優(yōu)化來確定最終各子野的形狀和權(quán)重。方案優(yōu)化算法可以采用兩步法(注量圖優(yōu)化和射野分割)或直接子野優(yōu)化方法。在本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中，以直接子野優(yōu)化方法為例進(jìn)行說明。子野優(yōu)化是一個迭代的過程。在每次迭代中，首先，在所有的照射方向中選擇一個最佳的子野形狀;其次，通過子野權(quán)重優(yōu)化算法重新計(jì)算已有子野的權(quán)重值;最后，刪除權(quán)重值為零的子野，并對剩余子野形狀進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到子野形狀最優(yōu)。如果總的子野個數(shù)超過預(yù)設(shè)的上限值，則在迭代過程中不再增加新的子野，只做子野權(quán)重優(yōu)化，刪除子野和子野形狀微調(diào)。方案優(yōu)化進(jìn)行一段時間或迭代一定次數(shù)之后停止優(yōu)化，并輸出優(yōu)化結(jié)果到權(quán)重調(diào)整模塊14，如每迭代十次，停止優(yōu)化并將結(jié)果輸出到權(quán)重調(diào)整模塊14。
[0035]所述的權(quán)重調(diào)整模塊14根據(jù)方案優(yōu)化模塊13的輸入信息，計(jì)算各器官的劑量分布和各子目標(biāo)函數(shù)值(限制參數(shù))，并判斷各子目標(biāo)函數(shù)是否都滿足優(yōu)化的終止條件，如果方案優(yōu)化結(jié)果滿足臨床要求，方案優(yōu)化結(jié)束并將方案優(yōu)化結(jié)果輸出到方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊15;否則修正各子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，繼續(xù)方案優(yōu)化，權(quán)重修改后，將按照新的子目標(biāo)函數(shù)權(quán)重繼續(xù)之前停止的方案優(yōu)化，方案優(yōu)化和權(quán)重調(diào)整循環(huán)進(jìn)行，直到方案優(yōu)化的終止條件都滿足而停止。
[0036]所述的子目標(biāo)函數(shù)可以分為7類，分別為最大劑量子目標(biāo)函數(shù)、最小劑量子目標(biāo)函數(shù)、均勾劑量子目標(biāo)函數(shù)、DVH子目標(biāo)函數(shù)、等效均一劑量(equivalent uniform dose,EUD)子目標(biāo)函數(shù)、腫瘤控制率(tumor control probability，TCP)子目標(biāo)函數(shù)和正常組織并發(fā)癥概率(normal tissue complicat1n probability，NTCP)子目標(biāo)函數(shù)。所有子目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的采用相似的修正方法，當(dāng)前子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重值為Wold，修改后的子目標(biāo)函數(shù)權(quán)重值為唧new,一■者的關(guān)系為
[0037]Wnew — Wold X f ￡10?0!Γ，
[0038]或者
[0039]Wnew — Wold+f&CtOiT，
[0040]其中factor為修正因子。在優(yōu)化過程中，需要根據(jù)方案優(yōu)化模塊13中的優(yōu)化時間或迭代次數(shù)來決定選擇使用乘法或加法對權(quán)重進(jìn)行修正。如果系統(tǒng)設(shè)置的優(yōu)化時間較短或迭代次數(shù)比較少，這時需要使用加法進(jìn)行校正，以避免因權(quán)重變化太大而引起的優(yōu)化結(jié)果反復(fù)振蕩現(xiàn)象。如果系統(tǒng)設(shè)置的優(yōu)化時間較長或迭代次數(shù)比較多，這時需要使用乘法進(jìn)行校正，以縮短優(yōu)化所需的時間。
[0041]以下是7種不同的子目標(biāo)函數(shù)權(quán)重修正因子的具體計(jì)算方法:
[0042]1、最大劑量子目標(biāo)函數(shù):
[0043]factor = D2/Di ,
