CN109513121B - 一种剂量引导自适应放射治疗计划重优化系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种剂量引导自适应放射治疗计划重优化系统和方法，该系统包括：导入模块，用于导入研究对象参考图像、解剖结构、计划及剂量信息和当前分次治疗时的引导精准定位的图像；数据处理模块，用于计算将当前图像中的解剖结构与参考图像中的解剖结构变化；计划重优化判断模块，用于根据解剖结构变化判断是否进入计划重优化模块，如果解剖结构变化在阈值以内则进行病人实际接受剂量与计划剂量的比较，如果两者差别较大则需要重优化，否则采用原参考计划作为当前治疗计划；以及计划重优化模块。本发明中计划重优化不仅考虑当前解剖结构与原解剖结构的差别，而且结合研究对象治疗实际接受剂量的情况，采用快速共轭梯度算法自动优化出计划。

Description

一种剂量引导自适应放射治疗计划重优化系统和方法

技术领域

本发明涉及一种剂量引导自适应放射治疗中的计划重优化系统和方法，通过该系统或方法可以得到适于当前图像的优化计划。

背景技术

随着肿瘤放疗技术的发展，治疗过程中器官运动，变形等所引起来的问题变得越来越突出。肿瘤放射治疗整个治疗过程要持续一个月左右，而且分多次治疗，器官的位置和形状在治疗分次间一直在变化，与治疗前不再一致，如果一直采用同一个计划，这样必定会影响治疗的效果。

为了解决这一问题，自适应放疗(Adaptive Radiation Therapy，ART)技术受到越来越多的关注及研究。任何一种通过反馈来调节治疗过程的技术均可纳入ART的范畴，比如影像引导放射治疗(Image Guided Radiotherapy，IGRT)、剂量引导放射治疗(Dose GuidedRadiotherapy，DGRT)等。IGRT主要是采集治疗过程中的患者图像，确保肿瘤位置的精准，而DGRT则是在IGRT的基础上提出的。

DGRT除了要对比图像数据外，还要将治疗时的肿瘤和周围正常组织实际吸收剂量与治疗计划中计算出来的剂量进行比对，以及时调整患者摆位、治疗计划再优化，甚至在必要时修正处方剂量。换言之，如果根据患者每个分次实际照射剂量累积情况，调整后续分次照射剂量，或者根据疗程中肿瘤对治疗的响应情况，调整靶区和(或)处方剂量，则可以实现真正的精准放疗-ART。

目前自适应放射治疗计划重优化大都是基于患者解剖结构的变化，手工简单调整或基于优化算法的部分优化，不能确保优化后的计划的最优性，且没有考虑患者实际接受剂量与期望剂量之间的差别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种剂量引导自适应放射治疗计划重优化系统，以实现放射治疗计划的自动重优化。

本发明的目的在于提供一种剂量引导自适应放射治疗计划重优化方法，以实现放射治疗计划的自动重优化。

为此，本发明一方面提供了一种剂量引导自适应放射治疗计划重优化系统，包括：导入模块，用于按照国际放射治疗数据传输标准导入研究对象参考图像、解剖结构、计划及剂量信息，以及导入研究对象当前分次治疗时的引导精准定位的图像；数据处理模块，用于将研究对象当前分次图像与参考图像采用形变配准算法进行形变配准，并将参考图像中的解剖结构、计划及剂量信息根据形变配准矩阵映射到当前分次图像上，基于当前图像采用自动分割技术完成研究对象解剖结构的分割并确认，最后计算当前图像中的解剖结构与参考图像中的解剖结构变化；计划重优化判断模块，用于首先根据数据处理模块计算得到的解剖结构变化判断是否超过设置的阈值，超过阈值则直接进入计划重优化模块，否则根据研究对象当前分次治疗后体外测量的剂量分布，采用剂量重建方法重建得到研究对象体内实际接受剂量的信息并与期望计划剂量进行比较，如果剂量偏差大于阈值，则将研究对象当前实际所受累积剂量作为背景剂量，进入计划重优化计算模块，否则采用原参考计划作为当前治疗计划；计划重优化模块，用于根据研究对象当前解剖结构，将参考计划作为先验信息，完成计划重优化。

