插植导板设计方法和插植导板技术

本发明专利技术提供一种插植导板设计方法和插植导板，插植导板设计方法包括如下步骤：S1：基于患者影像信息，确定可行解空间；S2：基于针道优化因素，从步骤S1中确定的可行解空间中筛选出多组针道设计；S3：对在步骤S2中筛选出的多组针道设计进行剂量优化，以选出剂量体积最优的一组针道设计。本发明专利技术的插植导板设计方法通过采用客观的评价指标来代替人工的经验，对插植导板的针道设计进行优化，从而获得个性化插植导板，该个性化插植导板在应用于内照射计划时，能够在提高靶区照射剂量同时最大程度地降低危及器官受照剂量。

【技术实现步骤摘要】
插植导板设计方法和插植导板
本专利技术涉及用于近距离放射治疗的插植导板，尤其涉及一种插植导板设计方法和插植导板。
技术介绍
近距离放射治疗也称内照射，它与外照射(远距离照射)相对应，是将封装好的放射源通过施源器或输源导管直接植入患者的肿瘤部位进行照射。用于近距离放射治疗的放射源强度较小，射线有效治疗距离短，其大部分能量被肿瘤组织吸收。放射源周围的剂量分布，是按照与放射源之间距离的平方而下降—平方反比定律。近距离放射治疗很少单独使用，一般作为外照射的辅助治疗手段，可以给予特定部位较高的剂量进而提高肿瘤的局部控制率，提高患者的生存质量。近距离放疗一般分为腔内后装治疗和组织间插值放疗，以及两者联合使用；组织间插植放射治疗是根据肿瘤大小与形状，将放射源通过数根金属插植针直接插入肿瘤内部进行高剂量照射，疗效显著，推荐用于局部复发、残留病灶、宫旁及阴道受侵无法进行腔内后装治疗的患者。国外为保证插植针进针的精确性，大多采取患者全身麻醉条件下经会阴模板插植，如MUPIT模板、Syed-Neblett模板以及腔内联合插植的Venezia插植方式，而国内几乎不使用模板，采用局部麻醉下徒手插植。近年来，3D打印的技术，使得近距离治疗中的针道定位具有很好的重复性，可将打印材料与生物相容性材料搭配使用来打造个体化近距离治疗模具。全球插植模式仍处于发展和探索阶段，如何合理利用组织间插植技术与放疗医师的技能水平、各单位设施条件、医疗环境等密切相关。1.会阴模板可以指导插植针的进针方向，对盆腔周围正常组织起到一定的保护作用，但我国研究者认为阴道模板会占据阴道体积影响操作视野，另外模板类型单一，适形性较差，固定损伤较大，故多采用徒手方式进行布针操作。2.我国采用局部麻醉下徒手插植，操作相对方便灵活，便于开展和推广，但由于没有插植模板的引导，加之局部麻醉时患者痛觉反应恢复较快，对插植操作干扰性很大，常常会出现插植针分布不均匀，若反复穿插会增加病人的痛苦、造成周围组织损伤、出血增多，所以徒手插植操作需要临床医生具备丰富的经验和熟练的技能。3.近年来，3D打印的技术，使得近距离治疗中的针道定位具有了较好的重复性，但针道选择还是取决于临床医生的个人经验，个体化差异明显，限制了后续驻留点时间优化的空间，无法达到最优的靶区照射剂量和对危及器官的保护。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种插植导板设计方法和插植导板，其通过采用客观的评价指标来代替人工的经验，对插植导板的针道设计进行优化，从而获得个性化插植导板，该个性化插植导板在应用于内照射计划时，能够在提高靶区照射剂量同时最大程度地降低危及器官受照剂量。具体地，本专利技术公开了一种插植导板设计方法，其包括如下步骤：S1：基于患者影像信息，确定可行解空间；S2：基于针道优化因素，从步骤S1中确定的可行解空间中筛选出多组针道设计；S3：对在步骤S2中筛选出的多组针道设计进行剂量优化，以选出剂量体积最优的一组针道设计。进一步地，所述方法还包括步骤：S4：对在步骤S3中选出的最优的一组针道设计进行进一步的微调，以达到更好的剂量体积分布，其中，微调范围不超过5mm。进一步地，所述方法还包括如下步骤：S5：获得插植针道设计信息，并基于插植针道设计信息进行3D打印插植导板设计，以供3D打印机打印制作插植导板。进一步地，在步骤S1中，通过勾画肿瘤区域确定能够进行插针的布针入射面，并且勾画危及器官以在布针的时避开危及器官，来确定可行解空间。进一步地，在步骤S1中，按照如下步骤确定可行解空间：计算所述布针入射面上的中心点S0，计算肿瘤中心点E0，其中，S0和E0的连线为中轴线K；将所述布针入射面沿所述中轴线K进行投影变换，将投影面划分为N个面积相近的圆形，N为大于1的整数(具体大小取决于布阵入射面投影面面积)，记所有圆心为Ci，将Ci反投影回所述布针入射面，记为Si，若Si属于可布针点，则加入到起始点集合中；将肿瘤区域轮廓沿所述中轴线K进行投影变换，将投影面划分为N个面积相近的圆形，记所有圆心为Oi，将Oi反投影回入肿瘤区域上，记离入射面较远的点为Ei，将Ei加入到终止点集合中；分别从起始点集合和终止点集合中选出Si和Ej，则记(Si,Ej)为一个针道，若(Si,Ej)穿过需要保护的危及器官，则认为该针道不是一个可行针道，删掉该针道。进一步地，步骤S2中的所述针道优化因素包括：插植路径较短、距离周围正常组织较远以及针道在靶区内分布均匀。进一步地，在步骤S2中，基于所述针道优化因素设定针道优化目标函数：F(Ap)＝α·fC(Ap)+β·fD(Ap)+γ·fV(Ap)其中，fC(Ap)＝∑C(Api)，表示所有针道的插值路径对目标函数的贡献；fD(Ap)＝∑D(Api)，表示所有针道距离周围正常组织的距离贡献；fV(Ap)＝∑V(Api)，表示所有针道在靶区内均匀分布度的贡献；Api＝(Si,Ei)为第i根针道，Si＝(sxi,syi,szi)为第i根针道入射点三维坐标，Ei＝(exi,eyi,ezi)为第i根针道结束点三维坐标，α，β，γ为权重，C(Api)表示第i个针道的插值路径对目标函数的贡献，D(Api)表示第i个针道距离周围正常组织的距离贡献，V(Api)表示第i个针道在靶区内均匀分布度的贡献，通过所述针道优化目标函数，从步骤S1确定的可行解空间中选出较优的多组针道设计。进一步地，在步骤S3中，通过设定剂量优化目标函数，以针对步骤S2中的每组针道设计进行驻留点时间优化，以选择出剂量体积最优的一组针道设计，所述剂量优化目标函数为：Fobj(Ap(t))＝α·FOAR(Ap(t))+β·FPTV(Ap(t))其中，为与危及器官相关的目标函数贡献，为与靶区相关的目标函数贡献，为当前针道组中所有驻留点对第j个组织点的剂量贡献，DLj为对靶区限定的最低剂量限值，DHj为对危及器官限定的最高剂量限值，dwjk为当前针道组中的第k个驻留点在第j个组织点的剂量率贡献，tk为当前针道组中第k个驻留点的驻留时间，NOAR为危机器官OAR的个数，NTi为第i个危机器官OAR中的采样点数，Nptv为PTV靶区的数量，Ntari为第i个PTV靶区中的采样点数，α、β为权重，ωj为第j个点的权重，Ap(t)为包含有一组插植针道的解。进一步地，在步骤S4中，基于所述剂量优化目标函数，对在步骤S3中选出的最优的一组针道设计进行进一步微调，以获得更优的剂量体积分布。本专利技术还提供了一种插植导板，其通过如上所述的插植导板设计方法来设计制作。附图说明图1是本专利技术的插植导板设计方法的流程图；图2是本专利技术的3D打印插植导板的设计流程图；图3是本专利技术的3D打印插值导板的示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种插植导板设计方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：基于患者影像信息，确定可行解空间；/nS2：基于针道优化因素，从步骤S1中确定的可行解空间中筛选出多组针道设计；/nS3：对在步骤S2中筛选出的多组针道设计进行剂量优化，以选出剂量体积最优的一组针道设计。/n