[0044]其中Dl為處方劑量，D2為該子目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)器官的最大劑量值；
[0045]2、最小劑量子目標(biāo)函數(shù):
[0046]factor = Di/D2，
[0047]其中Dl為處方劑量，D2為該子目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)器官的最小劑量值；
[0048]3、均勻劑量子目標(biāo)函數(shù):
[0049]factor=max(Di，D2)/min(Di，D2)，
[0050]其中Dl為處方劑量，D2為該子目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)器官的均勻劑量值；
[0051 ] 4、DVH子目標(biāo)函數(shù):對于最大DVH限制，如果對應(yīng)DVH曲線從該DVH限制點(diǎn)的上方通過，則認(rèn)為該子目標(biāo)函數(shù)所對應(yīng)器官的劑量分布不滿足臨床需求，如圖2所示。在圖2中，DVH限制為點(diǎn)S201，其對應(yīng)的劑量-體積值分別為DI和VI。而在當(dāng)前的DVH曲線上，體積為VI的點(diǎn)在S202處，對應(yīng)劑量值為D2;劑量為Dl的點(diǎn)在S203處，對應(yīng)體積為V2。在點(diǎn)S201、S202和S203所圍成的多邊形范圍內(nèi)的劑量分布是不滿足當(dāng)前DVH限制的。因此，需要增加子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重值，以期望在下次方案優(yōu)化后該子目標(biāo)函數(shù)滿足要求。此時，修正因子可以根據(jù)劑量條件獲得:
[0052]factor = D2/Di ；
[0053]也可以根據(jù)體積條件計(jì)算得到:
[0054]factor = V2/V1
[0055 ] 對于最小DVH限制，如果DVH曲線從該限制點(diǎn)的下方通過，則認(rèn)為該DVH所對應(yīng)器官的劑量分布不滿足臨床需求，如圖3所示，DVH限制為點(diǎn)S301，其對應(yīng)的劑量-體積值分別為Dl和VI。而在當(dāng)前的DVH曲線上，體積為Vl的點(diǎn)在S302處，對應(yīng)劑量值為D2;劑量為Dl的點(diǎn)在S303處，對應(yīng)體積為V2。在點(diǎn)S30US302和S303所圍成的多邊形范圍內(nèi)的劑量分布是不滿足當(dāng)前DVH限制的，需要修正對應(yīng)子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重。修正方法與上述最大DVH限制的修正方法相似，其中根據(jù)劑量條件和體積條件計(jì)算所得修正因子分別為
[0056]factor = Di/D2
[0057]和
[0058]factor = Vi/V2 ；
[0059]5、EUD子目標(biāo)函數(shù):當(dāng)EUD的參數(shù)a值大于等于I時，該子目標(biāo)函數(shù)被用來控制正常組織或靶區(qū)上的高劑量分布，此時修正因子的計(jì)算方法與最大子目標(biāo)函數(shù)修正因子的計(jì)算方法相似。當(dāng)參數(shù)a值小于I時，該子目標(biāo)函數(shù)被用來控制靶區(qū)的低劑量分布，此時修正因子的計(jì)算方法與最小子目標(biāo)函數(shù)修正因子的計(jì)算方法相似；
[0060]6、TCP子目標(biāo)函數(shù):計(jì)算方法與最小劑量子目標(biāo)函數(shù)修正因子的計(jì)算方法相似；
[0061]7、NTCP子目標(biāo)函數(shù):計(jì)算方法與最大劑量子目標(biāo)函數(shù)修正因子的計(jì)算方法相似。
[0062]所述的方案優(yōu)化模塊13和權(quán)重調(diào)整模塊14是本發(fā)明的主要部分。這兩個模塊分別包含了方案優(yōu)化功能單元(圖未視出)和權(quán)重調(diào)整功能單元(圖未視出)，由于這兩個功能單的運(yùn)行無需用戶的參與，這兩個功能單元可以在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。在實(shí)現(xiàn)過程中，由于方案優(yōu)化模塊13和權(quán)重調(diào)整模塊14被循環(huán)調(diào)用，因此，為了提高運(yùn)算速度，這兩個模塊的實(shí)現(xiàn)也上可以被嵌入到一個硬件設(shè)備上，以快速地實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化功能和權(quán)重調(diào)整功能，從而形成獨(dú)立的方案優(yōu)化和權(quán)重調(diào)整硬件設(shè)備。
