一种BNCT多场照射计划优化方法、系统、设备和介质

本技术属于放射疗，具体涉及一种bnct多场照射计划优化方法、系统、设备和介质。

背景技术：

1、硼中子俘获治疗（boron neutron capture therapy，bnct）是一种依赖硼药物富集和中子照射共同作用的二元放射治疗技术。其剂量由硼俘获反应、氮反应、氢反冲以及伴随γ成分等多种物理过程共同贡献，剂量分布与患者三维组织结构、肿瘤位置、硼浓度分布、入射方向、束流孔径和组织深度密切相关。由于中子在人体组织中的输运、慢化和俘获过程较为复杂，bnct剂量计算通常依赖蒙特卡洛方法进行精确模拟。

2、蒙特卡洛方法能够提供较高的物理精度，但在多候选照射方向、多场组合筛选以及个体化照射时间优化场景中，需要对每个方向和每个方案反复进行三维剂量计算，导致计算成本较高，难以满足快速候选方案比较和计划辅助设计的需求。尤其是在需要同时比较多个固定方向、不同场数以及不同处方约束水平时，传统逐方向完整蒙特卡洛计算会显著增加计划生成时间。

3、现有放射剂量预测技术，主要面向光子、质子等放射治疗的总剂量分布，未考虑bnct中硼俘获反应、氮反应、氢反冲及γ射线所产生的不同剂量分量。由于上述剂量分量在物理来源、空间分布特征及数值尺度方面存在差异，当采用单一网络和统一损失函数对多个剂量分量进行联合预测，难以应对。此外，部分现有bnct剂量预测方法采用蒙特卡洛计算与神经网络相结合的方式。此类方法虽然能够降低高精度蒙特卡洛模拟的计算负担，但在每个患者和每个候选照射方向下仍需预先执行蒙特卡洛计算，因而在多方向剂量预测和多场组合筛选过程中仍存在计算时间较长、数据处理流程较为复杂的问题。

4、同时，在实际个体化计划辅助设计中，较高处方剂量可能因皮肤或正常组织剂量限制而不可行。若仅在单一固定处方下判断可行与否，会导致一些具有较好剂量学潜力的方向组合被直接舍弃，也难以记录该组合在当前约束条件下能够达到的最高实际可行处方。并且单方向照射会导致深处肿瘤剂量较低，整体肿瘤均匀性较差。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种bnct多场照射计划优化方法、系统、设备和介质，旨在解决：传统bnct剂量分布常采用高精度蒙特卡洛模拟或者低精度蒙特卡洛模拟作为输入的神经网络来输出单方向照射方案，往往存在深部肿瘤剂量不足、肿瘤整体剂量分布均匀性差且计算耗时长的问题。

2、本技术的第一方面涉及一种bnct多场照射计划优化方法，包括：步骤s10、针对多个预设候选照射方向，结合目标对象的三维体素数据构建包括目标对象结构输入特征和束流照射方向输入特征的总输入条件特征；步骤s20、将各候选照射方向的总输入条件特征输入至多个三维剂量率分量预测神经网络，分别获得每个候选照射方向下的三维物理剂量率分量分布，以获取各候选照射方向的三维生物等效剂量率分布；步骤s30、从多个预设候选照射方向中枚举获取多个方向组合，并针对每个方向组合设置目标剂量值搜索序列；步骤s40、根据目标剂量值搜索序列的每一目标剂量值，并结合三维生物等效剂量率分布逐一求解预设优化模型，直至预设优化模型的解使得目标靶区的三维总生物等效剂量分布满足目标剂量覆盖率要求，以输出各方向组合中的可行组合及对应的照射时间和目标剂量值；其中，预设优化模型为：以方向组合中各照射方向的照射时间为优化变量，建立包括目标靶区的剂量偏差项、剂量均匀性项和欠量惩罚项的目标函数，并设置照射时间约束和剂量约束；剂量偏差项、剂量均匀性项和欠量惩罚项均为计及当前目标剂量值和三维生物等效剂量率分布对目标靶区剂量分布特性影响而构建的剂量评价函数项。

3、在一实施例中，步骤s10包括：对目标对象计算机断层扫描的三维体素数据进行预处理，以获取目标对象的三维组织分类编码和三维目标对象掩膜，作为目标对象结构输入特征；根据每个候选照射方向的束流入射方向及束流中心轴，逐体素生成三维束流深度分布、三维束流半径分布和三维束孔掩膜，作为束流照射方向输入特征；根据目标对象结构输入特征和束流照射方向输入特征构建多通道三维输入张量，作为总输入条件特征。

4、在一实施例中，多个三维剂量率分量预测神经网络包括：相互独立的三维硼物理剂量率分量预测模型、三维氮物理剂量率分量预测模型、三维氢物理剂量率分量预测模型和三维光子物理剂量率分量预测模型；各物理剂量率分量预测模型通过带残差模块和注意力跳跃连接的三维u型神经网络结构实现；步骤s20包括：将各候选照射方向的总输入条件特征分别输入至三维硼物理剂量率分量预测模型、三维氮物理剂量率分量预测模型、三维氢物理剂量率分量预测模型和三维光子物理剂量率分量预测模型，分别获得各候选照射方向下的硼物理剂量率分量分布、氮物理剂量率分量分布、氢物理剂量率分量分布和光子物理剂量率分量分布；根据各候选照射方向下的多个物理剂量率分量，结合生物效应系数逐体素相加，得到各候选照射方向的三维生物等效剂量率分布。

