一种空间分割放射治疗计划评价方法、系统、设备及介质

本技术涉及放射评估，尤其涉及一种空间分割放射治疗计划评价方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、空间分割放射治疗（sfrt，spatially fractionated radiation therapy）包括grid疗法、lattice放疗等技术，是针对大体积、难治性或放射抗拒肿瘤的一种先进放疗模式，其核心机制在于通过在肿瘤靶区内部形成高剂量“峰”与低剂量“谷”的空间非均匀分布，实现对肿瘤细胞的高效杀伤，并降低正常组织毒性。然而，sfrt的剂量分布具有强烈的空间异质性，基于传统均匀照射模型难以对其进行有效的剂量评估和计划评价。

2、目前临床研究中对sfrt的剂量评估和计划评价仍依赖于传统均匀照射模型下的指标，如剂量-体积直方图（dvh，dose and volume histogram）、等效均匀剂量（eud，equivalent uniform dose）、生物学等效剂量（bed，biologically effective dose）、峰谷比剂量（pvdr，peak-to-valley dose ratio）、均匀性指数（hi，homogeneity index）和梯度指数（gi，gradient index）等，这些传统指标存在根本性局限：（1）dvh指标将三维剂量分布压缩为一维统计分布，使得剂量分布的空间结构信息完全丢失，难以描述sfrt因空间几何特征导致的差异；（2）hi指标对靶区剂量分布的均匀性进行评价，对sfrt不均匀的剂量分布无法适用；（3）pvdr指标在sfrt靶区的峰谷难以统一选取标准的前提下，无法客观量化评价；（4）在sfrt中，峰区存在的剂量饱和效应和谷区存在的旁观者效应会导致传统的线性二次模型和bed指标的假设被破坏，难以反映空间非均匀剂量下的真实生物效应。以上传统指标的不同局限均导致目前对sfrt的剂量评估和计划评价难以满足实际需要，因此，如何提高对空间分割放射治疗的剂量评估和计划评价的准确度，仍是现有技术亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术提供了一种空间分割放射治疗计划评价方法、系统、设备及介质，以解决现有传统指标难以对空间分割放射治疗进行有效的计划评价的技术问题。

2、根据本技术实施方式的第一方面，提供一种空间分割放射治疗计划评价方法，包括：

3、获取待评价计划的三维剂量矩阵，并基于盒计数法，结合对所述三维剂量矩阵对应的三维剂量表面的多次网格划分，计算得到所述三维剂量表面的分形维数特征；

4、根据所述三维剂量矩阵基于预设的峰区阈值进行二值化分割所得到的二值化分割掩膜，构建所述三维剂量表面的峰区空间距离矩阵，并根据所述峰区空间距离矩阵，提取得到所述三维剂量表面的空间拓扑特征；

5、对所述三维剂量矩阵进行三维傅里叶变换，构建得到所述待评价计划的剂量幅值谱，并根据所述剂量幅值谱提取得到所述三维剂量矩阵的剂量频域特征；

6、根据所述三维剂量矩阵所确定的剂量极差，对剂量分布体积占比进行分析，得到所述三维剂量表面的体积分布特征；

7、对所述分形维数特征、所述空间拓扑特征、所述剂量频域特征和所述体积分布特征进行耦合，结合预设的优化阈值，得到所述待评价计划的评价结果。

8、本技术先获取待评价计划的三维剂量矩阵，基于盒计数法，结合对三维剂量矩阵对应的三维剂量表面的多次网格划分，计算得到分形维数特征，能够通过盒计数法准确获取并量化剂量的空间复杂度和自相似性信息，然后根据二值化分割得到的二值化分割掩膜构建峰区空间距离矩阵，进而提取得到空间拓扑特征，能够通过峰区空间距离矩阵准确量化剂量的空间拓扑连通关系，再对三维剂量矩阵进行三维傅里叶变换，构建剂量幅值谱，进而提取得到剂量频域特征，能够通过三维傅立叶变换准确获取剂量的周期性并量化为频率，并根据三维剂量矩阵确定的剂量极差，对剂量分布体积占比进行分析得到体积分布特征，能够准确刻画剂量的体积分布，进而耦合各特征，能够从多个维度全面对空间分割放射治疗计划进行准确客观的量化评价，避免如现有直接丢弃空间结构信息而难以描述空间分割放射治疗计划的空间几何特征，从而结合预设优化阈值进行评价，能够提高对待评价计划评价的准确度，满足实际需要。