【技术特征摘要】
1.一种插植导板设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：基于患者影像信息，确定可行解空间；
S2：基于针道优化因素，从步骤S1中确定的可行解空间中筛选出多组针道设计；
S3：对在步骤S2中筛选出的多组针道设计进行剂量优化，以选出剂量体积最优的一组针道设计。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
S4：对在步骤S3中选出的最优的一组针道设计进行进一步的微调，以达到更好的剂量体积分布，其中，微调范围不超过5mm。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
S5：获得插植针道设计信息，并基于插植针道设计信息进行3D打印插植导板设计，以供3D打印机打印制作插植导板。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，通过勾画肿瘤区域确定能够进行插针的布针入射面，并且勾画危及器官以在布针的时避开危及器官，来确定可行解空间。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，按照如下步骤确定可行解空间：
计算所述布针入射面上的中心点S0，计算肿瘤中心点E0，其中，S0和E0的连线为中轴线K；
将所述布针入射面沿所述中轴线K进行投影变换，将投影面划分为N个面积相近的圆形，N为大于1的整数，记所有圆心为Ci，将Ci反投影回所述布针入射面，记为Si，若Si属于可布针点，则加入到起始点集合中；
将肿瘤区域轮廓沿所述中轴线K进行投影变换，将投影面划分为N个面积相近的圆形，记所有圆心为Oi，将Oi反投影回入肿瘤区域上，记离入射面较远的点为Ei，将Ei加入到终止点集合中；
分别从起始点集合和终止点集合中选出Si和Ej，则记(Si,Ej)为一个针道，若(Si,Ej)穿过需要保护的危及器官，则认为该针道不是一个可行针道，删掉该针道。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S2中的所述针道优化因素包括：插植路径较短、距离周围正常组织较远以及针道在靶区内分布均匀。


7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，基于所述针道优化因素设定针道优化目标...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈友恒，
申请(专利权)人：苏州普能医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32