一种照射剂量确定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种照射剂量确定方法及系统。照射剂量确定方法包括：利用回顾性标记确定放疗模拟定位影像中感兴趣区域内具有生物特征的像素点；根据具有生物特征的像素点提取局部影像组学特征；局部影像组学特征包括灰度直方图强度、肿瘤形状特征、纹理特征、高斯型拉普拉斯滤波特征以及小波特征；获取待测局部影像组学特征；根据局部影像组学特征识别待测局部影像组学特征的阳性区域；对阳性区域的外围边界进行三维重建，确定三维图像；三维图像为显示生物特征的三维图像；根据三维图像确定不同区域不同位置的照射剂量。采用本发明专利技术所提供的照射剂量确定方法及系统能够针对肿瘤区域内不同生物特征的肿瘤给予适宜的照射剂量。

【技术实现步骤摘要】
一种照射剂量确定方法及系统
本专利技术涉及医学放疗领域，特别是涉及一种照射剂量确定方法及系统。
技术介绍
放疗与外科手术治疗、内科化疗并成为肿瘤治疗的三大手段。统计数据显示，约65％的患者需要在肿瘤治疗的过程中用到放疗，部分癌种(如早期鼻咽癌、肺癌、乳腺癌、前列腺癌)可以通过放疗治愈，放疗对肿瘤治愈的贡献度达40％。放疗大体步骤流程如下所示：第一步，如图1所示，模拟定位，即对患者进行体位固定条件下的医学影像成像。第二步，如图2所示，放疗计划设计，即将上一步的图像传输至放疗计划系统(treatmentplanningsystem，TPS)软件，在该软件上模拟X射线入射角度、形状、能量，并通过该软件计算辐射剂量，模拟放疗实施后患者体内肿瘤及其周围危及器官的受照射剂量分布情况，通过剂量-体积直方图的形式进行统计量化评估。第三步，计划实施，即上述放疗计划经放疗医生和放射物理师共同确认后，提交医用直线加速器执行，如图3所示，执行前，首先借助相同的固定装置，将患者按“第一步模拟定位”时的体位重新固定于医用直线加速器治疗床，即“摆位”；然后启用医用直线加速器同机影像系统，图3中白色箭头指向的CBCT成像系统，在患者不离开治疗床的情况下，在约2分钟的时间内，对患者治疗部位进行快速成像；再后，将快速成像的图像与“第二步放疗计划设计”中使用的患者影像进行图像配准，利用配准结果揭示的体位变化，移动加速器治疗床，使患者体位恢复到“第一步模拟定位”和“第二步放疗计划设计”相同的体位，如图4所示；最后，调用该患者的放疗计划，为患者实施放疗。现有放疗计划方法，如上面“第二步，放疗计划设计”所描述的，现有放疗计划设计过程是在解剖影像和功能影像引导下制定的，解剖影像(如CT、MRI)反映出患者体内肿瘤和正常组织解剖结构和位置，功能影像(如f-MRI、PET、SPECT等)反映出的患者肿瘤内部的部分生物特性，以此为参考，在计划设计过程中调节照射野的参数(包括射线形状、强度)，从而模拟计算患者体内剂量分布情况，完成计划设计。如上面“第二步，放疗计划设计”所描述的，现有放疗计划的制定过程，参照了解剖影像(如CT、MRI)和功能影像(如f-MRI、PET、SPECT)，其局限体现在：以解剖影像引导制定放疗计划，解剖影像只能反映肿瘤和周围正常组织的位置和结构，但无法反映生物功能信息(如肿瘤内部的葡萄糖代谢水平、乏氧水平、血管生成情况，正常组织出现并发症风险的大小等)；而人体内肿瘤或者正常组织的生物特性，一方面在很大程度上决定了放疗的成败(比如对于肿瘤内部的乏氧区域，乏氧区域的存在与肿瘤的远端转移和不良预后都有直接相关性，而大量研究证实乏氧区域的肿瘤细胞对放射线抗拒，如果没有实施高剂量照射，则肿瘤可能无法被有效杀灭；再比如图5所示，虽然白色箭头所示肿瘤区域从CT解剖结构上看未出现体积上的缩小，但CT灌注功能影像显示血流量减低，即肿瘤活性细胞已经显著减少，实际治疗是有效的；又比如，对于易出现放射性肺炎的正常功能肺没有进行有针对性地保护，则患者接受放疗后可能出现致死性的放射性肺炎)，另一方面个体化差异巨大，同一类肿瘤的两个患者可能存在巨大的生物特性差别(比如同一放疗照射剂量实施后，放射敏感的患者肿瘤消退明显，而放射抗拒的患者肿瘤不变甚至增殖)，因此，能反映生物功能信息的因素参与到放疗计划的制定过程中是非常关键和必要的。