一种近距离放射治疗的插植针道优化算法的制作方法

1.本发明属于近距离放射治疗技术领域，尤其涉及一种近距离放射治疗的插植针道优化算法。


背景技术：

2.近距离治疗技术包括低剂量率(ldr)放射粒子植入和高剂量率(hdr)后装放疗。其中高剂量率后装放射治疗又分为腔内后装治疗和组织间插植后装放疗，以及两者联合使用。低剂量率放射粒子植入和组织间插植后装放疗都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放置到肿瘤内部进行放射治疗。近距离放射治疗在恶性肿瘤的治疗中应用广泛，在妇科恶性肿瘤，尤其是宫颈癌的治疗中，近距离放射治疗有着几乎与放射肿瘤学一样悠长且丰富的历史。从二十世纪早期第一例妇科近距离放射治疗开始到现代，随着技术的不断进步和发展，近距离放射治疗方式也发生了显著变化。高剂量率源、遥控后装、新型施源器和三维图像引导的出现改善了局部控制率，提高了病人的生存率，也因此使得近距离放射治疗成为局部晚期宫颈癌治疗中不可或缺的一部分。但是，现有的近距离放射治疗依旧存在一些缺点，例如，现有的计划系统中靶区和危机器官的参数一般以人工调整为主，尤其是布针上，需要根据医生自己的经验进行手工布针，自动化程度非常低。已有的自动布针方案，优化过程花费时间较长，临床上效率低，且优化结果很大程度上决定于计划设计者的经验和技巧，物理师需要消耗大量时间寻找靶区和危及器官最合理的剂量体积限值以及该限值对应的权重。在求解过程中往往会由于没有充分考虑临床的限制，导致算法求到的解，不一定是临床可行解。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种近距离放射治疗的插植针道优化算法，以克服基于目前的自动布阵方案依旧需要消耗大量时间进行优化等问题。
4.本发明的目的采用以下技术方案实现：
5.一种近距离放射治疗的插植针道优化算法，包括如下步骤：
6.s1、进行剂量约束及插植约束，并确认是否存在现有已经确定的插植针道；
7.s2、根据s1的约束，将靶区和危及器官离散成点集进行描述；
8.s3、对于s2得到的靶区和危及器官进行甩点处理；
9.s4、随机生成多个候选针道；
10.s5、定义贡献度函数，并筛选贡献度函数值最大的针道，加入到针道集中；
11.s6、更新靶区点集，重复s4，生成多组可行解针道，再重复s5，进行更新针道集c；
12.s7、重复s6，直到靶区点集tar中所有的点都被删除，得到最终更新后的针道集c。
13.优选地，所述s2中描述方式为：定义靶区点集为tar，危及器官点集为oar；对于影像上的任意一点p(x,y,z)，若p在靶区勾画内，则p∈tar，若p在危及器官的勾画内，则p∈oar。
14.优选地，所述p的离散方式包括但不限于按照像素点进行离散化、按照剂量网格点进行离散化，或采用非均匀网格进行离散化。
15.优选地，所述s3的甩点处理具体包括如下步骤：
16.s31、遍历危及器官点集oar的每个点pi，i＝1:n，计算其与靶区的最小距离d(pi,tar)＝min(d(pi,tj))，其中tj∈tar，d(pi,tj)为点pi和tj的欧式距离；
17.s32、根据放射源的径向剂量特性设置放射源辐射高剂量影响半径值rs，删除危及器官点集oar中距离靶区大于rs的点；
18.s33，若存在已经确定的插植针道，则直接将其加入到针道集c中；并删除靶区点集tar中距离针道集c小于rs的点。
19.优选地，所述s4包括如下步骤：
20.从靶区点集tar中，随机选择若干点ti,i＝1,2
…
n,ti∈tar；对应的，从入针平面上，随机选择若干点gi,i＝1,2
…
n，gi为入针平面上的点；
21.定义t
igi
为第i个候选针道，随机生成n个候选针道。
22.优选地，所述s5包括如下步骤：
23.s51、对于候选针道t
igi
，定义贡献度函数:
24.fobj＝α*β*(fobj_tar-fobj_oar)
25.其中，fobj_tar为靶区点集tar中距离候选针道距离小于rs的所有点的数量；fobj_oar为危及器官点集oar中距离候选针道t
igi
距离小于rs的所有点的数量；其中，d(t
igi
,oar)表示候选针道t
igi
与危及器官点集oar的距离，ε1为候选针道与危及器官的安全距离；当该距离小于等于ε1时，表明该候选针道经过了危及器官，则权重α＝0，当该距离大于ε1时，表明该候选针道不会经过危及器官，则权重α＝1；
26.ε2为候选针道与针道集之间的安全距离；其中，当候选针道t
igi
与针道集c中的针道距离小于等于ε2时，表明该候选针道与针道集存在交叉，则权重β＝0，若不存在交叉，则权重β＝1；
27.s52、使用上述贡献度函数，将候选针道中贡献度函数值最大的针道选出，加入到针道集c中。
28.优选地，所述s6包括如下步骤：
29.s61、使用针道集c，删除靶区点集tar中距离针道集c小于rs的点；