根据本发明的另一方面，提供了一种剂量引导自适应放射治疗计划重优化方法，包括以下步骤：S10、按照国际放射治疗数据传输标准导入研究对象参考图像、解剖结构、计划及剂量信息；S20、导入研究对象当前分次治疗时的引导精准定位的图像；S30、将研究对象当前分次图像与参考图像进行形变配准，将原图像中的解剖结构、计划及剂量信息根据形变配准矩阵映射到当前分次图像上；S40、基于当前图像完成研究对象解剖结构的分割，将当前图像中的解剖结构与参考图像中的解剖结构进行比较，如果研究对象解剖结构变化超过指定阈值，则直接进入步骤S60，否则进入步骤S50；S50、根据研究对象当前分次治疗后体外剂量分布，采用剂量重建方法重建得到研究对象体内实际接受剂量的信息，与期望计划剂量进行比较，如果剂量偏差小于阈值，则将研究对象当前实际所受累计剂量作为背景剂量，进入步骤S60，否则采用原参考计划为当前治疗计划；S60、根据研究对象当前解剖结构，将参考计划作为先验信息，完成计划重优化。

本发明中计划重优化不仅考虑当前解剖结构与原解剖结构的差别，而且结合研究对象治疗实际接受剂量的情况，基于最新的研究对象解剖结构，借助参考计划中的信息，采用快速共轭梯度算法，自动优化出适于当前研究对象状况的最优化计划。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，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。在附图中：

图1是根据本发明的剂量引导自适应放射治疗计划重优化方法的流程图；以及

图2是根据本发明的剂量引导自适应放射治疗计划重优化系统的架构图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明中计划重优化不仅考虑当前解剖结构与原解剖结构的差别，而且结合研究对象(例如患者)治疗实际接受剂量的情况，基于最新的研究对象解剖结构，借助参考计划中的信息，采用快速共轭梯度算法，自动优化出适于当前研究对象状况的最优化计划。

图1和图2示出了根据本发明的一些实施例。

如图1所示，根据本发明的剂量引导自适应放射治疗计划重优化方法，其实现步骤如下：

S10、导入研究对象参考图像、解剖结构、计划及剂量信息；

S20、导入研究对象当前分次治疗时的图像；

S30、将研究对象当前分次图像与参考图像进行形变配准，将原图像中的解剖结构、计划及剂量信息根据形变配准矩阵映射到当前分次图像上；

S40、基于当前图像完成研究对象解剖结构的分割，将当前图像中的解剖结构与参考图像中的解剖结构进行比较，如果研究对象解剖结构变化超过指定阈值，则直接进入步骤S60，否则进入步骤S50；

S50、根据研究对象当前分次治疗后体外剂量分布，采用剂量重建方法重建得到研究对象体内实际接受剂量的信息，与期望计划剂量进行比较，如果剂量偏差小于阈值，则将研究对象当前实际所受累计剂量作为背景剂量，进入步骤S60)，否则采用原参考计划为当前治疗计划；以及

S60、根据研究对象当前解剖结构，将参考计划作为先验信息，完成计划重优化。

实施例

S10、按照国际放射治疗数据传输标准导入研究对象参考图像、解剖结构、计划及剂量信息。

其中，参考图像为研究对象初始扫描CT图像或当前治疗前一次治疗时的定位图像(比如从图像引导定位设备得到的CBCT图像)。解剖结构为在原始CT图像上由医生借助放疗计划软件勾画出的肿瘤靶区、危及器官的轮廓信息。参考计划为以原始CT图像及解剖结构为依据，借助放疗计划软件制定的符合医生治疗要求的计划，包括射野角度、每个角度上的子野形状及权重，剂量信息为剂量分布，包括器官剂量体积直方图DVH。

