一种基于剂量预评估的自适应放疗剂量调强优化计算方法技术

本发明专利技术提供的一种基于剂量预评估的自适应放疗剂量调强优化计算方法，涉及医疗技术领域。本发明专利技术通过构建病人身体的数字化模型并用于放疗剂量计算的研究，将身体划分为体元，并将体元作为研究调强放疗剂量计算的最小单元，通过自适应改变体元处方剂量的方法来进行：首先是根据剂量预评估值和约束条件确认调强计划方案的可行性，在存在可行性的情况下再通过约束条件选择合适的初始处方剂量，改变射束强度后进行剂量计算并使用评价函数来进行评价，若评价函数优于之前值，则保存新的射束强度并更新体元的处方剂量，再次进行迭代直到满足优化退出条件得到最终的射束强度分布。化退出条件得到最终的射束强度分布。化退出条件得到最终的射束强度分布。

【技术实现步骤摘要】
一种基于剂量预评估的自适应放疗剂量调强优化计算方法


[0001]本专利技术涉及医疗
，尤其涉及一种基于剂量预评估的自适应放疗剂量调强优化计算方法。

技术介绍

[0002]肿瘤放射治疗是利用放射线治疗肿瘤的一种局部治疗方法。放射线包括放射性同位素产生的α、β、γ射线和各类x射线治疗机或加速器产生的x射线、电子线、质子束及其他粒子束等。大约70％的癌症患者在治疗癌症的过程中需要用放射治疗。放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出，已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一。
[0003]放射治疗的疗效取决于放射敏感性，不同组织器官以及各种肿瘤组织在受到照射后出现变化的反应程度各不相同。放射敏感性与肿瘤细胞的增殖周期和病理分级有关，即增殖活跃的细胞比不增殖的细胞敏感，细胞分化程度越高放射敏感性越低，反之愈高。
[0004]IMRT是一种先进的高精度放射线疗法，它利用计算机控制的X光加速器去向恶性肿瘤或肿瘤内的特定区域发射精确的辐射剂量。IMRT可根据肿瘤的3D形状通过调节(或控制)辐射的强度使辐射剂量更加准确。IMRT也可对肿瘤内的区域通过聚焦施加更高的辐射剂量，而使周围的正常组织接收最小的辐射剂量。这种放疗需要通过CT的3D重建图像与患者的协同被小心地设计、决定最适于肿瘤形状的放射剂量强度图形。一般方法是结合几个已调制的来自不同方向的放射线束产生一个自定义的单一辐射，在使肿瘤的辐射剂量最大化的同时保护临近的正常组织。
[0005]根据优化对象的不同，IMRT分为基于器官的优化和基于体元的优化。基于器官的优化是把处方剂量和权重因子给定在器官水平上，特定器官内的所有体元在目标函数中被平等对待。因为这些参数与最终剂量分布之间缺乏明确的关系，所以确定这些参数本质上是一个“猜测”游戏，经常需要多次试错过程，计划质量和计划设计效率非常依赖物理师的临床经验。
[0006]与基于器官的优化不同，基于体元的优化直接调整目标函数中与每个体元相关的参数，基于体元的优化能够比基于器官的优化得到更优的剂量分布。因此，有必要提出一种基于剂量预评估的自适应放疗剂量调强优化计算方法来解决上述技术问题。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于剂量预评估的自适应放疗剂量调强优化计算方法，通过扫描病人身体并得到病人数字化的身体模型；所述数字化的身体模型以栅格形式进行划分，将最小划分单元定义为体元，并生成体元库，所述体元库中存储有各体元的体元编号和体元属性；其中，体元编号和体元属性以<Key,Value>映射表的形式进行存储，所述体元唯一对应体元编号，所述体元编号唯一对应体元属性；所述体元属性中保存着对应体元编号的体元权重、体元坐标、体元隶属器官和体元处方剂量。
[0008]作为更进一步的解决方案，通过医师确定病人的病灶，并将病人病灶所处位置定
义为靶区；将对靶区进行放疗时，放疗危及正常器官的区域定义为危及器官区；
[0009]将数字化的身体模型输入到三维放射治疗计划系统软件中，所述三维放射治疗计划系统软件能对放疗进行计算机模拟计算；物理师根据病人病灶情况和医生给出的处方制定放疗计划的输入参数，其中，输入参数包括射野参数和器官约束条件参数；
[0010]通过设置放疗计划的射野参数能对数字化的身体模型进行对应剂量预评估计算，通过剂量预评估计算能得到靶区和危及器官区中各体元的放疗剂量预评估值。
[0011]作为更进一步的解决方案，所述剂量预评估计算各体元的放疗剂量预评估值的计算步骤如下：
[0012]获取加速器限束装置的剂量跌落系数k(l)，表示为距离射野边缘l处的剂量与射野边缘剂量的百分比，其计算公式为：
[0013]k(l)＝(D0‑
D
l
)/D0×
100％
[0014]式中，D0表示射野边缘剂量，D
l
表示射野外距离为l处的剂量；D0、D
l
通过实测得到；
[0015]通过体元属性中的体元坐标，计算危及器官区体元j与靶区的最小距离l
j
；
[0016]通过公式：dpre
j
＝D
×
k(l
j
)计算危及器官区各体元的放疗剂量预评估值；其中，dpre