9、在本技术的某些实施方式中，所述基于盒计数法，结合对所述三维剂量矩阵对应的三维剂量表面的多次网格划分，计算得到所述三维剂量表面的分形维数特征，具体包括：

10、根据预设的多种网格尺寸，对所述三维剂量表面进行多次网格划分，得到每种网格尺寸对应的三维网格集合；其中，每个三维网格集合包括多个三维网格；

11、基于盒计数法，对所有三维网格集合进行拟合计算，得到所述三维剂量表面的分形维数特征。

12、本技术先根据多种网格尺寸，对三维剂量表面进行多次网格划分得到每种网格尺寸对应的三维网格集合，再基于盒计数法对所有三维网格集合进行拟合计算，得到三维剂量表面的分形维数特征，通过多尺度的网格划分，能够覆盖三维剂量表面在不同空间尺度下的几何细节，进而在多个尺度层级上综合反映剂量的空间复杂度和自相似性信息，从而在空间分形这一维度上对空间分割放射治疗计划进行准确客观的量化评价，为后续从多个维度全面评价提供必要的特征基础。

13、在本技术的某些实施方式中，所述基于盒计数法，对所有三维网格集合进行拟合计算，得到所述三维剂量表面的分形维数特征，具体包括：

14、对每种网格尺寸对应的三维网格集合进行体素覆盖，覆盖时根据每个三维网格集合中所有三维网格的覆盖网格数，得到每个三维网格集合的覆盖网格总数；其中，每个三维网格的覆盖网格数，基于对应的三维网格的剂量极差和网格尺寸而计算得到；

15、基于每个三维网格集合所对应的网格尺寸和覆盖网格总数，在双对数坐标系中进行最小二乘法拟合计算，得到拟合直线，并将所述拟合直线的斜率作为所述三维剂量表面的分形维数特征。

16、本技术先对每种网格尺寸对应的三维网格集合进行体素覆盖，覆盖时根据每个三维网格集合中所有三维网格的覆盖网格数，得到每个三维网格集合的覆盖网格总数，然后基于每个三维网格集合对应的网格尺寸和覆盖网格总数，在双对数坐标系中进行最小二乘法拟合计算得到拟合直线，进而将拟合直线的斜率确定为分形维数特征，能够通过盒计数法准确获取并量化剂量的空间复杂度和自相似性信息，为后续从多个维度全面评价提供必要的特征基础。

17、在本技术的某些实施方式中，所述根据所述三维剂量矩阵基于预设的峰区阈值进行二值化分割所得到的二值化分割掩膜，构建所述三维剂量表面的峰区空间距离矩阵，具体包括：

18、根据预设的峰区阈值，对所述三维剂量矩阵进行二值化分割，得到二值化分割掩膜；

19、根据所述二值化分割掩膜，基于三维连通性算法，提取得到所述三维剂量表面的多个峰区；

20、以每个峰区之间的质心间距为矩阵元素，构建所述三维剂量表面的峰区空间距离矩阵。

21、本技术先根据峰区阈值对三维剂量矩阵进行二值化分割得到二值化分割掩膜，然后根据二值化分割掩膜，基于三维连通性算法提取三维剂量表面的多个峰区，能够识别并提取剂量空间中特定的峰区，进而以每个峰区之间的质心间距为矩阵元素，构建峰区空间距离矩阵，能够将各峰区的空间距离以质心间距所构建的峰区空间距离矩阵的形式进行定量表征，从而为后续根据峰区空间距离矩阵提取空间拓扑特征提供量化数据基础。

22、在本技术的某些实施方式中，所述根据所述峰区空间距离矩阵，提取得到所述三维剂量表面的空间拓扑特征，具体包括：

23、根据所述三维剂量表面，确定所述多个峰区的峰区体积总和；

24、根据所述峰区空间距离矩阵，确定所述多个峰区的峰区距离总和；

25、基于所述峰区距离总和与所述峰区体积总和之比，确定所述三维剂量表面的空间拓扑特征。

26、本技术先根据三维剂量表面确定多个峰区的峰区体积总和，并根据峰区空间距离矩阵确定多个峰区的峰区距离总和，进而基于峰区距离总和与峰区体积总和之比，确定空间拓扑特征，能够通过峰区距离总和与峰区体积总和，量化剂量的空间拓扑连通关系，从而在空间拓扑这一维度上对空间分割放射治疗计划进行准确客观的量化评价，为后续从多个维度全面评价提供必要的特征基础。

