一种设计非共面容积旋转调强放疗计划的方法技术

本发明专利技术公开了一种用于计算机辅助设计非共面容积旋转调强放射治疗(VMAT)计划的方法。其内容包括：从成像设备收集病人患病部位及周边人体组织的医学影像，通过软件组件收集感兴趣区的三维轮廓数据，通过用户输入设备收集总跳数，优化目标和约束条件，以治疗设备跳数作为时间单位，对总跳数做等分并为各等分点随机选择一组机器参数，筛选就并保留任意相邻跳数等分点均满足约束条件的一组机器参数，依据这些机器参数生成一组初始VMAT计划，在满足约束条件的前提下使用一种直接优化算法来更新计划，依据病人数据建立剂量网格并基于剂量网格计算剂量分布，计算目标函数值，重复使用直接优化算法来更新计划直到满足停止条件，输出优化后计划。

A method of designing non coplanar volume rotation intensity modulated radiotherapy plan

【技术实现步骤摘要】
一种设计非共面容积旋转调强放疗计划的方法
本专利技术涉及放射治疗领域医疗器械软件，特别地，涉及一种用于生成经过优化的非共面容积旋转调强放疗(VMAT)的放射治疗计划的方法。
技术介绍
放射治疗是目前广泛用来治疗肿瘤的一种方法。在一个典型的放疗案例中，放疗系统中产生电离射线的设备固定于机架中。放疗系统控制机架转动使该设备产生的电离辐射射束对准空间中的特定点，通常被称为“机器等中心点”。在放射治疗开始前，治疗床承载病人按照计划定位，使得在治疗过程中病人体内的肿瘤始终位于机器等中心点。通常，放疗计划包含一组分期，在每个分期对病人施加放疗计划辐射量的一部分。一个分期计划通常用于描述关于一个或多个“射野”的具体信息，包括：机架位置，用于控制相对于肿瘤位置的辐射能量的路径；准直器设置，用于控制辐射能量束的形状和截面积；辐射束能级；持续时间，用于控制辐射束的照射时间。一个放疗计划应当包括下列信息：肿瘤的密度、体积、外形、朝向以及在人体中的位置，肿瘤与其他器官和人体解剖结构的相对位置，在各治疗分期中用于照射人体的辐射能量的信息，以及此前使用过的治疗措施的信息。放射治疗有多种模式。目前主流的模式是：调强放疗(Intensitymodulatedradiationtherapy，IMRT)。在IMRT中，加速器会随着机架的转动而改变照射角度；每当机架位于计划指定的特定角度时，多叶准直器可依据计划调制射束，从而控制靶区的不同部位的累计照射时间。由此，IMRT可以控制控制每一个射束的辐射密度分布从而在靶区内部形成适形剂量分布。相比之下，以往的三维适形放疗(3DCRT)只能将每个射束作为一个整体来调整其在放疗计划中的权重。IMRT的不足之处是，只能以步进方式选择数量有限的角度来做照射，为使用各种优化方法来改进放疗计划和提高治疗效果留出的余地比较少。随着放疗技术的进步，针对IMRT的一些不足出现了容积旋转调强放疗(VMAT)的技术。在VMAT中，机架可以带着加速器围绕病人转动到任意位置进行照射，而MLC也可以连续地调整叶片位型而不受机架的转动和静止的限制。在这一过程中，加速器的辐射剂量率，准直器的角度和治疗床的角度也能一同做连续的变化。由此，允许机架做最大360度范围的旋转，从而不必像IMRT那样，仅仅局限于从有限的几个角度照射靶区。这使得VMAT方式可以形成适形度比较高的三维剂量分布，有效保护重要器官，以及缩短放疗所用时间，在整体上提高临床放疗的水平。据预计，在五年左右的时间里，VMAT将会取代固定射束IMRT，成为最普及的放疗模式。VMAT方式提供了更好的应用前景，但是VMAT的普及需要首先解决一个复杂的问题：如果设计和优化一个VMAT计划。一个VMAT的计划需要定量描述机器参数的变化过程。这些参数包括：机架角度，MLC叶片位型，治疗床角度，准直器角度，以及机器参数变化过程中MU随时间的变化。这些参数的变化是错综复杂的，因而只能以逆向计划的方式来完成VMAT的计划设计。目前为VMAT做逆向计划主要是基于启发式的近似方法。其中一种方式是：首先，对于预先选定的机架运动弧线，沿着弧线选择一组等间距的角度；然后，对于每一个射束设计一组MLC叶片的位型，以便通过滑窗方式使用ML对射束做调制从而得到指定的能量通量；最后，依据近似的插值方法，依次将各角度上的MLC叶片位型沿着预定弧线分散放置，得到以滑窗方式进行放射治疗的的VMAT计划。当前的VMAT计划设计方式的另一个不足是：当前的方法主要适用于设计共面VMAT计划。在一个共面VMAT计划中，治疗床的角度固定为零度，机架运动弧线主要位于一个横断面中。这一方式简化了VMAT的设计和实施放疗的过程，但是也减少了对VMAT计划做进一步优化来提高计划质量的余地。然而，在计划优化方法中考虑机架、治疗床和准直器的同步运动，会大大提高复杂程度，因而需要更有效的优化方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于做非共面容积弧形调强放疗(VMAT)的放射治疗计划的方法，该方法使用了机器参数直接优化的方法对计划做优化。该方法的步骤包括：从成像设备收集关于肿瘤病人的患病部位及周边人体组织的医学影像数据；通过软件组件收集感兴趣区的三维轮廓数据，通过用户输入设备收集计划的总跳数、优化目标和约束条件；以治疗设备跳数作为时间单位，对总跳数做时间等分；为各等分时刻点随机选择一组机器参数，若任意相邻时刻的机器参数违反接收到的约束条件则舍去；若所选机器参数满足约束条件时，依据这些机器参数生成一组初始旋转容积调强放射治疗(VMAT)计划；在计划的机器参数满足约束条件的前提下，使用一种直接优化算法来更新计划中的机器参数；依据病人数据建立剂量网格，并基于剂量网格计算剂量分布；计算目标函数值，如果计算结果符合停止条件，则将该治疗计划传递到计划评估组件中；否则，重复计划优化过程。在一些实施例中，成像设备可以使用下列的一种或多种方式来生成医学影像，这些方式包括：电子计算机断层扫描(CT)，正电子发射断层成像(PET)，超声波，单光子发射计算体层摄影(SPECT)或磁共振成像(MRI)。在一些实施例中，用于接收感兴趣区的三维轮廓数据的软件组件可以是一个放疗计划系统软件(TPS)的组成部分，也可以是医生用来基于病人的医学影像数据来勾画感兴趣区的独立软件。在一些实施例中，用户输入设备可以是用于输入的、带有图形用户界面的终端，或用于输入的、基于文本的终端，或一个计算机文件。在一些实施例中，机器参数包括但不限于：机架角度、治疗床角度、准直器角度、MLC叶片位型、机器放射剂量率。在一些实施例中，约束条件包括一种或多种机器约束条件和剂量约束条件。在一些实施例中，机器约束条件包括最大机架转动速度、最大治疗床转动速度，最大准直器转动速度，最大MLC叶片移动速度和加速度，以及机架、治疗床和MLC的可移动范围。在一些实施例中，剂量约束条件包括一种或多种对机器放射剂量率提出的限制。在一些实施例中，目标函数是一组次级目标函数的线性组合；而每个次级目标函数用于评估指定感兴趣区。在一些实施例中，次级目标函数是一个线性函数或非线性函数，其自变量包括：针对指定感兴趣区的放射剂量率、剂量体积直方图(DVH)、最大放射剂量限制、最小放射剂量限制、平均放射剂量限制和有效均一剂量(EUD)。在一些实施例中，直接优化算法可以是基于目标函数求导的方法，或不基于目标函数求导的方法。在一些实施例中，不基于目标函数求导的直接优化方法可以是下列方法中的一种，包括：局部搜索方法、禁忌搜索方法、模拟退火方法、遗传算法、演化搜索算法和粒子群优化方法。在一些实施例中，基于目标函数求导的直接优化方法可以是下列方法中的一种，包括：共轭梯度法、牛顿法。与现有技术相比，这种用于设计非共面容积弧形调强放疗(VMAT)的放射治疗计划的方法弥补了现有原始了共面VMAT计划设计方式的困难，从VMAT放疗计划设计领域的第一性原理出发来设计能对做非共面运动的治疗机头的机器参数做直接优化的方法，有效地处理了各类机器参数之间的耦合关系。非共面容积弧形调强放疗(VMAT)计划在全身多种肿瘤治疗中，比传统共面调强放疗、非共面调强放疗、共面容积弧形调强放疗VMAT有更好的规避重要器官的能力。肿瘤周围重要器官的超额剂量与神经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于容积旋转调强放射治疗(VMAT)计划设计的方法，步骤包括：从成像设备收集关于肿瘤病人的患病部位及周边人体组织的医学影像数据；通过软件组件收集感兴趣区的三维轮廓数据，通过用户输入设备收集计划的总跳数、优化目标和约束条件；以治疗设备跳数作为时间单位，对总跳数做时间等分；为各等分时刻点随机选择一组机器参数，若任意相邻时刻的机器参数违反接收到的约束条件则舍去；若所选机器参数满足约束条件时，依据这些机器参数生成一组初始旋转容积调强放射治疗(VMAT)计划；在计划的机器参数满足约束条件的前提下，使用一种直接优化算法来更新计划中的机器参数；依据病人数据建立剂量网格，并基于剂量网格计算剂量分布；计算目标函数值，如果计算结果符合停止条件，则将该治疗计划传递到计划评估组件中；否则，重复计划优化过程。

