CN105825073B - 一种在线放疗计划质量控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线放疗计划质量控制软件，包括DVH预警值模板设定界面、数据读入界面、放疗计划DVH预警值设定界面、勾画与融合界面、计划评估界面、在线调整界面、图像变形配准算法、在线计划修改算法、剂量计算算法。本发明通过原始图像和在线图像生成融合图像以及描述靶区和危及器官轮廓的在线勾画，利用其进行剂量计算生成DVH，并与医生设定的DVH预警值进行比较，实现了放疗计划的在线评估和调整，保证了放疗计划的精准实施。

Description

一种在线放疗计划质量控制系统

技术领域

本发明涉及一种在线放疗计划质量控制系统，其通过导入的原始图像和在线图像生成融合图像以及描述靶区和危及器官轮廓的在线勾画，进而利用生成的剂量体积直方图（DoseVolumeHistogram,DVH）信息与预先设定的DVH预警值进行比较，最终达到在线放疗计划质量控制的目的。

背景技术

放射治疗是肿瘤治疗的重要手段之一。随着三维适形和调强放疗计划的应用，靶区的边缘通常具有“陡峭”的剂量跌落，这在提高放疗计划质量的同时也意味着计划时和治疗时微小的差异都可能使部分靶区脱离高剂量区，或使紧邻的危及器官遭受过量辐射。导致计划时和治疗时差异的原因有很多，主要包括如下的几个方面：治疗过程中肿瘤和危及器官的位置和形状变化以及它们之间相对位置关系的变化、患者的摆位误差、电动多叶准直器叶片的运动误差、计划系统的剂量计算误差和计划传输过程中造成的误差等。因此，放疗计划的质量控制就变得非常必要。目前，放疗计划质量控制的方法有很多，在剂量验证方面有剂量胶片法、平面探测器阵列法、电子射野影像法(EPID)等。但是，剂量胶片法的洗片条件、摆位、重复性、参考点的确定等均会影响测量结果，且工作量大，胶片的重复利用率低。平面探测器阵列法其测量面积受限，无法一次对所有的叶片到位情况进行检测，EPID也是测量面积不够大，而且需配套电动平移设备，对硬件要求较高。而且，上述剂量验证均基于如下的假设：如果计划系统在模体中计算的该计划的剂量是正确的，那么计划系统在患者体内计算的该计划的剂量也是正确的。在患者的位置控制上，有体膜、负压袋控制患者姿态，有基于正交投影图像或基于锥形束CT的患者位置校正等。但在实际的放疗过程中，除了摆位误差，还有肿瘤及其周围重要器官的位置和形状变化影响放疗精度。这些变化可分为两大类，一类反应不同治疗分次间的变化，比如器官充盈、肿瘤退缩等引起的变化；另一类反映分次治疗内的变化，比如呼吸运动、肠胃蠕动等，这两类变化都会使实际治疗时的剂量分布与放疗计划上的剂量分布产生差异，影响了放疗的精度。

发明内容

本发明为了评估和克服肿瘤及其周围重要器官分次间变化对放疗质量的影响，提供了一种在线放疗计划质量控制系统。此系统通过原始图像和在线图像生成融合图像以及描述靶区和危及器官轮廓的在线勾画，利用其进行剂量计算生成DVH，并与医生设定的DVH预警值进行比较，来进行在线放疗计划质量控制。

本发明采用的技术方案是：一种在线放疗计划质量控制系统，此系统包括DVH预警值模板设定模块、数据读入模块、放疗计划DVH预警值设定模块、勾画与融合模块、计划评估模块、在线调整模块、图像变形配准算法、在线计划修改算法、剂量计算算法。

此系统的主要发明内容包括以下几点：

1.DVH预警值设置和预警值模板

不同于放疗计划优化时设置的DVH约束，放疗计划优化时设置的DVH约束是为了得到满 意的剂量分布而不断调整得到的，其并不一定是临床意义上需要的DVH指标。DVH预警值则是用户设置的临床意义上的剂量条件，当实际DVH超出此预警值时，此系统可产生对应的提示信息，以提醒用户计划实施存在的风险。