S20、采集研究对象当前分次治疗时的定位图像，比如从带有CBCT图像加速器上采集得到的CBCT定位图像或其它引导定位的图像；

S30、将研究对象当前分次图像(比如CBCT图像)与参考图像(CT图像或上一次CBCT图像)采用医学图像配准(medical image registration)中的形变配准算法进行配准，并将原图像中的解剖结构、计划及剂量信息根据形变配准矩阵映射到当前分次图像上；

S40、基于当前图像完成研究对象解剖结构的分割，将当前图像中的解剖结构与参考图像中的解剖结构进行比较，如果研究对象解剖结构变化超过设置的阈值，则直接进入步骤S60完成计划重优化，否则进入步骤S50；

其中，研究对象解剖结构变化采用靶区的形态变化

作为判断准则，研究对象解剖结构变化

计算方式为：

其中A为研究对象原始解剖结构中靶区区域所包含的范围，B为研究对象当前图像中靶区区域包含的范围，A∩B为A和B的交集，A∪B为A和B的并集。阈值由计划设计者设置，可以为10％以上的任意值。

S50、采用剂量探测矩阵测量研究对象每个分次治疗后的体外剂量分布，根据研究对象当前治疗前一次所受的剂量分布，采用剂量反投影重建方法计算得到研究对象体内实际接受剂量的信息。

将靶区和危及器官重建得到的剂量分布与原始计划期望的剂量分布进行三维空间体积的Gamma分析，即剂量偏差计算采用Gamma误差条件为(3mm/3％)时，靶区和危及器官的Gamma通过率。通过率越大代表剂量偏差越小，越小代表剂量偏差约大。

如果得到的通过率小于设置的阈值，则将研究对象当前实际所受累积剂量作为背景剂量，则进入步骤S60进行计划重优化，否则采用原参考计划为当前治疗计划。

其中，剂量偏差采用Gamma误差条件为(3mm/3％)时，靶区和危及器官的通过率。通过率在0～100之间，越大代表剂量偏差越小，越小代表剂量偏差约大，本系统阈值采用90～100之间的任意整数，具体大小由使用该系统的人员根据不同部位肿瘤变化情况自行设置；

S60、以研究对象参考计划作为先验信息，根据研究对象当前的解剖结构完成计划重优化。具体为将原参考计划的子野形状，权重作为优化的初始值，将参考计划的处方作为目标，采用基于共轭梯度法的直接子野优化方法优化得到满足目标的计划。

如图2所示，根据本发明的剂量引导自适应放射治疗计划重优化系统包括：导入模块10、数据处理模块20、计划重优化判断模块30、计划重优化模块40。

导入模块10用于按照国际放射治疗数据传输标准导入研究对象参考图像、解剖结构、计划及剂量信息，导入研究对象当前分次治疗时的引导精准定位的图像；

数据处理模块20用于将研究对象当前分次图像与参考图像采用形变配准算法进行形变配准，并将参考图像中的解剖结构、计划及剂量信息根据形变配准矩阵映射到当前分次图像上，基于当前图像采用自动分割技术完成研究对象解剖结构的分割，并由医生修改确认，最后计算当前图像中的解剖结构与参考图像中的解剖结构变化；

计划重优化判断模块30用于首先根据数据处理模块计算得到的解剖结构变化判断是否超过设置的阈值，超过阈值则直接进入计划重优化模块，否则根据研究对象当前分次治疗后体外测量的剂量分布，采用剂量重建方法重建得到研究对象体内实际接受剂量的信息并与期望计划剂量进行比较，如果剂量偏差大于阈值，则将研究对象当前实际所受累积剂量作为背景剂量，进入计划重优化计算模块，否则采用原参考计划作为当前治疗计划；

计划重优化模块40用于根据研究对象当前解剖结构，将参考计划作为先验信息，完成计划重优化。

本发明中的计划重优化系统不仅考虑的研究对象解剖结构的变化，而且还同时考虑了研究对象治疗过程中实际所受剂量的情况，因此通过该方法得到的计划更适合当前研究对象治疗的状况，从而确保了剂量引导放射治疗的剂量精准性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种剂量引导自适应放射治疗计划重优化系统，其特征在于，包括：