[0063]所述的方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊15包括兩個功能單元:放射治療功能單元151和優(yōu)化結(jié)果顯示功能單元152(如圖5所示)。放射治療功能單元151將方案優(yōu)化所得子野形狀、子野權(quán)重、射線源等信息輸入到放射治療設(shè)備，以控制放射治療設(shè)備對病人進(jìn)行放射治療，其中子野形狀和子野權(quán)重分別用來控制多葉準(zhǔn)直器的開口形狀和在對應(yīng)開口形狀下的射線照射時間長短。常用的放射治療設(shè)備可以在大型醫(yī)療設(shè)備公司獲取得到。優(yōu)化結(jié)果顯示功能單元152將優(yōu)化結(jié)果中的三維劑量分布和DVH曲線分別輸入到計(jì)算機(jī)和打印機(jī)，以顯示方案優(yōu)化的結(jié)果和生成報表。
[0064]如圖1、圖6所示，本發(fā)明的自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化方法:
[0065]步驟SlOl為信息輸入，在信息輸入模塊11中，輸入病人的三維密度信息、器官勾畫信息、治療頭信息，目標(biāo)函數(shù)信息，以及目標(biāo)函數(shù)中所使用器官的DV限制參數(shù)等。其中病人的三維密度信息可以是CT圖像、MR圖像或其它方式獲取的病人密度信息。器官勾畫信息可以通過物理師在三維密度信息上進(jìn)行勾畫而獲得的，也可以通過自動勾畫軟件進(jìn)行自動勾畫而獲取。治療頭信息包括完整的治療頭形狀結(jié)構(gòu)和參數(shù)信息，以及照射方向，等中心的位置等。目標(biāo)函數(shù)信息為針對當(dāng)前具體的病例設(shè)置的目標(biāo)函數(shù)，包括各子目標(biāo)函數(shù)的類型、所使用的參數(shù)等。
[0066]步驟S102為預(yù)處理，在預(yù)處理模塊12中，首先，根據(jù)獲取的病人的各器官勾畫信息、等中心點(diǎn)和照射方向確定每個方向需要計(jì)算的射束;然后，根據(jù)病人的三維密度信息和治療頭信息，通過劑量計(jì)算引擎計(jì)算每個射束的劑量分布，從而得到劑量沉積矩陣。劑量計(jì)算引擎所采用的算法可以是筆形束算法、點(diǎn)核算法、蒙特卡羅算法和確定性方法等。在這個模塊中，我們使用經(jīng)典筆形束算法計(jì)算劑量分布。為了提高筆形束算法的計(jì)算速度，該算法被嵌入到硬件設(shè)備中，形成單獨(dú)的劑量計(jì)算硬件設(shè)備。
[0067]步驟S103為方案優(yōu)化，在方案優(yōu)化模塊13中，在已知信息輸入模塊11的其它信息輸入功能單元113的目標(biāo)函數(shù)和預(yù)處理模塊12的劑量沉積矩陣的情況下，就可以進(jìn)行方案優(yōu)化來確定最終各子野的形狀和權(quán)重。方案優(yōu)化算法可以采用兩步法(注量圖優(yōu)化和射野分割)或直接子野優(yōu)化方法。在本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中，以直接子野優(yōu)化方法為例進(jìn)行說明。子野優(yōu)化是一個迭代的過程。在每次迭代中，首先，在所有的照射方向中選擇一個最佳的子野形狀;其次，通過子野權(quán)重優(yōu)化算法重新計(jì)算已有子野的權(quán)重值;最后，刪除權(quán)重值為零的子野，并對剩余子野形狀進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到子野形狀最優(yōu)。每迭代十次，停止優(yōu)化并將結(jié)果輸出到權(quán)重調(diào)整模塊。如果總的子野個數(shù)超過預(yù)設(shè)的上限值，則在迭代過程中不再增加新的子野，只做子野權(quán)重優(yōu)化，刪除子野和子野形狀微調(diào)。
