近距离放射治疗计划设计系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种近距离放射治疗计划设计系统和方法，该设计系统包括：施源器型号导入模块，用于导入可使用的施源器型号；插植针道设计模块，用于对插植导板的针道布局进行设计以获得插植针道设计信息，插植针道设计模块包括：插植针道可行解空间确定模块，用于基于患者影像信息确定插植针道可行解空间；插植针道优化模块，用于基于针道优化因素，从可行解空间中筛选出多组插植针道；剂量体积优化模块，用于对导入型号的施源器以及多组插植针道进行剂量分布优化，以选出剂量体积最优的施源器型号和/或一组插植针道；3D打印插植导板设计模块，用于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。

【技术实现步骤摘要】
近距离放射治疗计划设计系统和方法
本专利技术涉及放射治疗计划的设计，尤其涉及一种近距离放射治疗计划设计系统和方法。
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植放疗，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。研究提示使用腔内结合组织间插植技术是提高大体积肿瘤局控率的关键。目前在欧洲某些单位已经有30％～40％患者接受腔内与插植结合技术。我国宫颈癌图像引导三维近距离后装治疗中国专家共识中提到，施源器的选择原则应根据患者解剖结构特点选择合适的阴道穹隆与宫腔管施源器，当腔内治疗剂量分布不能满足靶区处方剂量及危及器官剂量限值要求时，建议联合使用组织间插植治疗。基于患者影像判断肿瘤体积、形状以及其变化，对选择施源器的类型、是否结合组织间插植、是否需要三维打印技术设计个体化施源器具有重要指导意义。制定治疗方案时，需要根据肿瘤体积、形状、位置，选择适宜的宫腔管、穹隆施源器及插植针。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标准模板插植，如MUPIT模板、Syed-Neblett模板以及腔内联合插植的Venezia插植方式，而国内几乎不使用标准模板，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个性化模板。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.近距离照射如何选择施源器的类型、是否结合组织间插植、是否需要三维打印技术设计个体化施源器，以及插植针道的数量、插针方向、深度，目前都还主要依赖于临床医生的临床经验进行，具有一定的主观性和不确定性，难以进行规范化推广。2.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，但部分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。3.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。4.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。因此，需要采用客观的优化算法，充分利用计算机技术，采用客观的评价指标，替代人工的经验，使得近距离照射计划，在提高靶区照射剂量同时尽可能降低危及器官受照剂量，为临床患者带来更高的临床受益。
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近距离放射治疗计划设计系统和方法，其通过对施源器型号的选取和组织间插植针道的设置进行优化，设计合理的术前计划，并由此术前计划生成对应的个性化的3D打印插植导板，从而使得在将其应用于后续内照射计划时，能够在提高靶区照射剂量的同时，降低危及器官受照剂量，并且降低手术风险，提高了分次间的重复性。针对此，本专利技术公开了一种近距离放射治疗计划设计系统，其包括如下模块：施源器型号导入模块，用于导入可使用的施源器型号；插植针道设计模块，用于对插植导板的针道布局进行设计以获得插植针道设计信息，所述插植针道设计模块包括：插植针道可行解空间确定模块，用于基于患者影像信息确定插植针道可行解空间；插植针道优化模块，用于基于针道优化因素，从由所述可行解空间确定模块确定的可行解空间中筛选出多组插植针道；剂量体积优化模块，用于对导入型号的施源器以及所述多组插植针道进行剂量分布优化，以选出剂量体积最优的施源器型号和/或一组插植针道；3D打印插植导板设计模块，用于基于由所述插植针道设计模块提供的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，所述插植针道设计模块还包括：插植针道微调模块，用于对由所述剂量体积优化模块选出的最优的一组插植针道进行进一步的微调，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，所述系统还包括：插植重建优化模块，用于通过对所选出的相应型号的施源器和/或插插植针道进行重建，获取相应的重建影像信息，并基于重建影像信息对所选出的相应型号的施源器和/或插植针道的剂量分布进行进一步优化。进一步地，所述系统还包括：患者影像信息导入模块，用于导入患者影像信息；以及剂量处方和限值设置模块，用于设置放射治疗剂量处方及危及器官剂量限量信息。进一步地，所述插植针道可行解空间确定模块按照如下步骤确定插植针道可行解空间：基于患者影像信息勾画肿瘤区域以确定能够进行插针的布针入射面，并且勾画避让组织区域以在布针的时避开避让组织区域；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)穿过需要保护的避让组织区域，则认为该针道不是一个可行针道，删掉该针道。进一步地，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，所述插植针道优化模块基于所述针道优化因素设定如下插植针道优化目标函数：F(Ap)＝α·fC(Ap)+β·fD(Ap)+γ·fV(Ap)其中，fC(Ap)＝∑C(Api)，表示针道的插植路径对目标函数的贡献；fD(Ap)＝∑D(Api)，表示针道距离周围正常组织的距离贡献；fV(Ap)＝∑V(Api)，表示针道在靶区内均匀分布度的贡本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种近距离放射治疗计划设计系统，其特征在于，包括如下模块：/n施源器型号导入模块，用于导入可使用的施源器型号；/n插植针道设计模块，用于对插植导板的针道布局进行设计以获得插植针道设计信息，所述插植针道设计模块包括：/n插植针道可行解空间确定模块，用于基于患者影像信息确定插植针道可行解空间；/n插植针道优化模块，用于基于针道优化因素，从由所述可行解空间确定模块确定的可行解空间中筛选出多组插植针道；/n剂量体积优化模块，用于对导入型号的施源器以及所述多组插植针道进行剂量分布优化，以选出剂量体积最优的施源器型号和/或一组插植针道；/n3D打印插植导板设计模块，用于基于由所述插植针道设计模块提供的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。/n

【技术特征摘要】
1.一种近距离放射治疗计划设计系统，其特征在于，包括如下模块：
施源器型号导入模块，用于导入可使用的施源器型号；
插植针道设计模块，用于对插植导板的针道布局进行设计以获得插植针道设计信息，所述插植针道设计模块包括：
插植针道可行解空间确定模块，用于基于患者影像信息确定插植针道可行解空间；
插植针道优化模块，用于基于针道优化因素，从由所述可行解空间确定模块确定的可行解空间中筛选出多组插植针道；
剂量体积优化模块，用于对导入型号的施源器以及所述多组插植针道进行剂量分布优化，以选出剂量体积最优的施源器型号和/或一组插植针道；
3D打印插植导板设计模块，用于基于由所述插植针道设计模块提供的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。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述插植针道设计模块还包括：
插植针道微调模块，用于对由所述剂量体积优化模块选出的最优的一组插植针道进行进一步的微调，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所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
插植重建优化模块，用于通过对所选出的相应型号的施源器和/或插植针道进行重建，获取相应的重建影像信息，并基于重建影像信息对所选出的相应型号的施源器和/或插植针道的剂量分布进行进一步优化。


4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
患者影像信息导入模块，用于导入患者影像信息；以及
剂量处方和限值设置模块，用于设置放射治疗剂量处方及危及器官剂量限量信息。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，所述插植针道可行解空间确定模块按照如下步骤确定插植针道可行解空间：
基于患者影像信息勾画肿瘤区域以确定能够进行插针的布针入射面，并且勾画避让组织区域以在布针时避开避让组织区域；
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)穿过需要保护的避让组织区域，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1至4中任一项所述的系统，其特征在于，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，所述插植针道优化模块基于所述针道优化因素设定如下插植针道优化目标函数：
F(Ap)...

【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