以功能影像引导制定放疗计划，虽然反映了特定的生物功能信息(如肿瘤内部的葡萄糖代谢情况、乏氧情况、血管生成情况，正常组织出现并发症风险的大小等)，但其存在诸多局限，包括：①无法准确反映位置和解剖信息，f-MRI、PET、SPECT图像在反映部分区域生物功能的同时，无法准确反映该区域的准确解剖位置，只能通过与解剖影像进行图像融合(即两种图像的叠加)，才能将功能区域指向对应的解剖位置，如图6-图8所示，图8中的高亮区域为具有特定生物功能的区域，如肿瘤葡萄糖高代谢或者肿瘤乏氧区域；但这种“指向”又往往欠精确，因为其精度完全依赖于图像融合算法，而不同模态的图像往往存在变形、尺度不统一等问题，无法做到真正意义上的一一对应。②功能影像费用昂贵，少则1千多元/次(SPECT)，多则近万元/次(PET，非医保报销项目，完全自费)，在多数患者中推行难度大，无法惠及更多患者。③PET、SPECT等功能影像需要在患者体内注入放射性同位素，为患者带来额外辐射，由此也限制了同一患者在治疗疗程中接受功能影像扫描的总次数不宜过多(通常仅于放疗开始前接受一次功能影像扫描，最多在疗后再扫一次，即前后共接受2次功能影像扫描)。④一种功能影像只能揭示一种生物功能特性，如18F-FETNIMPET能揭示肿瘤内部的乏氧区域，提示治疗计划过程中宜对此区域加大照射剂量，但18F-FETNIMPET也只能反映“肿瘤乏氧”这一个特征，无法解释肿瘤内部如血管生成、糖代谢等其他生物功能特征，目前尚没有一种示踪剂能做到注入人体后同时显示多种功能特性。针对上述存在的问题，国外研究了一种通过局部影像组学特征提取的方法识别哪里是肿瘤、哪里是非肿瘤，对于识别为肿瘤的区域，在放疗过程中给予更高的照射剂量，而对于识别为非肿瘤的区域则给予相对低的预防照射剂量。但是由于不同区域不同位置的生物特征不同，若以肿瘤区域以及非肿瘤区域给予不同的照射剂量，由于肿瘤区域内部的生物特征差异，则在肿瘤区域内以相同的照射剂量无法将肿瘤细胞全部杀死，无法针对肿瘤区域内不同生物特征的肿瘤给予照射剂量，影响放疗的疗效。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种照射剂量确定方法及系统，以解决现有技术中无法针对肿瘤区域内不同生物特征的肿瘤给予照射剂量，影响放疗疗效的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种照射剂量确定方法，包括：利用回顾性标记确定放疗模拟定位影像中感兴趣区域内具有生物特征的像素点；所述放疗模拟定位影像包括计算机断层影像、核磁共振影像以及正电子发射断层影像；所述生物特征包括肿瘤内部的葡萄糖代谢情况、乏氧区域、富氧区域、血管生成情况以及正常组织出现并发症风险的大小；根据所述具有生物特征的像素点提取局部影像组学特征；所述局部影像组学特征包括灰度直方图强度、肿瘤形状特征、纹理特征、高斯型拉普拉斯滤波特征以及小波特征；获取待测局部影像组学特征；根据所述局部影像组学特征识别所述待测局部影像组学特征的阳性区域；对所述阳性区域的外围边界进行三维重建，确定三维图像；所述三维图像为显示所述生物特征的三维图像；根据所述三维图像确定不同区域不同位置的照射剂量。可选的，所述根据所述具有生物特征的像素点提取局部影像组学特征，具体包括：利用逐像素法对所述具有生物特征的像素点逐像素点，采用灰度直方图特征提取法、纹理特征提取法、高斯型拉普拉斯滤波特征提取法以及小波分解特征提取法提取局部影像组学特征。