[0068]步驟S104為權(quán)重調(diào)整，在權(quán)重調(diào)整模塊14中，根據(jù)方案優(yōu)化模塊13的輸入信息，計(jì)算各器官的劑量分布和各子目標(biāo)函數(shù)的值，并判斷各子目標(biāo)函數(shù)是否都滿足優(yōu)化的終止條件。如果所有子目標(biāo)函數(shù)的條件都滿足，方案優(yōu)化結(jié)束，輸出優(yōu)化結(jié)果，否則，按照
【發(fā)明內(nèi)容】
中的權(quán)重修正方式對各子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重就行修正。權(quán)重修改后，將按照新的子目標(biāo)函數(shù)權(quán)重繼續(xù)之前停止的方案優(yōu)化。方案優(yōu)化和權(quán)重調(diào)整循環(huán)進(jìn)行，直到方案優(yōu)化的終止條件都滿足而停止。
[0069]在實(shí)現(xiàn)過程中，方案優(yōu)化模塊13和權(quán)重調(diào)整模塊14被循環(huán)調(diào)用。因此，為了提高運(yùn)算速度，這兩個模塊的實(shí)現(xiàn)被嵌入到一個硬件設(shè)備上，以快速地實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化功能和權(quán)重調(diào)整功能。
[0070]步驟S105為輸出方案優(yōu)化結(jié)果，在方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊15中，方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊輸出三維劑量分布、DVH曲線、子野形狀和子野權(quán)重等。在這個模塊中子野形狀、子野權(quán)重以及其它關(guān)于射線源的信息(參數(shù))被輸入到放射治療設(shè)備，由這些輸入?yún)?shù)來控制放射治療設(shè)備，對病人進(jìn)行放射治療，其中子野形狀和子野權(quán)重分別用來控制多葉準(zhǔn)直器的開口形狀和在對應(yīng)開口形狀下的射線照射時間長。三維劑量分布和DVH曲線被輸入到計(jì)算機(jī)和打印機(jī)，分別用來顯示方案優(yōu)化結(jié)果和打印報表。
[0071]本發(fā)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
[0072]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干的改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:包括信息輸入模塊、預(yù)處理模塊、方案優(yōu)化模塊、權(quán)重調(diào)整模塊、方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊； 所述的信息輸入模塊包括3個功能單元:病人三維信息獲取功能單元、器官勾畫功能單元和其它信息輸入功能單元，在病人三維信息獲取功能單元中，病人通過硬件設(shè)備進(jìn)行成像，得到病人的三維密度信息，在器官勾畫功能單元中進(jìn)行自動勾畫而獲取器官勾畫信息，從而獲得病人的各器官勾畫信息，在其它信息輸入功能單元中輸入治療頭信息，目標(biāo)函數(shù)信息，以及目標(biāo)函數(shù)中所使用器官的DV限制參數(shù)； 所述的預(yù)處理模塊包含一個劑量計(jì)算功能單元，在使用當(dāng)前治療頭的情況下，通過劑量計(jì)算引擎，計(jì)算不同照射方向的劑量沉積矩陣，首先，根據(jù)獲取的病人的各器官勾畫信息、等中心點(diǎn)和照射方向確定每個方向需要計(jì)算的射束;然后，根據(jù)病人的三維密度信息和治療頭信息，通過劑量計(jì)算引擎計(jì)算每個射束的劑量分布，從而得到劑量沉積矩陣； 所述的方案優(yōu)化模塊包括利用已知信息輸入模塊的其它信息輸入功能單元的目標(biāo)函數(shù)和預(yù)處理模塊的劑量沉積矩陣，通過方案優(yōu)化引擎，進(jìn)行方案優(yōu)化，首先，在所有的照射方向中選擇一個最佳的子野形狀;其次，通過子野權(quán)重優(yōu)化算法重新計(jì)算已有子野的權(quán)重值;最后，刪除權(quán)重值為零的子野，并對剩余子野形狀進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到子野形狀最優(yōu)，如果總的子野個數(shù)超過預(yù)設(shè)的上限值，則在迭代過程中不再增加新的子野，只做子野權(quán)重優(yōu)化，刪除子野和子野形狀微調(diào)，方案優(yōu)化進(jìn)行一段時間或迭代一定次數(shù)之后停止優(yōu)化，并輸出優(yōu)化結(jié)果到權(quán)重調(diào)整模塊； 