CN102024097A - 一种治疗计划中靶点布置优化方法和治疗计划系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种治疗计划中靶点布置优化方法，包括根据病人体内的病灶在靶体上进行治疗靶点布置的过程，所述过程包括：设置靶点优化参数，所述参数包括：处方剂量、准直器规格和靶体剂量约束；根据靶体轮廓数据构建靶体体素模型；根据处方剂量和准直器规格进行靶点布置；根据所述靶点布置进行剂量计算；根据所述剂量计算的结果和靶体剂量约束进行靶体剂量约束的第一评估，并根据所述第一评估的结果调整靶点位置并更新剂量计算结果；输出靶点布置结果。本发明还公开了一种治疗计划系统。本发明根据剂量计算结果通过靶体剂量约束调整靶点位置，提高了优化的效率，增加了靶点布置的剂量适形度，增加了对靶体肿瘤的局部控制，提高了治疗效果。
Description
技术领域
本发明涉及放射治疗的剂量规划，尤其涉及一种治疗计划中靶点布置优化方法和治疗计划系统。
背景技术
立体定向放射治疗手术或立体定向放射治疗是放射治疗中常见的两种放射治疗技术，常见的设备是基于钴-60放射源的伽玛刀和基于电子加速器的X刀。前者通常采用多个钴-60放射源聚焦照射的方式，使靶体接受高剂量的均匀照射而周围健康组织受量很低以达到控制或根除病变的目的。利用伽玛刀治疗设备实施放射治疗之前，通常需要制定出一个可接受的放射治疗计划。在制定治疗计划时，医生和物理师需要根据靶体的体积和形状，确定靶点数目，调整每个靶点的位置、每个靶点对应的准直器大小以及每个靶点的相对权重等参数，以获得一个全局适形的治疗计划。由于涉及的参数很多，尤其是当靶体的体积较大且形状不规则，或者靶体邻近有健康组织时，这是一个非常费时的过程，同时对计划设计人员的经验和技能要求很高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种能提高优化效率的靶点布置优化方法。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述方法的治疗计划系统。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种治疗计划中靶点布置优化方法，包括治疗前在治疗计划中，根据病人体内的病灶在靶体上进行治疗靶点布置的过程，所述过程包括：
步骤A：设置靶点优化参数，所述参数包括：处方剂量、准直器规格和靶体剂量约束；
步骤B：根据靶体轮廓数据构建靶体体素模型；
步骤C：根据处方剂量和准直器规格进行靶点布置；
步骤D：根据所述靶点布置进行剂量计算；
步骤E：根据所述剂量计算的结果和靶体剂量约束进行靶体剂量约束的第一评估，并根据所述第一评估的结果调整靶点位置并更新剂量计算结果；
步骤G：输出靶点布置结果。
其中所述步骤E包括：
步骤E1：将所述靶体体素模型划分为预设数目的子区域；
步骤E2：计算所述子区域中大于等于处方剂量的体素数目与区域中总体素数目的比值；
步骤E3：搜索具有最大所述比值的子区域，并将靶点朝远离所述具有最大所述比值的子区域的方向调整，更新剂量计算结果；
步骤E4：重复步骤E2至E3，直至迭代次数大于第一迭代次数。
其中所述步骤E3包括：搜索具有最大所述比值的子区域，构造从预设子区域中心指向具有最大所述比值的子区域的第一矢量，将靶点沿所述第一矢量方向相反的方向调整，调整步长为剂量最大点所在体素和靶点之间的距离之差与所述第一迭代次数的商，更新剂量计算结果。
其中所述靶点优化参数还包括靶体周边健康组织和危及器官剂量约束；
在所述步骤D和步骤G之间还包括：