27、在本技术的某些实施方式中，所述对所述三维剂量矩阵进行三维傅里叶变换，构建得到所述待评价计划的剂量幅值谱，并根据所述剂量幅值谱提取得到所述三维剂量矩阵的剂量频域特征，具体包括：

28、对所述三维剂量矩阵进行三维傅里叶变换，得到剂量频域数据；

29、对所述剂量频域数据进行零频平移和取模，构建得到所述待评价计划的剂量幅值谱；

30、基于所述剂量幅值谱所确定的主频幅值，确定所述三维剂量矩阵的剂量频域特征。

31、本技术先对三维剂量矩阵进行三维傅里叶变换得到剂量频域数据，再对剂量频域数据进行零频平移和取模，构建剂量幅值谱，进而基于剂量幅值谱确定的主频幅值，确定剂量频域特征，能够通过三维傅里叶变换准确获取剂量的周期性并量化为剂量幅值谱，从而在空间频率这一维度上对空间分割放射治疗计划进行准确客观的量化评价，为后续从多个维度全面评价提供必要的特征基础。

32、在本技术的某些实施方式中，所述对所述分形维数特征、所述空间拓扑特征、所述剂量频域特征和所述体积分布特征进行耦合，结合预设的优化阈值，得到所述待评价计划的评价结果，具体包括：

33、获取所述待评价计划的等效均匀剂量；

34、对所述等效均匀剂量、所述分形维数特征、所述空间拓扑特征、所述剂量频域特征和所述体积分布特征进行加权耦合，得到所述待评价计划的评价得分；

35、根据预设的优化阈值和所述评价得分，得到所述待评价计划的评价结果。

36、本技术先获取待评价计划的等效均匀剂量，然后对等效均匀剂量、分形维数特征、空间拓扑特征、剂量频域特征和体积分布特征进行加权耦合，得到待评价计划的评价得分，进而基于优化阈值和评价得分，得到待评价计划的评价结果，通过待评价计划的多种特征的耦合，能够从多个维度全面对空间分割放射治疗计划进行准确客观的量化评价，从而结合预设优化阈值进行评价，能够提高对待评价计划评价的准确度，满足实际需要。

37、根据本技术实施方式的第二方面，提供一种空间分割放射治疗计划评价系统，包括分形维数特征提取模块、空间拓扑特征提取模块、剂量频域特征提取模块、体积分布特征提取模块和特征耦合综合评价模块；

38、所述分形维数特征提取模块，用于获取待评价计划的三维剂量矩阵，并基于盒计数法，结合对所述三维剂量矩阵对应的三维剂量表面的多次网格划分，计算得到所述三维剂量表面的分形维数特征；

39、所述空间拓扑特征提取模块，用于根据所述三维剂量矩阵基于预设的峰区阈值进行二值化分割所得到的二值化分割掩膜，构建所述三维剂量表面的峰区空间距离矩阵，并根据所述峰区空间距离矩阵，提取得到所述三维剂量表面的空间拓扑特征；

40、所述剂量频域特征提取模块，用于对所述三维剂量矩阵进行三维傅里叶变换，构建得到所述待评价计划的剂量幅值谱，并根据所述剂量幅值谱提取得到所述三维剂量矩阵的剂量频域特征；

41、所述体积分布特征提取模块，用于根据所述三维剂量矩阵所确定的剂量极差，对剂量分布体积占比进行分析，得到所述三维剂量表面的体积分布特征；

42、所述特征耦合综合评价模块，用于对所述分形维数特征、所述空间拓扑特征、所述剂量频域特征和所述体积分布特征进行耦合，结合预设的优化阈值，得到所述待评价计划的评价结果。

43、在本技术的某些实施方式中，所述分形维数特征提取模块包括网格划分单元和分形计算单元；

44、所述网格划分单元，用于根据预设的多种网格尺寸，对所述三维剂量表面进行多次网格划分，得到每种网格尺寸对应的三维网格集合；其中，每个三维网格集合包括多个三维网格；