30.s62、重复s4，从靶区点集tar和入射平面中随机选点生成候选针道，并将贡献度最大的候选针道加入到针道集c中，进行更新针道集c。
31.优选地，所述算法还包括如下步骤：
32.s8、结合s7中的更新后的针道集c和剂量学约束，进行最终的剂量学优化。
33.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
34.1、通过本发明的目标函数，可以针对插植针道进行快速优化，大大缩短了针道优化的时间。
35.2.无需进行手工布针，通过剂量和插植约束进行插植针道的自动优化；
36.3.将剂量和插植约束，通过器官点和插植针的距离的计算表示出来，使得最终优化的结果更好的满足需求。
37.4.使得近距离放疗计划制作的过程更加自动化，智能化，间接的提高了近距离放射治疗整个流程的效率。
38.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
39.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
40.图1为本发明的优化算法流程框图；
具体实施方式
41.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
42.一种近距离放射治疗的插植针道优化算法，结合图1所示，包括如下步骤：
43.s1、进行剂量约束及插植约束；同时，进一步并确认是否存在现有已经确定的插植针道；通常，针对宫颈癌的剂量约束，对于hr-ctv(高风险靶区)，处方剂量为700cgy
×
4次。对于危及器官的限量，需满足膀胱的d2cc小于480cgy，直肠的d2cc小于460cgy，小肠的d2cc小于460cgy；对于插植约束，需要给出允许插植的屏幕，以及插植针需要避开的危及器官，如尿道口，血管，神经等。
44.s2、根据s1的约束，将靶区和危及器官离散成点集进行描述；
45.具体的，所述s2中描述方式为：定义靶区点集为tar，危及器官点集为oar；对于影像上的任意一点p(x,y,z)，若p在靶区勾画内，则p∈tar，若p在危及器官的勾画内，则p∈oar。所述p的离散方式包括但不限于按照像素点进行离散化、按照剂量网格点进行离散化，或采用非均匀网格进行离散化。
46.s3、对于以上得到的靶区和危及器官进行甩点处理；
47.s31、遍历危及器官点集oar的每个点pi，i＝1:n，计算其与靶区的最小距离d(pi,tar)＝min(d(pi,tj))，其中tj∈tar，d(pi,tj)为点pi和tj的欧式距离；
48.s32、根据放射源的径向剂量特性设置放射源辐射高剂量影响半径值rs，删除危及器官点集oar中距离靶区大于rs的点；
49.s33，若存在已经确定的插植针道，则直接将其加入到针道集c中；并删除靶区点集tar中距离针道集c小于rs的点。
50.s4、随机生成多个候选针道；
51.即，从靶区点集tar中，随机选择若干点ti,i＝1,2
…
n,ti∈tar；对应的，从入针平面上，随机选择若干点gi,i＝1,2
…
n，gi为入针平面上的点；
52.定义t
igi
为第i个候选针道，随机生成n个候选针道。
53.s5、定义贡献度函数，并筛选贡献度函数值最大的针道，加入到最终针道集中；
54.s51、对于候选针道t
igi
，定义贡献度函数:
55.fobj＝α*β*(fobj_tar-fobj_oar)
56.其中，fobj_tar为靶区点集tar中距离候选针道距离小于rs的所有点的数量；fobj_oar为危及器官点集oar中距离候选针道t
igi
距离小于rs的所有点的数量；其中，d(t
igi
,oar)表示候选针道t
igi
与危及器官点集oar的距离，ε1为候选针道与危及器官的安全距离；当该距离小于等于ε1时，表明该候选针道经过了危及器官，则权重α＝0，当该距离大于ε1时，表明该候选针道不会经过危及器官，则权重α＝1；
57.ε2为候选针道与针道集之间的安全距离；其中，当候选针道t
igi
与针道集c中的针道距离小于等于ε2时，表明该候选针道与针道集存在交叉，则权重β＝0，若不存在交叉，则权重β＝1；
58.s52、使用上述贡献度函数，将候选针道中贡献度函数值最大的针道选出，加入到针道集c中。
59.s6、更新靶区点集，重复s4，生成多组可行解针道，再重复s5，进行更新针道集c；
60.s61、使用针道集c，删除靶区点集tar中距离针道集c小于rs的点；
61.s62、重复s4，从靶区点集tar和入射平面中随机选点生成候选针道，并将贡献度最大的候选针道加入到针道集c中，进行更新针道集c。
62.s7、重复s6，直到靶区点集tar中所有的点都被删除，最终得到更新后的针道集c，完成针道的优化。
63.s8、结合s7中的更新后的针道集c，通过优化后的针道可以进一步调整在这个针道上的驻留位置及驻留时间，同时结合剂量学约束，进行最终的剂量学优化。
64.以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。