2.带有预处理的CT图像配准

用于放疗计划的原始图像常常是增强CT图像，增强CT图像需要注入造影剂使病变组织与邻近正常组织间的密度差增加，以利发现病灶。但注入造影剂的血管会显示极高的HU值，在线CT通常不进行增强扫描，对应血管会显示正常值，2次扫描图像中这些血管HU值的巨大差异，常使配准结果扭曲变形，造成错配。通过对增强CT图像的识别和预处理，可增加配准准确性，减少用户人工干预的工作量，提高效率。

3.生成和原始图像相同覆盖范围的在线融合图像

和用于制定放疗计划的原始图像相比，在线图像通常只有较小的扫描范围，比如目前集成在加速器上的锥形束CT设备在旋转轴上的扫描范围在17到22厘米之间。变形配准得到的融合图像通常只有和在线图像相同的扫描范围，一些较大的肿瘤靶区或重要的器官轮廓会超出此扫描范围，从而使这些器官的剂量评估、DVH计算不能完成。此系统通过将刚体配准后的原始图像补充到在线图像缺失的区域，并对与变形配准变形场衔接处的刚体配准变形场进行插值处理，来保证融合图像的连续性。这使融合图像对扫描范围以外的器官有一个合理的预估，其覆盖范围与原始图像相同，以使剂量评估和DVH计算可以进行。

4.不同调整方法在线评估和比较

针对在线计划评估发现的不满足实施要求的计划，此系统的在线调整模块提供有在线调整方法的选择控件。进行在线调整的方法有两类：一类是调整治疗床的位置和姿态；另一类是修改放疗计划。用户可同时选择不同的在线调整方法，重新计算各个在线调整方法调整后的在线剂量分布，生成靶区和器官的在线DVH，并在同一个DVH图中对比显示，以方便用户对不同的在线调整方法进行选择。

通过上述发明内容，此系统实现了放疗计划的在线评估和调整，保证了放疗计划的精准实施。

附图说明

图1为实施例1中质量控制系统的工作流程图。

具体实施方式

实施例1

本发明所述的具体实施例为一种在线放疗计划质量控制系统，包括DVH预警值模板设定模块、数据读入模块、放疗计划DVH预警值设定模块、勾画与融合模块、计划评估模块和在线调整模块，图像变形配准算法、在线计划修改算法、剂量计算算法。

本发明的在线放疗计划质量控制系统实现了一种在线放疗计划质量控制流程，包括以下步骤：

1)从数据读入模块读入在线图像、原始放疗计划、原始勾画、原始图像和原始剂量信息。此系统实现了一个DICOM客户端程序，通过DICOM查询、移动等操作获取上述信息。读入数据可以是人工查询和选择读入，也可以是系统自动读入。系统自动读入原始放疗计划、原始勾画、原始图像和原始剂量信息依靠加速器控制台向此系统发送当前患者的姓名、ID、计划唯一标识信息，由此系统从DICOM服务器查询和读取相关数据。系统自动读入在线图像依靠在线影像控制台向此系统发送当前患者的姓名、ID、在线图像唯一标识信息，由此系统从DICOM服务器查询和读取相关数据。所述在线图像为锥形束CT图像，当然也可以为CT、MR、PET或超声中的一种。

所述原始图像为定位CT图像。

2)在放疗计划DVH预警值设定模块设定原始放疗计划DVH预警值。在DVH预警值模板设定模块可以设定不同部位肿瘤和危及器官的默认DVH预警值作为模板。DVH预警值设定模块启动时会根据器官名称和靶区位置自动匹配合适的DVH预警值模板，为肿瘤和危及器官分配默认的DVH预警值。对于一个具体的放疗计划，默认分配的DVH预警值可被修改，使用户可以根据放疗计划的具体情况设置特定的DVH预警值。

3)在勾画与融合模块进行在线图像与原始图像配准，自动生成与原始图像覆盖范围相同的融合图像以及描述靶区和危及器官轮廓的在线勾画；图像配准过程由先进行的刚体配准和在刚体配准结果基础上的变形配准两步构成。由于原始图像通常具有更大的扫描范围，因此原始图像到在线图像的变形配准常常是局部的，而刚体配准则是可以作用在整个原始图像上的。图像配准的结果是一个变形向量场。在线图像范围内的变形向量场是先刚体再变形配准产生的，而在线图像范围外的变形向量场则只是刚体配准产生的。通过对与变形配准变形向量场衔接处的刚体配准变形向量场进行插值处理，来使整个变形向量场覆盖整个原始图像，且有一定的连续性。从而使对应的融合图像具有和原始图像相同的覆盖范围，图像也保持一定的连续性。专利（申请号：201610417695.2）实现了一种带有预处理 的在线CT和原始CT变形配准计算机程序。其中刚体配准算法和变形配准算法均采用GPU并行计算。

