基于多阶段高斯伪谱法的癌症化疗智能监测与优化给药系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多阶段高斯伪谱法的癌症化疗智能监测与优化给药系统，包括，肿瘤大小监测模块和肿瘤部位药物浓度检测模块一端与数据指标显示模块电连接，另一端与药物作用下肿瘤生长模型拟合模块电连接，药物作用下肿瘤生长模型拟合模块再与癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块连接；耐药细胞数检测模块和心脏毒性检测模块一端与数据指标显示模块电连接，另一端与癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块连接；癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块与数据处理模块连接，数据处理模块再与抗癌药物给定模块连接，抗癌药物给定模块与数据指标显示模块连接。使用本系统医生可实时查看化疗进程中相应的指标值，系统计算出抗癌药物给定值。统计算出抗癌药物给定值。统计算出抗癌药物给定值。

【技术实现步骤摘要】
基于多阶段高斯伪谱法的癌症化疗智能监测与优化给药系统


[0001]本专利技术属于化疗给药优化控制领域，涉及一种基于多阶段高斯伪谱法的癌症化疗智能监测与优化给药系统。

技术介绍

[0002]随着癌症的病发率逐年提高，如何更有效地治疗癌症正引起广泛的关注。化疗作为最有效治疗癌症的手段之一，各领域的工作者对于其相关的研究方兴未艾。一种能够实时监测化疗过程及进行优化给药的系统对于提升化疗的效果以及降低化疗的成本具有重要意义。
[0003]因此，研究高效的控制算法来实现抗癌药物的优化调度及化疗过程相关指标监测，对于提升癌症患者的生存时间及生活质量具有重大的理论价值和有效的应用价值。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术涉及一种基于多阶段高斯伪谱法的癌症化疗智能监测与优化给药系统，当处于癌症化疗进程时，医生可以实时查看化疗进程中相应的指标值，系统根据相应数据所计算出的抗癌药物给定值进行优化给药，使得人工量和治疗成本大大降低，并且能够更好地辅助医生掌握治疗进程，把握治疗效果。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于多阶段高斯伪谱法的癌症化疗智能监测与优化给药系统，包括，肿瘤大小监测模块、肿瘤部位药物浓度检测模块、药物作用下肿瘤生长模型拟合模块、耐药细胞数检测模块、心脏毒性检测模块、癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块、数据处理模块、抗癌药物给定模块及数据指标显示模块，所述肿瘤大小监测模块和肿瘤部位药物浓度检测模块一端与数据指标显示模块电连接，另一端与药物作用下肿瘤生长模型拟合模块电连接，药物作用下肿瘤生长模型拟合模块再与癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块连接；耐药细胞数检测模块和心脏毒性检测模块一端与数据指标显示模块电连接，另一端与癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块连接；癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块与数据处理模块连接，数据处理模块再与抗癌药物给定模块连接，抗癌药物给定模块与数据指标显示模块连接；其中，
[0006]所述肿瘤大小监测模块，用于实时检测肿瘤细胞数，并输入药物作用下肿瘤生长模型拟合模块；
[0007]所述肿瘤部位药物浓度检测模块，用于检测肿瘤部位抗癌药物浓度，并输入药物作用下肿瘤生长模型拟合模块；
[0008]所述药物作用下肿瘤生长模型拟合模块，用于根据肿瘤细胞数和肿瘤部位抗癌药物浓度拟合出肿瘤生长模型；
[0009]所述耐药细胞数检测模块，用于检测化疗进程中的肿瘤耐药细胞数，并输入癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块；
[0010]所述心脏毒性检测模块，用于检测化疗进程中的心脏毒性，并输入癌症化疗优化
给药模型与性能参数设定模块；
[0011]所述癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块，用于建立癌症化疗优化给药模型，并设定化疗优化给药模型的初始参数、调整化疗进程中的参数；
[0012]所述数据处理模块，用于根据多阶段高斯伪谱法将癌症化疗时间转化为具有高斯分布的离散点列，对时间分段上对应的变量进行离散近似，求解得出抗癌药物控制量，将抗癌药物控制量输入抗癌药物给定模块；
[0013]所述抗癌药物给定模块，用于确定抗癌药物的输入时间及输入剂量。
[0014]本专利技术的有益效果在于：
[0015]首先，通过肿瘤大小监测模块和肿瘤部位药物浓度检测模块实时检测到的肿瘤细胞数和肿瘤部位抗癌药物浓度拟合出的肿瘤生长模型，与通过耐药细胞数检测模块和心脏毒性检测模块实时检测到的肿瘤耐药细胞数和心脏毒性建立癌症化疗优化给药模型，在高斯伪谱法的求解下，得到优化的药物调度方案并实时显示监测化疗进程，使得癌症化疗更加方便与智能。
[0016]其次，本专利技术所建立的给药模型考虑了耐药细胞对癌症化疗进程产生的抑制作用，因此在模型中加入了减少耐药细胞的约束条件，从而尽可能保障抗癌药物的疗效；并且本专利技术在模型中加入了对心脏毒性的约束条件，使得在化疗过程中能尽量减少对患者心脏产生的副作用，以此延长患者的生存时间以及保证患者的生活质量。
[0017]最后，由于本专利技术所涉及的模型求解需要实时并高效的进行，因此对求解算法的选择有较高的要求，而高斯伪谱法具有求解精度高，求解速度快的优点，因此在本专利技术中，采用高斯伪谱法对给药模型进行求解能够更好地实现对抗癌药物的精确给定以及对给药系统的实时监测。
[0018]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的结构示意图；
[0020]图2为本专利技术数据处理模块及与其相连接模块的结构示意图；
[0021]图3为经过伪谱法配点控制参数化优化后得到的抗癌药物给定曲线图；
[0022]图4为经过伪谱法配点控制参数化优化后得到的肿瘤细胞数量变化曲线，体内药物浓度曲线以及药物累计毒性曲线图。
具体实施方式