步骤F：根据剂量计算结果和所述靶体周边健康组织和危及器官剂量约束进行靶体周边健康组织和危及器官剂量约束的第二评估，并根据所述第二评估的结果调整靶点位置并更新剂量计算结果。
其中所述步骤F包括：
步骤F1：在靶体周边健康组织和危及器官剂量中搜索具有剂量最大值的体素，并将靶点朝远离所述具有剂量最大值体素的方向调整，更新剂量计算结果；
步骤F2：重复步骤F1，直至迭代次数大于第二迭代次数。
其中所述步骤F1包括：在靶体周边健康组织和危及器官剂量中搜索具有剂量最大值的体素，构建所述具有剂量最大值的体素指向靶点的第二矢量，并将靶点沿所述第二矢量方向调整，调整步长为所述具有剂量最大值的体素与靶点之间的距离与所述第二迭代次数的商，更新剂量计算结果。
一种治疗计划系统，用于病人进行放射治疗前的剂量规划，包括靶点布置优化模块，用于在治疗计划中根据预设的靶体剂量约束、靶体周边健康组织和危及器官的剂量约束布置靶点并输出靶点布置结果，所述靶点布置优化模块包括靶体体素单元、参数设置单元、布靶单元、剂量计算单元、第一评估单元；
所述靶体体素单元用于根据靶体轮廓数据构建靶体体素模型；
所述参数设置单元用于设置靶点优化参数，所述参数包括：处方剂量、准直器规格和靶体剂量约束；
所述布靶单元用于根据处方剂量和准直器规格进行靶点布置；
所述剂量计算单元用于根据靶点布置进行剂量计算；
所述第一评估单元用于根据所述剂量计算的结果和靶体剂量约束进行靶体剂量约束的第一评估，并根据所述第一评估的结果调整靶点位置并更新剂量计算结果。
其中所述第一评估单元包括计算单元、第一调整单元和第一迭代单元，所述计算单元用于：将所述靶体体素模型划分为预设数目的子区域，计算所述子区域中大于等于处方剂量的体素数目与区域中总体素数目的比值；所述第一调整单元用于搜索具有最大所述比值的子区域，并将靶点朝远离所述具有最大所述比值的子区域的方向调整，调用所述剂量计算单元更新剂量计算结果；所述第一迭代单元用于迭代调用所述第一调整单元，直至迭代次数大于第一迭代次数。
其中所述靶点优化参数还包括靶体周边健康组织和危及器官剂量约束；
靶点布置优化模块还包括第二评估单元，用于根据剂量计算结果和所述靶体周边健康组织和危及器官剂量约束进行靶体周边健康组织和危及器官剂量约束的第二评估，并根据所述第二评估的结果调整靶点位置并更新剂量计算结果。
其中所述第二评估单元包括第二调整单元和第二迭代单元，所述第二调整单元用于在靶体周边健康组织和危及器官剂量中搜索具有最大值的体素，并将靶点朝远离所述具有最大值体素的方向调整，调用所述剂量计算单元更新剂量计算结果；所述第二迭代单元用于迭代调用所述第二调整单元，直至迭代次数大于第二迭代次数。
由于采用了以上技术方案，使本发明具备的有益效果在于：
(1)本发明在靶点布置过程中加入了剂量计算，并根据剂量计算结果通过靶体剂量约束调整靶点位置，提高了优化的效率，增加了靶点布置的剂量适形度，增加了对靶体肿瘤的局部控制，提高了治疗效果；
(2)本发明采取将靶区分区的方法，针对子区域获取靶点调整的方向，使得靶点位置的调整更加高效；
(3)本发明在优化过程中考虑到了健康组织/危及器官的剂量约束，并针对该约束进行靶点调整，提升了对健康组织/危及器官的保护。
附图说明
图1示出根据本发明治疗计划中靶点布置优化方法的一个实施例的流程图；
图2示出根据本发明治疗计划中靶点布置优化方法的另一个实施例的流程图；
图3示出根据本发明方法另一个实施例的靶体轮廓插值的示意图；
图4示出根据本发明方法另一个实施例的靶体体素化的示意图；
图5a示出根据本发明方法另一个实施例的2D区域划分的示意图；
图5b示出根据本发明方法另一个实施例的3D区域划分的示意图；
图5c示出根据本发明方法另一个实施例的区域划分建立坐标系的示意图；