【技术特征摘要】
1.一种用于容积旋转调强放射治疗(VMAT)计划设计的方法，步骤包括：从成像设备收集关于肿瘤病人的患病部位及周边人体组织的医学影像数据；通过软件组件收集感兴趣区的三维轮廓数据，通过用户输入设备收集计划的总跳数、优化目标和约束条件；以治疗设备跳数作为时间单位，对总跳数做时间等分；为各等分时刻点随机选择一组机器参数，若任意相邻时刻的机器参数违反接收到的约束条件则舍去；若所选机器参数满足约束条件时，依据这些机器参数生成一组初始旋转容积调强放射治疗(VMAT)计划；在计划的机器参数满足约束条件的前提下，使用一种直接优化算法来更新计划中的机器参数；依据病人数据建立剂量网格，并基于剂量网格计算剂量分布；计算目标函数值，如果计算结果符合停止条件，则将该治疗计划传递到计划评估组件中；否则，重复计划优化过程。2.权利要求1所述的成像设备可以使用下列的一种或多种方式生成医学影像，这些方式包括：电子计算机断层扫描(CT)，正电子发射断层成像(PET)，超声波，单光子发射计算体层摄影(SPECT)或磁共振成像(MRI)。3.权利要求1所述的用于接收感兴趣区的三维轮廓数据的软件组件可以是一个放疗计划系统软件(TPS)的组成部分，也可以是医生用来基于病人的医学影像数据来勾画感兴趣区的独立软件。4.权利要求1所述的用户输入设备可以是用于输入的、带有图形用户...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴建荣，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：戴建荣，
类型：发明
国别省市：北京,11