所述的權(quán)重調(diào)整模塊根據(jù)方案優(yōu)化模塊的輸入信息，計(jì)算各器官的劑量分布和各子目標(biāo)函數(shù)值，并判斷各子目標(biāo)函數(shù)是否都滿足優(yōu)化的終止條件，如果方案優(yōu)化結(jié)果滿足臨床要求，方案優(yōu)化結(jié)束并將方案優(yōu)化結(jié)果輸出到方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊;否則修正各子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，繼續(xù)方案優(yōu)化，權(quán)重修改后，將按照新的子目標(biāo)函數(shù)權(quán)重繼續(xù)之前停止的方案優(yōu)化，方案優(yōu)化和權(quán)重調(diào)整循環(huán)進(jìn)行，直到方案優(yōu)化的終止條件都滿足而停止。 所述的方案優(yōu)化結(jié)果輸出模塊包括兩個功能單元:放射治療功能單元和優(yōu)化結(jié)果顯示功能單元，放射治療功能單元將方案優(yōu)化所得子野形狀、子野權(quán)重、射線源等信息輸入到放射治療設(shè)備，以控制放射治療設(shè)備對病人進(jìn)行放射治療，其中子野形狀和子野權(quán)重分別用來控制多葉準(zhǔn)直器的開口形狀和在對應(yīng)開口形狀下的射線照射時間長短，優(yōu)化結(jié)果顯示功能單元將優(yōu)化結(jié)果中的三維劑量分布和DVH曲線分別輸入到計(jì)算機(jī)和打印機(jī)，以顯示方案優(yōu)化的結(jié)果和生成報表。2.如權(quán)利要求1所述的一種自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:治療頭信息包括完整的治療頭形狀結(jié)構(gòu)和參數(shù)信息，以及照射方向，等中心的位置等。目標(biāo)函數(shù)信息為針對當(dāng)前具體的病例設(shè)置的目標(biāo)函數(shù)，包括各子目標(biāo)函數(shù)的類型、所使用的參數(shù)值。3.如權(quán)利要求1所述的一種自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:在器官勾畫功能單元中進(jìn)行自動勾畫而獲取器官勾畫信息，可以通過物理師在所獲取的三維密度信息上進(jìn)行勾畫。4.如權(quán)利要求1所述的一種自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:在器官勾畫功能單元中進(jìn)行自動勾畫而獲取器官勾畫信息，可以通過自動勾畫軟件進(jìn)行自動勾畫而獲取病人的各器官勾畫信息。5.如權(quán)利要求1所述的一種自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:劑量計(jì)算引擎所采用的算法可以是筆形束算法、點(diǎn)核算法、蒙特卡羅算法和確定性方法。6.如權(quán)利要求1所述的一種自動確定目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的放射治療方案優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:所述的子目標(biāo)函數(shù)可以分為7類，分別為最大劑量子目標(biāo)函數(shù)、最小劑量子目標(biāo)函數(shù)、均勻劑量子目標(biāo)函數(shù)、DVH子目標(biāo)函數(shù)、等效均一劑量子目標(biāo)函數(shù)、腫瘤控制率子目標(biāo)函數(shù)和正常組織并發(fā)癥概率子目標(biāo)函數(shù)。
【文檔編號】G06F19/00GK105930636SQ201610217049
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】張鵬程, 劉祎, 桂志國, 張權(quán), 郝慧燕, 王冠軍
【申請人】中北大學(xué)