图6示出根据本发明治疗计划系统的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
治疗计划中，靶体定义以后，需要在靶体上布置治疗用的靶点，靶点的信息包括靶点位置、靶点的准直器规格以及靶点的弧段等。在布置靶点的过程中，需要考虑对靶体的适形覆盖，也就是尽量让剂量分布与靶体的形状一致，这样就可以将尽量多的放射剂量投射到靶体上，而将尽量少的剂量投射到周围健康组织和危及器官上。危及器官主要是指需要特别保护的器官，对于头部而言，主要包括眼睛、脑干等，对于体部包括脊髓等。
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1示出根据本发明治疗计划中靶点布置优化方法的一个实施例的流程图，包括：
步骤102：设置靶点优化参数，该参数包括：处方剂量、准直器规格和靶体剂量约束；
步骤104：根据靶体轮廓数据构建靶体体素模型；
步骤106：根据处方剂量和准直器规格进行靶点布置；
步骤108：根据靶点布置进行剂量计算；
步骤110：根据剂量计算的结果和靶体剂量约束进行靶体剂量约束的第一评估，并根据第一评估的结果调整靶点位置并更新剂量计算结果；
步骤112：输出靶点布置结果。
一种实施方式，其中步骤110进一步包括：
步骤1102：将靶体体素模型划分为预设数目的子区域；该预设数目可设为4、6或8等等；
步骤1104：计算子区域中大于或等于处方剂量的体素数目与区域中总体素数目的比值；
步骤1106：搜索具有最大比值的子区域，并将靶点朝远离该具有最大比值的子区域的方向调整，更新剂量计算结果；
步骤1108：重复步骤1104至1106，直至迭代次数大于第一迭代次数。
一种实施方式，其中步骤1106包括：搜索具有最大比值的子区域，构造预设子区域中心指向具有最大比值的子区域的第一矢量，将靶点沿第一矢量方向相反的方向调整，调整步长为剂量最大点所在体素和靶点之间的距离之差与第一迭代次数的商，更新剂量计算结果。
一种实施方式，其中靶点优化参数还包括靶体周边健康组织和危及器官剂量约束；在步骤106和步骤112之间还包括：
步骤111：根据剂量计算结果和所述靶体周边健康组织和危及器官剂量约束进行靶体周边健康组织和危及器官剂量约束的第二评估，并根据所述第二评估的结果调整靶点位置并更新剂量计算结果。
一种实施方式，其中步骤111进一步包括：
步骤1112：在靶体周边健康组织和危及器官剂量中搜索具有剂量最大值的体素，并将靶点朝远离所述具有剂量最大值体素的方向调整，更新剂量计算结果；
步骤1114：重复步骤1112，直至迭代次数大于第二迭代次数。
一种实施方式，其中步骤1112包括：在靶体周边健康组织和危及器官剂量中搜索具有剂量最大值的体素，构建具有剂量最大值的体素指向靶点的第二矢量，并将靶点沿所述第二矢量方向调整，调整步长为具有剂量最大值的体素与靶点之间的距离与第二迭代次数的商，更新剂量计算结果。
第一迭代次数和第二迭代次数可分别为某个预设的值。
本领域技术人员应该理解，上述步骤为示例性的，其标号并不构成对其顺序的限制，例如步骤111就可在步骤110之前。
图2示出根据本发明治疗计划自动靶点布置方法的另一个实施例的流程图，包括：
步骤202：输入患者定位图像序列，勾画患者体表、靶体、感兴趣组织等的外轮廓；
步骤204：设置靶点布置优化参数；
处方剂量线Pd：一般选择50％等剂量线；
危及器官/健康组织限制剂量OARdi：为危及器官/健康组织的最大剂量限制；
靶体覆盖率(Coverage)PTVc：为处方剂量包络靶体体积占靶体总体积的百分比，一般选择为95％；
靶体剂量评估过程中，当前预设靶点位置调整最大迭代次数，即第一迭代次数：NPTVf；