45、所述分形计算单元，用于基于盒计数法，对所有三维网格集合进行拟合计算，得到所述三维剂量表面的分形维数特征。

46、在本技术的某些实施方式中，所述分形计算单元包括网格覆盖子单元和拟合计算子单元；

47、所述网格覆盖子单元，用于对每种网格尺寸对应的三维网格集合进行体素覆盖，覆盖时根据每个三维网格集合中所有三维网格的覆盖网格数，得到每个三维网格集合的覆盖网格总数；其中，每个三维网格的覆盖网格数，基于对应的三维网格的剂量极差和网格尺寸而计算得到；

48、所述拟合计算子单元，用于基于每个三维网格集合所对应的网格尺寸和覆盖网格总数，在双对数坐标系中进行最小二乘法拟合计算，得到拟合直线，并将所述拟合直线的斜率作为所述三维剂量表面的分形维数特征。

49、在本技术的某些实施方式中，所述空间拓扑特征提取模块包括二值分割单元、峰区提取单元和矩阵构建单元；

50、所述二值分割单元，用于根据预设的峰区阈值，对所述三维剂量矩阵进行二值化分割，得到二值化分割掩膜；

51、所述峰区提取单元，用于根据所述二值化分割掩膜，基于三维连通性算法，提取得到所述三维剂量表面的多个峰区；

52、所述矩阵构建单元，用于以每个峰区之间的质心间距为矩阵元素，构建所述三维剂量表面的峰区空间距离矩阵。

53、在本技术的某些实施方式中，所述空间拓扑特征提取模块包括峰区体积确定单元、峰区距离确定单元和拓扑特征提取单元；

54、所述峰区体积确定单元，用于根据所述三维剂量表面，确定所述多个峰区的峰区体积总和；

55、所述峰区距离确定单元，用于根据所述峰区空间距离矩阵，确定所述多个峰区的峰区距离总和；

56、所述拓扑特征提取单元，用于基于所述峰区距离总和与所述峰区体积总和之比，确定所述三维剂量表面的空间拓扑特征。

57、在本技术的某些实施方式中，所述剂量频域特征提取模块包括频域变换单元、幅值谱构建单元和频域特征提取单元；

58、所述频域变换单元，用于对所述三维剂量矩阵进行三维傅里叶变换，得到剂量频域数据；

59、所述幅值谱构建单元，用于对所述剂量频域数据进行零频平移和取模，构建得到所述待评价计划的剂量幅值谱；

60、所述频域特征提取单元，用于基于所述剂量幅值谱所确定的主频幅值，确定所述三维剂量矩阵的剂量频域特征。

61、在本技术的某些实施方式中，所述特征耦合综合评价模块包括剂量获取单元、特征耦合单元和计划评价单元；

62、所述剂量获取单元，用于获取所述待评价计划的等效均匀剂量；

63、所述特征耦合单元，用于对所述等效均匀剂量、所述分形维数特征、所述空间拓扑特征、所述剂量频域特征和所述体积分布特征进行加权耦合，得到所述待评价计划的评价得分；

64、所述计划评价单元，用于根据预设的优化阈值和所述评价得分，得到所述待评价计划的评价结果。

65、本技术先获取待评价计划的三维剂量矩阵，基于盒计数法，结合对三维剂量矩阵对应的三维剂量表面的多次网格划分，计算得到分形维数特征，能够通过盒计数法准确获取并量化剂量的空间复杂度和自相似性信息，然后根据二值化分割得到的二值化分割掩膜构建峰区空间距离矩阵，进而提取得到空间拓扑特征，能够通过峰区空间距离矩阵准确量化剂量的空间拓扑连通关系，再对三维剂量矩阵进行三维傅里叶变换，构建剂量幅值谱，进而提取得到剂量频域特征，能够通过三维傅立叶变换准确获取剂量的周期性并量化为频率，并根据三维剂量矩阵确定的剂量极差，对剂量分布体积占比进行分析得到体积分布特征，能够准确刻画剂量的体积分布，进而耦合各特征，能够从多个维度全面对空间分割放射治疗计划进行准确客观的量化评价，避免如现有直接丢弃空间结构信息而难以描述空间分割放射治疗计划的空间几何特征，从而结合预设优化阈值进行评价，能够提高对待评价计划评价的准确度，满足实际需要。

66、根据本技术实施方式的第三方面，提供一种计算机设备，包括：处理器；存储器；存储在所述存储器中并被配置为由所述处理器执行的计算机程序；其中所述处理器执行所述计算机程序时实现本技术所述的一种空间分割放射治疗计划评价方法。

67、根据本技术实施方式的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行本技术所述的一种空间分割放射治疗计划评价方法。