[0023]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相
互组合。
[0024]其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利技术的限制；为了更好地说明本专利技术的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0025]实施例1
[0026]如图1所示，本专利技术提供了一种基于多阶段高斯伪谱法的癌症化疗智能监测与优化给药系统，包括，肿瘤大小监测模块1、肿瘤部位药物浓度检测模块2、药物作用下肿瘤生长模型拟合模块3、耐药细胞数检测模块4、心脏毒性检测模块5、癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块6、数据处理模块7、抗癌药物给定模块8及数据指标显示模块9，所述肿瘤大小监测模块1和肿瘤部位药物浓度检测模块2一端与数据指标显示模块9电连接，另一端与药物作用下肿瘤生长模型拟合模块3电连接，药物作用下肿瘤生长模型拟合模块3再与癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块6连接；耐药细胞数检测模块4和心脏毒性检测模块5一端与数据指标显示模块9电连接，另一端与癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块6连接；癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块6与数据处理模块7连接，数据处理模块7再与抗癌药物给定模块8连接，抗癌药物给定模块8与数据指标显示模块9连接。
[0027]所述肿瘤大小监测模块1，用于实时检测肿瘤细胞数，并输入药物作用下肿瘤生长模型拟合模块3。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于多阶段高斯伪谱法的癌症化疗智能监测与优化给药系统，其特征在于：包括，肿瘤大小监测模块(1)、肿瘤部位药物浓度检测模块(2)、药物作用下肿瘤生长模型拟合模块(3)、耐药细胞数检测模块(4)、心脏毒性检测模块(5)、癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块(6)、数据处理模块(7)、抗癌药物给定模块(8)及数据指标显示模块(9)，所述肿瘤大小监测模块(1)和肿瘤部位药物浓度检测模块(2)一端与数据指标显示模块(9)电连接，另一端与药物作用下肿瘤生长模型拟合模块(3)电连接，药物作用下肿瘤生长模型拟合模块(3)再与癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块(6)连接；耐药细胞数检测模块(4)和心脏毒性检测模块(5)一端与数据指标显示模块(9)电连接，另一端与癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块(6)连接；癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块(6)与数据处理模块(7)连接，数据处理模块(7)再与抗癌药物给定模块(8)连接，抗癌药物给定模块(8)与数据指标显示模块(9)连接；其中，所述肿瘤大小监测模块(1)，用于实时检测的肿瘤细胞数，并输入药物作用下肿瘤生长模型拟合模块(3)；所述肿瘤部位药物浓度检测模块(2)，用于检测肿瘤部位抗癌药物浓度，并输入药物作用下肿瘤生长模型拟合模块(3)；所述药物作用下肿瘤生长模型拟合模块(3)，用于根据肿瘤细胞数和肿瘤部位抗癌药物浓度拟合出肿瘤生长模型；所述耐药细胞数检测模块(4)，用于检测化疗进程中的肿瘤耐药细胞数，并输入癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块(6)；所述心脏毒性检测模块(5)，用于检测化疗进程中的心脏毒性，并输入癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块(6)；所述癌症化疗优化给药模型与性能参数设定模块(6)，用于建立癌症化疗优化给药模型，并设定化疗优化给药模型的初始参数、调整化疗进程中的参数；所述数据处理模块(7)，用于根据多阶段高斯伪谱法将癌症化疗时间转化为具有高斯分布的离散点列，对时间分段上对应的变量进行离散近似，求解得出抗癌药物控制量，将抗癌药物控制量输入抗癌药物给定模块(8)；所述抗癌药物给定模块(8)，用于确定抗癌药物的输入时间及输入剂量。2.根据权利要求1所述基于多阶段高斯伪谱法的癌症化疗智能监测与优化给药系统，其特征在于：所述癌症化疗优化给药模型为min J(u1(t))＝x1(T)(T)(T)x1(0)＝N0,x2(0)＝v0,x1(t1)≤η1,x1(t2)≤η2,x1(t3)≤η30≤x2(t)≤v
max
,for all t∈[0,T]0≤u1(t)≤u
max for all t∈[0,T]其中，J和x1为肿瘤细胞数，u1为抗癌药物浓度，x2为体内药物浓度，x3为累计药物浓度，
为肿瘤细胞数的导数，为体内药物浓度的导数，为累计药物毒性的导数，t为时间，T为治疗周期，λ为肿瘤生长因子，ρ为Gompertz生长模型下肿瘤可以自然生长的最大值，k为抗癌药物杀伤分数，α为药物起效浓度，β为抗癌药物半衰期因子，N0为初始肿瘤细胞数，v0为初始体内药物浓度，为初始累计药物毒性，η1,η2,η3为浓度约束值，v
max
,u
max
分别为体内药物浓度上限值，累计药物毒性上限约束值以及给药速率上限值，H(x2(t)
‑
α)为阶跃函数，当体内药物浓度大于药物起效浓度时，其值为1；当体内药物浓度小于药物起效浓度时，其值为0。3.根据权利要求1所述基于多阶段高斯伪谱法的癌症化疗智能监测与优化给药系统，其特征在于：所述多阶段高斯伪谱法的处理步骤如下：步骤1：将化疗周期进行时间区间等分，设初始时刻t0、结束时刻t
f
和I个内部时间节点t1,t2,
…
,t
I
将整个区间划分为I+1段，每一段的长度分别记为a1,a2,
…
,a
I+1
，第j段对应的时间区间为[t
j
‑1,t
j
]，引入新的时间变量ζ对控制时域进行时间尺度变换：每个子区间的变换都如此...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘平，肖棋，郭飞，翟世东，屈洪春，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：