可选的，所述根据所述局部影像组学特征识别所述待测局部影像组学特征的阳性区域，具体包括：对所述局部影像组学特征进行筛选，确定最优特征子集；根据所述最优特征子集建立有监督的机器学习模型；根据所述有监督的机器学习模型识别所述待测局部影像组学特征的阳性区域。可选的，所述对所述局部影像组学特征进行筛选，确定最优特征子集，具体包括：通过特征选择法对所述局部影像组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种照射剂量确定方法，其特征在于，包括：利用回顾性标记确定放疗模拟定位影像中感兴趣区域内具有生物特征的像素点；所述放疗模拟定位影像包括计算机断层影像、核磁共振影像以及正电子发射断层影像；所述生物特征包括肿瘤内部的葡萄糖代谢水平、氧含量水平、血管生成情况以及正常组织出现并发症风险的大小；根据所述具有生物特征的像素点提取局部影像组学特征；所述局部影像组学特征包括灰度直方图强度、肿瘤形状特征、纹理特征、高斯型拉普拉斯滤波特征以及小波特征；获取待测局部影像组学特征；根据所述局部影像组学特征识别所述待测局部影像组学特征的阳性区域；对所述阳性区域的外围边界进行三维重建，确定三维图像；所述三维图像为显示所述生物特征的三维图像；根据所述三维图像确定不同区域不同位置的照射剂量。

【技术特征摘要】
1.一种照射剂量确定方法，其特征在于，包括：利用回顾性标记确定放疗模拟定位影像中感兴趣区域内具有生物特征的像素点；所述放疗模拟定位影像包括计算机断层影像、核磁共振影像以及正电子发射断层影像；所述生物特征包括肿瘤内部的葡萄糖代谢水平、氧含量水平、血管生成情况以及正常组织出现并发症风险的大小；根据所述具有生物特征的像素点提取局部影像组学特征；所述局部影像组学特征包括灰度直方图强度、肿瘤形状特征、纹理特征、高斯型拉普拉斯滤波特征以及小波特征；获取待测局部影像组学特征；根据所述局部影像组学特征识别所述待测局部影像组学特征的阳性区域；对所述阳性区域的外围边界进行三维重建，确定三维图像；所述三维图像为显示所述生物特征的三维图像；根据所述三维图像确定不同区域不同位置的照射剂量。2.根据权利要求1所述的照射剂量确定方法，其特征在于，所述根据所述具有生物特征的像素点提取局部影像组学特征，具体包括：利用逐像素法对所述具有生物特征的像素点逐像素点，采用灰度直方图特征提取法、纹理特征提取法、高斯型拉普拉斯滤波特征提取法以及小波分解特征提取法提取局部影像组学特征。3.根据权利要求1所述的照射剂量确定方法，其特征在于，所述根据所述局部影像组学特征识别所述待测局部影像组学特征的阳性区域，具体包括：对所述局部影像组学特征进行筛选，确定最优特征子集；根据所述最优特征子集建立有监督的机器学习模型；根据所述有监督的机器学习模型识别所述待测局部影像组学特征的阳性区域。4.根据权利要求3所述的照射剂量确定方法，其特征在于，所述对所述局部影像组学特征进行筛选，确定最优特征子集，具体包括：通过特征选择法对所述局部影像组学特征进行筛选，确定最优特征子集；所述特征选择法包括最大相关最小冗余法。5.根据权利要求1所述的照射剂量确定方法，其特征在于，所述根据所述三维图像确定不同区域不同位置的照射剂量，具体包括：根据所述三维图像确定照射剂量参数；所述照射参数包括入射角度、强度以及形状；根据所述照射剂量参数确定不同区域不同位置的照射剂量。6.一种照射剂量确定系统，其特征在于，包括：像素点确定模块，用于利用回顾性标记...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱健，侯震，李振江，于海宁，白曈，尹勇，李宝生，
申请(专利权)人：山东省肿瘤防治研究院山东省肿瘤医院，
类型：发明
国别省市：山东,37