5、在一实施例中，步骤s30包括：设置最大照射场数，从多个预设候选照射方向中枚举所有满足最大照射场数限制的方向组合；针对每个方向组合设置目标剂量值搜索序列，目标剂量值搜索序列包含多个递减顺序排列的目标剂量值。

6、在一实施例中，步骤s40包括：在当前方向组合下的目标剂量值搜索序列中选择最大值，作为当前目标剂量值；结合三维生物等效剂量率分布，采用序列最小二乘规划算法在当前目标剂量值条件下求解预设优化模型；根据求解得到的各方向的照射时间计算三维总生物等效剂量分布；在当前三维总生物等效剂量分布满足目标剂量覆盖率要求时，判定当前方向组合为可行组合，并输出该可行组合的照射时间；在当前三维总生物等效剂量分布不满足目标剂量覆盖率要求时，依据递减顺序将搜索序列中的下一目标剂量值作为当前目标剂量值，执行求解预设优化模型的步骤；若搜索序列全部目标剂量值均不满足目标剂量覆盖率要求时，判定当前方向组合为不可行方向组合。

7、在一实施例中，目标剂量覆盖率要求为：根据当前三维总生物等效剂量分布确定的目标靶区的80%体积剂量不低于当前目标剂量值。

8、在一实施例中，步骤s40之后还包括：对于得到的所有可行方案，根据可行目标剂量值、目标靶区剂量均匀性、危及部位剂量和总照射时间对所有可行方案进行优先级排序，输出优先级最高的可行方案作为推荐照射方案；根据推荐照射方案的方向组合和照射时间获取由蒙特卡洛计算得到对应的参考三维总生物等效剂量分布；基于参考三维总生物等效剂量分布和三维总生物等效剂量分布，对推荐照射方案进行复核。

9、本技术的第二方面涉及一种bnct多场照射计划优化系统，包括：特征构建模块，用于针对多个预设候选照射方向，结合目标对象的三维体素数据构建包括目标对象结构输入特征和束流照射方向输入特征的总输入条件特征；剂量率分量预测模块，用于将各候选照射方向的总输入条件特征输入至三维剂量率分量预测神经网络，获得每个候选照射方向下的多个三维物理剂量率分量分布，以获取各候选照射方向的三维生物等效剂量率分布；组合枚举与搜索模块，用于从多个预设候选照射方向中枚举获取多个方向组合，并针对每个方向组合设置目标剂量值搜索序列；照射时间优化和可行性验证模块，用于根据目标剂量值搜索序列的每一目标剂量值，并结合三维生物等效剂量率分布逐一求解预设优化模型，根据求解得到的各方向照射时间计算三维总生物等效剂量分布，直至预设优化模型的解使得目标靶区的三维总生物等效剂量分布满足目标剂量覆盖率要求，以输出各方向组合中的可行组合及对应的照射时间和目标剂量值。

10、第三方面，本技术提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行存储器存储的程序，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

11、第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

12、第五方面，本技术提供一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

13、可以理解的是，上述第二方面至第五方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

14、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

15、本技术首先针对多个预设候选照射方向，结合目标对象的三维体素数据构建了包含目标对象结构输入特征和束流照射方向输入特征的总输入条件特征，使得后续神经网络能够同时感知解剖结构和照射几何信息，为精确预测打下基础。

16、接着，将各候选方向的总输入条件特征输入至三维剂量率分量预测神经网络，直接输出每个方向下的多个三维物理剂量率分量分布并由此得到三维生物等效剂量率分布，这一手段替代了传统耗时的蒙特卡洛模拟或依赖低分辨率蒙特卡洛结果的神经网络输入，因此既大幅缩短了剂量计算时间，又避免了因输入分辨率低导致的预测误差，提高了剂量计算的效率和准确性。

17、然后，从多个预设候选方向中枚举多个方向组合并为每个组合设置目标剂量值搜索序列，再针对每个目标剂量值结合已获得的三维生物等效剂量率分布逐一求解预设优化模型，再对结果进行目标靶区目标剂量值的覆盖率验证，该模型以各方向照射时间为变量，构建了计及当前目标剂量值和三维生物等效剂量率分布的剂量偏差项、剂量均匀性项和欠量惩罚项作为目标函数，并设置了照射时间约束和剂量约束，从而能够系统性地搜索不同方向组合在不同目标剂量下的可行解，克服了单方向照射时深部肿瘤剂量难以提升以及剂量分布不均匀的固有缺陷。

18、最后，根据各可行组合的优先级排序，以照射方向、照射时间和目标剂量值作为推荐照射方案，并可通过与蒙特卡洛参考三维总生物等效剂量分布进行复核，确保了最终计划的临床可接受性。

19、综上，本技术方案通过引入端到端的三维剂量率分量预测网络代替传统模拟，结合多方向枚举与带约束的优化求解，在显著提升计算速度的同时，有效解决了单方向照射导致的深部肿瘤剂量不足和均匀性差的问题，实现了高效、精准且覆盖全面的bnct多场照射计划优化。