危及器官/健康组织剂量评估过程中，当前预设靶点位置调整最大迭代次数，即第二迭代次数：NOARf；
步骤206：构造靶体3D体素模型；
根据用户在定位序列图像上勾画的2D靶体外轮廓，构造靶体3D体素模型如下：
A：插值靶体外轮廓；
通常定位扫描时，采用的层厚或层间距比定位图像的像素尺寸大很多，为了构造靶体的3D体素模型，需要对靶体外轮廓进行插值，如图3所示，Sn和Sn+1为两相邻定位图像，不规则图形为勾画的靶体外轮廓，Si为Sn和Sn+1之间通过插值得到的某新图像及其新靶体轮廓。
B：通过体素化构造靶体3D体素模型；
对靶体外轮廓进行插值后，将靶体轮廓体素化即得到靶体的3D体素模型，如图4所示，其中P表示体素。靶体3D体素模型通常需要足够高的分辨率以确保后续自动靶点布置获得好的结果。一种可选择的分辨率是采用患者定位图像的分辨率，这个分辨率一般为0.5mm-1mm。
步骤208：选择用于靶点布置的准直器规格。
可以根据实际靶体形状、大小或者临床治疗方面的考虑，选择采用不同规格的准直器进行自动靶点布置时。例如：对于某个靶体，可以选择F0.8cm和F1.5cm两个规格的准直器或者选择F0.8cm、F1.5cm和F2.5cm三个规格的准直器来进行自动靶点布置。
步骤210：布置靶点。
靶点布置可以采用手工布置或自动靶点布置，将靶点设置在靶体的某个区域。
步骤212：剂量计算。
根据确定的靶点，包括位置、准直器规格等信息，利用剂量计算引擎进行剂量计算，同时保存所有预设靶点各自的剂量场分布。
步骤214：靶体剂量评估。
根据剂量计算获得的实际剂量场分布，评估靶体剂量分布。这个步骤是评估处方剂量(通常为50％等剂量线/面)对靶体的包络效果，即靶体适形度。评估采用分区域评估方式，即以预设靶点位置或以预设组合靶点的几何中心为基准，将靶体划分为若干个区域，然后逐区域进行评估。
一种实施方式，采用均匀划分，如图5a所示，其为采用均匀区域划分方式将靶体划分为8个区域的2D示意图。类似地，可以将3D靶体同样划分为8个区域，如图5b所示。
每个区域给定一个特定方向，并用一个方向矢量Rd表示。以区域3为例，其方向角定义如下：以划分区域基准点位坐标原点O，建立如图5c所示的坐标系；区域3的方向矢量OR过O点，将区域3均匀划分为两个部分；方向矢量OR与x轴的夹角定义为区域3的方向角。
划分区域的目的是分区域评估靶体边界的剂量适形度，为接下来当前靶点参数的调整提供依据。具体方法如下：
(1)逐区域计算靶体3D边界体素中，剂量值大于某个预设剂量值(通常预设为处方剂量值)的边界点数目，占该区域范围内靶体3D边界体素总数的比例Ri，其中，Ri＝Ni1/Ni0；
式中：
i：表示靶体划分的区域数目，本例中为i＝8；
Ni1：表示第i个区域内，靶体3D边界上剂量值大于预设剂量值的体素数目
Ni0：表示第i个区域内，靶体3D边界上体素总数目；
Ri越大，说明该区域靶体3D边界受到了过剂量照射，处方剂量包络的体积过大。
(2)根据计算得到的各区域Ri值，进行当前预设靶点参数的调整：首先搜索最大的Ri值，即获得靶体过剂量照射最大的区域，比如第3个区域。然后将当前预设靶点的位置沿着该区域方向矢量相反的方向调整靶点位置。移动增量为剂量最大点体素距离靶点的距离之差除以当前迭代次数，更新剂量计算的结果，直到迭代次数大于预设的最大迭代次数NPTVf。
步骤216：靶体周边健康组织或危及器官的剂量约束评估。
根据剂量计算获得的实际剂量场分布，评估靶体周边健康组织或危及器官的剂量约束是否得到满足，如果剂量约束得不到满足，则调整当前预设靶点的位置，更新剂量计算结果，直到迭代次数大于预设的最大迭代次数NOARf。