4)由医生确定自动生成的描述靶区和危及器官轮廓的勾画是否同在线图像的轮廓一致；如是，则直接进入下一步；如否，则勾画与融合模块提供手工修改器官轮廓的工具，例如铅笔、橡皮擦、推轮等，医生利用这些工具可对器官轮廓进行修改，使其准确反映器官的轮廓信息，同时融合图像也随轮廓的修改进行对应的更新。

5)在计划评估模块根据融合后的图像、在线勾画、原始放疗计划，若获取在线图像后通过移动治疗床对患者进行了精确摆位，还要结合移床数据，重新计算当前放疗计划的在线剂量分布，生成靶区和器官的在线DVH；若在线DVH在医生设定的DVH预警值以内，进入步骤6)；若在线DVH不在医生设定的DVH预警值以内，则进入步骤7)；其中剂量计算算法默认 采用GPU并行计算的卷积方法，也可设置为GPU并行计算的蒙特卡洛方法。

6)在计划评估模块提示用户当前计划未超出预警范围，是否执行此放疗计划，如用户选择是，结束流程；如用户选择否，则进入步骤8)进行在线调整。

7)在计划评估模块提示用户超出预警范围，是否进行在线调整；如果用户选择是，则进入步骤8)进行在线调整；如用户选择否，则在超出预警范围的情况下结束流程；其中提示用户超出预警范围，表现为在剂量显示模块高亮显示超出预警值对应的剂量区域，并且在DVH图上高亮显示超出预警值对应的剂量区域。

8)在在线调整模块根据融合后的图像、器官的勾画轮廓和临床要求，选择需要评估的在线调整方法。在线调整的方法有两类：一类是调整治疗床的位置和姿态；另一类是修改放疗计划。

在在线调整模块提供多个方法调整治疗床的姿态：

方法一，通过基于CT值的刚体配准获得移床数据。目前用于直线加速器的锥形束CT控制台OBI和XVI进行刚体配准均采用这种方法。即根据骨、软组织等指定CT值范围内的图像进行刚体配准。

方法二，通过基于感兴趣区加权的方式获得移床数据。专利“一种根据在线影像产生治疗床调整数据的计算机程序”（申请号：201610422704.7）提供了这种方法的一个详细描述。

方法三，直接手工输入移床数据。

在线调整模块提供复选控件，用户可选择多个调整治疗床的方法进行评估。

在在线调整模块提供两步修改放疗计划的方法：第一步根据肿瘤靶区和器官沿射线方向投影的轮廓变化，修改各个子野光栅叶片位置；第二步，在当前射野权重的基础上，进一步优化各个射野的权重。用户可选择只评估第一步，也可选择两步都评估。其中重新优化射野权重的算法默认为GPU并行计算的共轭梯度法，还可设置为GPU并行计算的Barzilai-Borwein算法。

9)在计划评估模块根据融合后的图像、在线勾画、选择的在线调整方法，重新计算各个在线调整方法调整后的在线剂量分布，生成靶区和器官的在线DVH，并在同一个DVH图中对比显示。用户可选择满意的在线调整方法，若满意的在线调整方法修改了放疗计划，则将修改后的计划发送到DICOM服务器，结束流程。若对所有调整方法的结果都不满意，重新进行步骤8)进行在线调整。

Claims (9)

1.一种在线放疗计划质量控制系统，其特征在于，所述系统包括DVH预警值模板设定模块、数据读入模块、放疗计划DVH预警值设定模块、勾画与融合模块、计划评估模块、在线调整模块、图像变形配准算法、在线计划修改算法、剂量计算算法；

其中，所述DVH预警值是用户设置的临床意义上的剂量条件，当实际DVH超出所述DVH预警值时，所述系统能够产生对应的提示信息；所述放疗计划DVH预警值设定模块能够设定原始放疗计划DVH预警值，用户可以根据放疗计划的具体情况设置特定的DVH预警值；所述勾画与融合模块能够进行在线图像与原始图像配准，自动生成与原始图像覆盖范围相同的融合图像以及描述靶区和危及器官轮廓的在线勾画。