j
表示体元j的预评估剂量，l
j
表示危及器官区各体元j与靶区的最小距离，D表示靶区的处方剂量，k(l
j
)表示剂量跌落系数。
[0017]作为更进一步的解决方案，将危及器官约束条件参数输入，每一个约束条件都由剂量D
RC
、体积比例V
RC
、权重w和约束类型Type组成；根据危及约束条件参数以及计算出的预评估剂量进行约束条件是否合理的判断，所述判断通过如下步骤确定：
[0018]对危及器官的任意一个约束条件；
[0019]通过设定器官约束条件中设置的体积比例V
RC
，计算出需要进行判断的体元数量N
RC
；
[0020]N
RC
＝N
tot
*V
RC
其中N
tot
为约束条件所属器官的体元总数；
[0021]通过预评估剂量以及约束条件中的剂量D
RC
，找出预评估剂量小于或等于D
RC
的体元总
[0022]数N
pre
；
[0023]判断N
RC
与N
pre
的大小关系；
[0024]若N
RC
>N
pre
，则约束条件不合理,需修改约束条件；
[0025]若N
RC
≤N
pre
，则约束条件合理,符合优化计算要求。
[0026]作为更进一步的解决方案，优化计算前需进行体元处方剂量初始化，靶区体元的初始处方剂量和权重设置为该靶区约束条件的剂量和权重；危及器官体元初始处方剂量则按照预评估剂量从小到大找出N
RC
个体元将他们的处方剂量设置为D
RC
，体元权重等于约束条件权重w，其余未选择到的体元权重设置为0不参与处方剂量自适应更新。
[0027]作为更进一步的解决方案，在优化迭代时对处方剂量进行自适应更新，自适应更新通过如下步骤进行：
[0028]改变射野内射束的强度；
[0029]计算新射束在人体内的剂量分布，剂量分布结合评价函数，通过评价函数来衡量计算
[0030]剂量与处方剂量之间的差距；
[0031]计算评价函数，得到评价差距；
[0032]若评价差距变大，则将当前射束强度还原为上一次迭代值；
[0033]若评价差距变小，则保存当前射束强度；
[0034]作为更进一步的解决方案，所述评价函数为：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于剂量预评估的自适应放疗剂量调强优化计算方法，其特征在于，通过扫描病人身体并得到病人数字化的身体模型；所述数字化的身体模型以栅格形式进行划分，将最小划分单元定义为体元，并生成体元库，所述体元库中存储有各体元的体元编号和体元属性；其中，体元编号和体元属性以＜Key，Value＞映射表的形式进行存储，所述体元唯一对应体元编号，所述体元编号唯一对应体元属性；所述体元属性中保存着对应体元编号的体元权重、体元坐标、体元隶属器官和体元处方剂量。2.根据权利要求1所述的一种基于剂量预评估的自适应放疗剂量调强优化计算方法，其特征在于，通过医师确定病人的病灶，并将病人病灶所处位置定义为靶区；将对靶区进行放疗时，放疗危及正常器官的区域定义为危及器官区；将数字化的身体模型输入到三维放射治疗计划系统软件中，所述三维放射治疗计划系统软件能对放疗进行计算机模拟计算；物理师根据病人病灶情况和医生给出的处方制定放疗计划的输入参数，其中，输入参数包括射野参数和器官约束条件参数；通过设置放疗计划的射野参数能对数字化的身体模型进行对应剂量预评估计算，通过剂量预评估计算能得到靶区和危及器官区中各体元的放疗剂量预评估值。3.根据权利要求2所述的一种基于剂量预评估的自适应放疗剂量调强优化计算方法，其特征在于，所述剂量预评估计算各体元的放疗剂量预评估值的计算步骤如下：获取加速器限束装置的剂量跌落系数k(l)，表示为距离射野边缘l处的剂量与射野边缘剂量的百分比，其计算公式为：k(l)＝(D0‑
D
l
)/D0×
100％式中，D0表示射野边缘剂量，D
l
表示射野外距离为l处的剂量；D0、D
l
通过实测得到；通过体元属性中的体元坐标，计算危及器官区体元j与靶区的最小距离l
j
；通过公式：dpre
j
＝D
×
k(l
j
)计算危及器官区各体元的放疗剂量预评估值；其中，dpre
j
表示体元j的预评估剂量，l
j
表示危及器官区体元j与靶区的最小距离，D表示靶区的处方剂量，k(l
j
)表示剂量跌落系数。4.根据权利要求3所述的一种基于剂量预评估的自适应放疗剂量调强优化计算方法，其特征在于，将危及器官约束条件参数输入，每一个约束条件都由剂量D
RC
、体积比例V
RC
、权重w和约束类型Type组成；根据危及约束条件参数以及计算出的预评估剂量进行约束条件是否合理的判断，所述判断通过如下步骤确定：对危及器官的任意一个约束条件；通过设定器官约束条件中设置的体积比例V
RC
，计算出需要进行判断的体元数量N
RC
；N
RC
＝N
tot
*V
RC
其中N
tot
为约束条件所属器官的体元总数；通过预评估剂量以及约束条件中的剂量D
RC<...

【专利技术属性】
技术研发人员：勾成俊，吴章文，付凤强，
申请(专利权)人：成都奇林科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：