靶点位置调整方法：搜索靶体周边健康组织或危及器官剂量大于OARdi的体素中剂量最大值体素的位置Pm。当前靶点位置调整方向与矢量PmPc一致。移动增量为Pm点与Pc点之间距离之差除以当前迭代次数。
在本实施例中，为了更好地保护靶体周边健康组织或危及器官，还需要检测照射束是否直接照射健康组织或危及器官。对于那些直接照射到需要保护的健康组织或危及器官的照射束，则将其关闭。这样可以更好地保护需要保护的组织。
步骤218：输出靶点布置结果。
图6示出根据本发明治疗计划系统的一个实施例的结构示意图，其用于用于放射治疗的剂量规划，包括靶点布置优化模块，用于根据预设的靶体剂量约束、靶体周边健康组织和危及器官的剂量约束布置靶点并输出靶点布置结果，该靶点布置优化模块包括靶体体素单元、参数设置单元、布靶单元、剂量计算单元、第一评估单元；
靶体体素单元用于根据靶体轮廓数据构建靶体体素模型；
参数设置单元用于设置靶点优化参数，该参数包括：处方剂量、准直器规格和靶体剂量约束；
布靶单元用于根据处方剂量和准直器规格进行靶点布置；
剂量计算单元用于根据靶点布置进行剂量计算；
第一评估单元用于根据剂量计算的结果和靶体剂量约束进行靶体剂量约束的第一评估，并根据第一评估的结果调整靶点位置并更新剂量计算结果。
一种实施方式，其中所述第一评估单元包括计算单元、第一调整单元和第一迭代单元，该计算单元用于：将靶体体素模型划分为预设数目的子区域，计算子区域中大于等于处方剂量的体素数目与区域中总体素数目的比值；该第一调整单元用于搜索具有最大所述比值的子区域，并将靶点朝远离具有最大所述比值的子区域的方向调整，调用剂量计算单元更新剂量计算结果；第一迭代单元用于迭代调用第一调整单元，直至迭代次数大于第一迭代次数。
一种实施方式，其中靶点优化参数还包括靶体周边健康组织和危及器官剂量约束；靶点布置优化模块还包括第二评估单元，用于根据剂量计算结果和所述靶体周边健康组织和危及器官剂量约束进行靶体周边健康组织和危及器官剂量约束的第二评估，并根据第二评估的结果调整靶点位置并更新剂量计算结果。
一种实施方式，其中第二评估单元包括第二调整单元和第二迭代单元，第二调整单元用于在靶体周边健康组织和危及器官剂量中搜索具有最大值的体素，并将靶点朝远离具有最大值体素的方向调整，调用剂量计算单元更新剂量计算结果；第二迭代单元用于迭代调用第二调整单元，直至迭代次数大于第二迭代次数。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种治疗计划中靶点布置优化方法，包括治疗前在治疗计划中，根据病人体内的病灶在靶体上进行治疗靶点布置的过程，其特征在于，所述过程包括：
步骤A：设置靶点优化参数，所述参数包括：处方剂量、准直器规格和靶体剂量约束；
步骤B：根据靶体轮廓数据构建靶体体素模型；
步骤C：根据处方剂量和准直器规格进行靶点布置；
步骤D：根据所述靶点布置进行剂量计算；
步骤E：根据所述剂量计算的结果和靶体剂量约束进行靶体剂量约束的第一评估，并根据所述第一评估的结果调整靶点位置并更新剂量计算结果；
步骤G：输出靶点布置结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述步骤E包括：
步骤E1：将所述靶体体素模型划分为预设数目的子区域；
步骤E2：计算所述子区域中大于等于处方剂量的体素数目与区域中总体素数目的比值；
步骤E3：搜索具有最大所述比值的子区域，并将靶点朝远离所述具有最大所述比值的子区域的方向调整，更新剂量计算结果；
步骤E4：重复步骤E2至E3，直至迭代次数大于第一迭代次数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述步骤E3包括：
