CN112957620A - 近距离放射治疗计划设计系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种近距离放射治疗计划设计系统和方法，该设计系统包括：施源器型号导入模块，用于导入可使用的施源器型号；插植针道设计模块，用于对插植导板的针道布局进行设计以获得插植针道设计信息，插植针道设计模块包括：插植针道可行解空间确定模块，用于基于患者影像信息确定插植针道可行解空间；插植针道优化模块，用于基于针道优化因素，从可行解空间中筛选出多组插植针道；剂量体积优化模块，用于对导入型号的施源器以及多组插植针道进行剂量分布优化，以选出剂量体积最优的施源器型号和/或一组插植针道；3D打印插植导板设计模块，用于基于插植针道设计信息进行3D打印插植导板设计，以供3D打印机打印制作插植导板。

Description

近距离放射治疗计划设计系统和方法

技术领域

本发明涉及放射治疗计划的设计，尤其涉及一种近距离放射治疗计划设计系统和方法。

背景技术

近距离放射治疗也称内照射，它与外照射(远距离照射)相对应，是将封装好的放射源通过施源器或输源导管直接植入患者的肿瘤部位进行照射。用于近距离放射治疗的放射源强度较小，射线有效治疗距离短，其大部分能量被肿瘤组织吸收。放射源周围的剂量分布，是按照与放射源之间距离的平方而下降-平方反比定律。近距离放射治疗很少单独使用，一般作为外照射的辅助治疗手段，可以给予特定部位较高的剂量进而提高肿瘤的局部控制率，提高患者的生存质量。

近距离放疗一般分为腔内后装治疗和组织间插植放疗，以及两者联合使用；组织间插植放射治疗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肿瘤内部进行高剂量照射，疗效显著，推荐用于局部复发、残留病灶、宫旁及阴道受侵无法进行腔内后装治疗的患者。

研究提示使用腔内结合组织间插植技术是提高大体积肿瘤局控率的关键。目前在欧洲某些单位已经有30％～40％患者接受腔内与插植结合技术。我国宫颈癌图像引导三维近距离后装治疗中国专家共识中提到，施源器的选择原则应根据患者解剖结构特点选择合适的阴道穹隆与宫腔管施源器，当腔内治疗剂量分布不能满足靶区处方剂量及危及器官剂量限值要求时，建议联合使用组织间插植治疗。基于患者影像判断肿瘤体积、形状以及其变化，对选择施源器的类型、是否结合组织间插植、是否需要三维打印技术设计个体化施源器具有重要指导意义。制定治疗方案时，需要根据肿瘤体积、形状、位置，选择适宜的宫腔管、穹隆施源器及插植针。

国外为保证插植针进针的精确性，大多采取患者全身麻醉条件下经会阴标准模板插植，如MUPIT模板、Syed-Neblett模板以及腔内联合插植的Venezia插植方式，而国内几乎不使用标准模板，采用局部麻醉下徒手插植。近年来，3D打印的技术，使得近距离治疗中的针道定位具有很好的重复性，可将打印材料与生物相容性材料搭配使用来打造个体化近距离治疗个性化模板。

全球插植模式仍处于发展和探索阶段，如何合理利用组织间插植技术与放疗医师的技能水平、各单位设施条件、医疗环境等密切相关。

1.近距离照射如何选择施源器的类型、是否结合组织间插植、是否需要三维打印技术设计个体化施源器，以及插植针道的数量、插针方向、深度，目前都还主要依赖于临床医生的临床经验进行，具有一定的主观性和不确定性，难以进行规范化推广。

2.会阴模板可以指导插植针的进针方向，对盆腔周围正常组织起到一定的保护作用，但部分研究者认为阴道模板会占据阴道体积影响操作视野，另外模板类型单一，适形性较差，固定损伤较大，故多采用徒手方式进行布针操作。

3.我国采用局部麻醉下徒手插植，操作相对方便灵活，便于开展和推广，但由于没有插植模板的引导，加之局部麻醉时患者痛觉反应恢复较快，对插植操作干扰性很大，常常会出现插植针分布不均匀，若反复穿插会增加病人的痛苦、造成周围组织损伤、出血增多，所以徒手插植操作需要临床医生具备丰富的经验和熟练的技能。

4.近年来，3D打印的技术，使得近距离治疗中的针道定位具有了较好的重复性，但针道选择还是取决于临床医生的个人经验，个体化差异明显，限制了后续驻留点时间优化的空间，无法达到最优的靶区照射剂量和对危及器官的保护。