导入模块，用于按照国际放射治疗数据传输标准导入研究对象参考图像、解剖结构、计划及剂量信息，以及导入研究对象当前分次治疗时的引导精准定位的图像；

数据处理模块，用于将研究对象当前分次图像与参考图像采用形变配准算法进行形变配准，并将参考图像中的解剖结构、计划及剂量信息根据形变配准矩阵映射到当前分次图像上，基于当前图像采用自动分割技术完成研究对象解剖结构的分割并确认，最后计算当前图像中的解剖结构与参考图像中的解剖结构变化；

计划重优化判断模块，用于首先根据数据处理模块计算得到的解剖结构变化判断是否超过设置的阈值，超过阈值则直接进入计划重优化模块，否则根据研究对象当前分次治疗后体外测量的剂量分布，采用剂量重建方法重建得到研究对象体内实际接受剂量的信息并与期望计划剂量进行比较，如果剂量偏差大于阈值，则将研究对象当前实际所受累积剂量作为背景剂量，进入计划重优化计算模块，否则采用原参考计划作为当前治疗计划；

计划重优化模块，用于根据研究对象当前解剖结构，将参考计划作为先验信息，完成计划重优化，

其中，所述数据处理模块采用靶区的形态变化

作为所述研究对象解剖结构变化判断准则：

上式中A为研究对象原始解剖结构中靶区区域所包含的范围，B为研究对象当前图像中靶区区域包含的范围。

2.根据权利要求1所述的剂量引导自适应放射治疗计划重优化系统，其特征在于，所述计划重优化判断模块采用的剂量偏差为将靶区和危及器官重建得到的剂量分布与原始计划期望的剂量分布进行的三维空间体积的Gamma分析，即Gamma误差条件为3mm/3％时靶区和危及器官的Gamma通过率。

3.根据权利要求2所述的剂量引导自适应放射治疗计划重优化系统，其特征在于，所述计划重优化模块在重优化过程中，将原参考计划的子野形状、权重作为优化计算的初始值，将参考计划的处方作为目标，采用基于共轭梯度法的直接子野优化方法进行计划重优化。

4.一种剂量引导自适应放射治疗计划重优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、按照国际放射治疗数据传输标准导入研究对象参考图像、解剖结构、计划及剂量信息；

S20、导入研究对象当前分次治疗时的引导精准定位的图像；

S30、将研究对象当前分次图像与参考图像进行形变配准，将原图像中的解剖结构、计划及剂量信息根据形变配准矩阵映射到当前分次图像上；

S40、基于当前图像完成研究对象解剖结构的分割，将当前图像中的解剖结构与参考图像中的解剖结构进行比较，如果研究对象解剖结构变化超过指定阈值，则直接进入步骤S60，否则进入步骤S50；

S50、根据研究对象当前分次治疗后体外剂量分布，采用剂量重建方法重建得到研究对象体内实际接受剂量的信息，与期望计划剂量进行比较，如果剂量偏差小于阈值，则将研究对象当前实际所受累计剂量作为背景剂量，进入步骤S60，否则采用原参考计划为当前治疗计划；

S60、根据研究对象当前解剖结构，将参考计划作为先验信息，完成计划重优化，所述研究对象解剖结构变化采用靶区的形态变化

作为判断准则：

上式中A为研究对象原始解剖结构中靶区区域所包含的范围，B为研究对象当前图像中靶区区域包含的范围。

5.根据权利要求4所述的剂量引导自适应放射治疗计划重优化方法，其特征在于，所述剂量偏差为将靶区和危及器官重建得到的剂量分布与原始计划期望的剂量分布进行的三维空间体积的Gamma分析，即Gamma误差条件为3mm/3％时靶区和危及器官的Gamma通过率。

6.根据权利要求4所述的剂量引导自适应放射治疗计划重优化方法，其特征在于，所述计划重优化为将原参考计划的子野形状、权重作为优化的优化计算的初始值，将参考计划的处方作为目标，采用基于共轭梯度法的直接子野优化方法进行计划重优化。

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