搜索具有最大所述比值的子区域，构造从预设子区域中心指向具有最大所述比值的子区域的第一矢量，将靶点沿所述第一矢量方向相反的方向调整，调整步长为剂量最大点所在体素和靶点之间的距离之差与所述第一迭代次数的商，更新剂量计算结果。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述靶点优化参数还包括靶体周边健康组织和危及器官剂量约束；
在所述步骤D和步骤G之间还包括：
步骤F：根据剂量计算结果和所述靶体周边健康组织和危及器官剂量约束进行靶体周边健康组织和危及器官剂量约束的第二评估，并根据所述第二评估的结果调整靶点位置并更新剂量计算结果。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述步骤F包括：
步骤F1：在靶体周边健康组织和危及器官剂量中搜索具有剂量最大值的体素，并将靶点朝远离所述具有剂量最大值体素的方向调整，更新剂量计算结果；
步骤F2：重复步骤F1，直至迭代次数大于第二迭代次数。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，其中所述步骤F1包括：
在靶体周边健康组织和危及器官剂量中搜索具有剂量最大值的体素，构建所述具有剂量最大值的体素指向靶点的第二矢量，并将靶点沿所述第二矢量方向调整，调整步长为所述具有剂量最大值的体素与靶点之间的距离与所述第二迭代次数的商，更新剂量计算结果。
7.一种治疗计划系统，用于病人进行放射治疗前的剂量规划，其特征在于，包括靶点布置优化模块，用于在治疗计划中根据预设的靶体剂量约束、靶体周边健康组织和危及器官的剂量约束布置靶点并输出靶点布置结果，所述靶点布置优化模块包括靶体体素单元、参数设置单元、布靶单元、剂量计算单元、第一评估单元；
所述靶体体素单元用于根据靶体轮廓数据构建靶体体素模型；
所述参数设置单元用于设置靶点优化参数，所述参数包括：处方剂量、准直器规格和靶体剂量约束；
所述布靶单元用于根据处方剂量和准直器规格进行靶点布置；
所述剂量计算单元用于根据靶点布置进行剂量计算；
所述第一评估单元用于根据所述剂量计算的结果和靶体剂量约束进行靶体剂量约束的第一评估，并根据所述第一评估的结果调整靶点位置并更新剂量计算结果。
8.如权利要求7所述的治疗计划系统，其特征在于，其中所述第一评估单元包括计算单元、第一调整单元和第一迭代单元，所述计算单元用于：将所述靶体体素模型划分为预设数目的子区域，计算所述子区域中大于等于处方剂量的体素数目与区域中总体素数目的比值；所述第一调整单元用于搜索具有最大所述比值的子区域，并将靶点朝远离所述具有最大所述比值的子区域的方向调整，调用所述剂量计算单元更新剂量计算结果；所述第一迭代单元用于迭代调用所述第一调整单元，直至迭代次数大于第一迭代次数。
9.如权利要求8所述的治疗计划系统，其特征在于，其中所述靶点优化参数还包括靶体周边健康组织和危及器官剂量约束；
所述靶点布置优化模块还包括第二评估单元，用于根据剂量计算结果和所述靶体周边健康组织和危及器官剂量约束进行靶体周边健康组织和危及器官剂量约束的第二评估，并根据所述第二评估的结果调整靶点位置并更新剂量计算结果。
10.如权利要求7所述的治疗计划系统，其特征在于，其中所述第二评估单元包括第二调整单元和第二迭代单元，所述第二调整单元用于在靶体周边健康组织和危及器官剂量中搜索具有最大值的体素，并将靶点朝远离所述具有最大值体素的方向调整，调用所述剂量计算单元更新剂量计算结果；所述第二迭代单元用于迭代调用所述第二调整单元，直至迭代次数大于第二迭代次数。
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