因此，需要采用客观的优化算法，充分利用计算机技术，采用客观的评价指标，替代人工的经验，使得近距离照射计划，在提高靶区照射剂量同时尽可能降低危及器官受照剂量，为临床患者带来更高的临床受益。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种近距离放射治疗计划设计系统和方法，其通过对施源器型号的选取和组织间插植针道的设置进行优化，设计合理的术前计划，并由此术前计划生成对应的个性化的3D打印插植导板，从而使得在将其应用于后续内照射计划时，能够在提高靶区照射剂量的同时，降低危及器官受照剂量，并且降低手术风险，提高了分次间的重复性。

针对此，本发明公开了一种近距离放射治疗计划设计系统，其包括如下模块：

施源器型号导入模块，用于导入可使用的施源器型号；

插植针道设计模块，用于对插植导板的针道布局进行设计以获得插植针道设计信息，所述插植针道设计模块包括：

插植针道可行解空间确定模块，用于基于患者影像信息确定插植针道可行解空间；

插植针道优化模块，用于基于针道优化因素，从由所述可行解空间确定模块确定的可行解空间中筛选出多组插植针道；

剂量体积优化模块，用于对导入型号的施源器以及所述多组插植针道进行剂量分布优化，以选出剂量体积最优的施源器型号和/或一组插植针道；

3D打印插植导板设计模块，用于基于由所述插植针道设计模块提供的插植针道设计信息进行3D打印插植导板设计，以供3D打印机打印制作插植导板。

进一步地，所述插植针道设计模块还包括：插植针道微调模块，用于对由所述剂量体积优化模块选出的最优的一组插植针道进行进一步的微调，以达到更好的剂量体积分布，其中，微调范围不超过5mm。

进一步地，所述系统还包括：插植重建优化模块，用于通过对所选出的相应型号的施源器和/或插插植针道进行重建，获取相应的重建影像信息，并基于重建影像信息对所选出的相应型号的施源器和/或插植针道的剂量分布进行进一步优化。

进一步地，所述系统还包括：患者影像信息导入模块，用于导入患者影像信息；以及剂量处方和限值设置模块，用于设置放射治疗剂量处方及危及器官剂量限量信息。

进一步地，所述插植针道可行解空间确定模块按照如下步骤确定插植针道可行解空间：

基于患者影像信息勾画肿瘤区域以确定能够进行插针的布针入射面，并且勾画避让组织区域以在布针的时避开避让组织区域；

计算所述布针入射面上的中心点S0，计算肿瘤中心点E0，其中，S0和E0的连线为中轴线K；

将所述布针入射面沿所述中轴线K进行投影变换，将投影面划分为N个面积相近的圆形，N为大于1的整数，记所有圆心为Ci，将Ci反投影回所述布针入射面，记为Si，若Si属于可布针点，则加入到起始点集合中；

将肿瘤区域轮廓沿所述中轴线K进行投影变换，将投影面划分为N个面积相近的圆形，记所有圆心为Oi，将Oi反投影回入肿瘤区域上，记离入射面较远的点为Ei，将Ei加入到终止点集合中；

分别从起始点集合和终止点集合中选出Si和Ej，则记(Si，Ej)为一个针道，若(Si，Ej)穿过需要保护的避让组织区域，则认为该针道不是一个可行针道，删掉该针道。

进一步地，所述针道优化因素包括插植路径较短、距离周围正常组织较远以及针道在靶区内分布均匀，所述插植针道优化模块基于所述针道优化因素设定如下插植针道优化目标函数：

F(Ap)＝α·f_C(Ap)+β·f_D(Ap)+γ·f_V(Ap)

其中，

f_C(Ap)＝∑C(Ap_i)，表示针道的插植路径对目标函数的贡献；

f_D(Ap)＝∑D(Ap_i)，表示针道距离周围正常组织的距离贡献；

f_V(Ap)＝∑V(Ap_i)，表示针道在靶区内均匀分布度的贡献；

Ap_i＝(S_i，E_i)，为第i根针道，S_i＝(sx_i，sy_i，sz_i)为第i根针道入射点三维坐标，E_i＝(ex_i，ey_i，ez_i)为第i根针道结束点三维坐标；α，β，γ为权重；

通过所述针道优化目标函数，从由所述插植针道可行解空间确定模块所确定的可行解空间中选出较优的多组插植针道。

进一步地，所述剂量体积优化模块通过设定剂量分布优化函数对导入型号施源器以及多组插植针道进行剂量分布优化，并基于所述剂量分布优化函数选出剂量分布最优的施源器型号和/或一组插植针道；