2.一种在线放疗计划质量控制系统，其特征在于，所述系统实现了一种在线放疗计划质量控制流程，所述流程包括以下步骤：

1）在数据读入模块从DICOM服务器读入在线图像、原始放疗计划、原始勾画、原始图像和原始剂量信息，设置原始放疗计划为当前放疗计划；

2）在放疗计划DVH预警值设定模块设定原始放疗计划DVH预警值；

3）在勾画与融合模块进行在线图像与原始图像配准，自动生成与原始图像覆盖范围相同的融合图像以及描述靶区和危及器官轮廓的在线勾画；

4）由医生确定自动生成的描述靶区和危及器官轮廓的勾画是否同在线图像的轮廓一致；如是，则直接进入下一步；如否，则由医生对器官轮廓进行修改，使其准确反映器官的轮廓信息，同时融合图像也随轮廓的修改进行对应的更新；

5）在计划评估模块根据融合后的图像、在线勾画、当前放疗计划，若获取在线图像后通过移动治疗床对患者进行了精确摆位，还要结合移床数据，重新计算当前放疗计划的在线剂量分布，生成靶区和器官的在线DVH；若在线DVH在医生设定的DVH预警值以内，进入步骤6)；若在线DVH不在医生设定的DVH预警值以内，则进入步骤7)；

6）在计划评估模块提示用户当前计划未超出预警范围，是否执行此放疗计划，如用户选择是，结束流程；如用户选择否，则进入步骤8)进行在线调整；

7）在计划评估模块提示用户超出预警范围，是否进行在线调整；如果用户选择是，则进入步骤8)进行在线调整；如用户选择否，则在超出预警范围的情况下结束流程；

8）在在线调整模块根据融合后的图像、器官的勾画轮廓和临床要求，选择需要评估的在线调整方法，在线调整的方法有两类：一类是调整治疗床的位置和姿态；另一类是修改放疗计划；

9）在计划评估模块根据融合后的图像、在线勾画、选择的在线调整方法，重新计算各个在线调整方法调整后的在线剂量分布，生成靶区和器官的在线DVH，并在同一个DVH图中对比显示，用户可选择满意的在线调整方法，若满意的在线调整方法修改了放疗计划，则将修改后的计划发送到DICOM服务器，结束流程，若对所有调整方法的结果都不满意，重新进行步骤8)进行在线调整。

3.根据权利要求2所述的一种在线放疗计划质量控制系统，其特征在于，对于步骤2）中所述DVH预警值，不同的器官和靶区对应各自的DVH预警值，所述DVH预警值可以来自于一个模版也可以根据病人的特征设定独特的DVH预警值。

4.根据权利要求2所述的一种在线放疗计划质量控制系统，其特征在于，步骤3）中所述配准开始前执行一个对原始图像的预处理，具体为：自动识别原始图像是否增强CT图像，对增强CT图像中增强的血管进行自动分割，并对其像素值进行还原处理。

5.根据权利要求2所述的一种在线放疗计划质量控制系统，其特征在于，步骤3）中所述配准过程是刚体配准和变形配准的组合，先进行刚体配准，然后在刚体配准的基础上进行变形配准，对与变形配准变形场衔接处的刚体配准变形场进行插值处理。

6.根据权利要求2所述的一种在线放疗计划质量控制系统，其特征在于，步骤3）中所述融合图像是通过形变配准的方法，建立原始图像和在线图像位置对应关系，将原始图像的密度值映射到在线图像上生成融合图像，从而使得融合图像既具有当前器官的位置信息也具有准确的图像密度信息。

7.根据权利要求2所述的一种在线放疗计划质量控制系统，其特征在于，步骤8）中的修改放疗计划，具体为：根据靶区和器官沿射线方向投影的轮廓变化修改各个子野光栅叶片位置，然后还可以选择继续优化各个子野的权重。

8.根据权利要求2所述的一种在线放疗计划质量控制系统，其特征在于，步骤7）中的提示用户超出预警范围，具体为：在剂量显示界面高亮显示超出预警值对应的剂量区域。

9.根据权利要求2所述的一种在线放疗计划质量控制系统，其特征在于，步骤7）中的提示用户超出预警范围，具体为：在DVH图上高亮显示超出预警值对应的剂量区域。