其中，所述剂量分布优化函数如下：

Fobj(Ap(t))＝α·F_OAR(Ap(t))+β·F_PTV(Ap(t))

为与危及器官相关的目标函数贡献；

为与靶区相关的目标函数贡献；

为当前解中所有驻留点对第j个组织点的剂量贡献；

DL_j为对靶区限定的最低剂量限值，DH_j为对危及器官限定的最高剂量限值，dw_jk为当前解中的第k个驻留点在第j个组织点的剂量率贡献，t_k为当前解中第k个驻留点的驻留时间，N_OAR为危机器官OAR的个数，NT_i为第i个危机器官OAR中的采样点数，Np_tv为PTV靶区的数量，Ntar_i为第i个PTV靶区中的采样点数，α、β为权重，ω_j为第j个点的权重，Ap(t)为包含有一种型号施源器和/或一组插植针道的解。

进一步地，所述3D打印插植导板设计模块按照如下步骤来设计3D打印插植导板：

基于患者体表轮廓信息以及治疗部位的生理结构特点，自动生成导板形状尺寸；

基于插植针道设计信息，自动合成针道定位柱含穿刺孔，并生成相应的针道次序标识；

基于插植针道设计信息，将插针深度标识于相应的定位孔旁。

本发明还提供了一种近距离放射治疗计划设计方法，其包括如下步骤：

导入可使用的施源器型号；

对插植导板的针道布局进行设计以获得插植针道设计信息，包括：

基于患者影像信息确定插植针道可行解空间；

基于针道优化因素，从所述可行解空间中筛选出多组插植针道；

对导入型号的施源器以及所述多组插植针道进行剂量分布优化，以选出剂量体积最优的施源器型号和/或一组插植针道；

基于插植针道设计信息进行3D打印插植导板设计，以供3D打印机打印制作插植导板。。

进一步地，所述方法还包括：在进行3D打印插植导板设计之前，对选出的最优的一组插植针道进行进一步的微调，以达到更好的剂量体积分布，其中，微调范围不超过5mm。

附图说明

图1是本发明的近距离放射治疗计划设计系统的结构示意图；

图2是本发明的插植针道设计模块的结构示意图；

图3是本发明的3D打印插植导板的设计流程图；

图4是本发明的3D打印插植导板的示意图；

图5是本发明的近距离放射治疗计划设计方法的流程图；

图6是本发明的插植导板的针道布局的设计流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如在背景技术中描述的，近距离放射治疗通常涉及施源器和插植导板的组合使用，为了使得后续近距离照射计划能够在提高靶区照射剂量同时尽可能降低危及器官受照剂量，术前治疗计划的设计尤为关键，术前治疗计划的设计一般包括施源器型号的选取以及插植导板的设计等。

施源器一般是可直接放置在人体腔道内供放射源在其中运动驻留的标准设备，同一类的施源器通常有多个型号可供选择。一般情况下，临床优选采用医院现有配置的施源器进行治疗，如果施源器由于能提供的放射源运动通道有限而无法达到临床需要的剂量分布，则需要考虑组织间插植或腔内施源器联合组织间插植的方式，在进行插植导板的设计时，需要考虑已经选取的施源器型号。因此，如何基于客观的评价因素来选择最优型号的施源器以及设计具有最优插植针道的插植导板是本发明旨在解决的关键问题。

针对此，本发明提出了一种近距离放射治疗计划设计系统100，其包括如下模块：

(1)施源器型号导入模块101，用于导入可使用的施源器型号。具体地，可以直接导入医院配置的所有可用型号，当然，也可以由系统使用者(例如，医生)根据患者影像信息来进行选择，例如，可以从所有可使用的型号中选择2个、3个或更多个可用型号。

(2)插植针道设计模块102，用于对插植导板的针道布局进行设计以获得插植针道设计信息，插植针道设计模块102包括：

插植针道可行解空间确定模块1021，用于基于患者影像信息确定插植针道可行解空间；

插植针道优化模块1022，用于基于针道优化因素，从由所述可行解空间确定模块确定的可行解空间中筛选出多组插植针道；

剂量体积优化模块1023，用于对导入型号的施源器以及所述多组插植针道进行剂量分布优化，以选出剂量体积最优的施源器型号和/或一组插植针道；

(3)3D打印插植导板设计模块103，用于基于由插植针道设计模块102提供的插植针道设计信息(即最优的一组插植针道设计信息)进行3D打印插植导板设计，以供3D打印机打印制作插植导板。

通过本发明的近距离放射治疗计划设计系统，通过基于患者影像信息确认针道的可行解空间，减少了组织间插植风险；通过针道优化和剂量分布优化，获得了最优的施源器型号和/或插植针道设计方案，进而获得最优的术前治疗计划。

在进一步的实施方式中，如图2所示的，插植针道设计模块102还可以包括：插植针道微调模块1024，以用于对由所述剂量体积优化模块1023选出的最优的一组插植针道进行进一步的微调(例如，针道起始点位置、针道倾斜角度等)，以达到更好的剂量体积分布，其中，微调范围不超过5mm。

另外，本发明的近距离放射治疗计划设计系统还可以包括：插植重建优化模块104，用于通过对所选出的相应型号的施源器和/或插植针道进行重建，获取相应的重建影像信息，并基于重建影像信息对所选出的相应型号的施源器和/或插植针道的剂量分布进行进一步优化。具体地，将所选出的最优型号的施源器与基于最优插植针道设计制作的插植导板进行复位，并进行插植重建，来获取实际重建影像信息，从而基于实际重建影像信息来对施源器和/或插植针道的剂量分布(驻留点时间)进行进一步优化。

将插植重建优化模块104进一步优化后的方案进行评估确认，满足临床要求后即可应用于实施治疗。

另外，本发明的近距离放射治疗计划设计系统还可以包括用于导入患者信息及定位影像的患者影像信息导入模块105，患者影像信息例如可以CT或者MRI图像等。而且，本发明的近距离放射治疗计划设计系统还可以包括用于输入放射治疗剂量处方及危及器官剂量限量信息的剂量处方和限值输入模块106。

在具体的实施例中，插植针道可行解空间确定模块1021可以按照如下步骤确定插植针道可行解空间：

基于患者影像信息勾画肿瘤区域以确定能够进行插针的布针入射面，并且勾画避让组织区域以在布针的时避开避让组织区域；

计算所述布针入射面上的中心点S0，计算肿瘤中心点E0，其中，S0和E0的连线为中轴线K；

将所述布针入射面沿所述中轴线K进行投影变换，将投影面划分为N个面积相近的圆形，N为大于1的整数(具体大小取决于布阵入射面投影面面积)，记所有圆心为Ci，将Ci反投影回所述布针入射面，记为Si，若Si属于可布针点，则加入到起始点集合中；

将肿瘤区域轮廓沿所述中轴线K进行投影变换，将投影面划分为N个面积相近的圆形，记所有圆心为Oi，将Oi反投影回入肿瘤区域上，记离入射面较远的点为Ei，将Ei加入到终止点集合中；

分别从起始点集合和终止点集合中选出Si和Ej，则记(Si，Ej)为一个针道，若(Si，Ej)穿过需要保护的避让组织区域，则认为该针道不是一个可行针道，删掉该针道。

在插植针道优化模块1022对插植导板的针道分布进行优化时，往往需要考虑以下三个因素：所有的插植路径较短、针道距离周围正常组织较远、所有针道在靶区内较均匀分布，因此，插植针道优化模块1022基于上述针道优化因素设定如下插植针道优化目标函数：

F(Ap)＝α·f_C(Ap)+β·f_D(Ap)+γ·f_V(Ap)

其中，

f_C(Ap)＝∑C(Ap_i)，表示所有针道的插植路径对目标函数的贡献；

f_D(Ap)＝∑D(Ap_i)，表示所有针道距离周围正常组织的距离贡献；

f_V(Ap)＝∑V(Ap_i)，表示所有针道在靶区内均匀分布度的贡献；

Ap_i＝(S_i，E_i)为第i根针道，S_i＝(sx_i，sy_i，sz_i)为第i根针道入射点三维坐标，E_i＝(ex_i，ey_i，ez_i)为第i根针道结束点三维坐标，α，β，γ为权重，C(Ap_i)表示第i个针道的插植路径对目标函数的贡献，D(Ap_i)表示第i个针道距离周围正常组织的距离贡献，V(Ap_i)表示第i个针道在靶区内均匀分布度的贡献。

通过上述针道优化目标函数，从由插植针道可行解空间确定模块1021所确定的可行解空间中选出较优的多组插植针道。

在剂量体积优化模块1023对针道的剂量分布进行优化时，分别针对每组插植针道进行剂量分布优化(驻留点时间优化)，以选出最优的一组插植针道。当选择了一定型号的施源器时，同时对施源器的剂量分布(施源器通道的驻留点时间)进行优化。在进行剂量分布优化时，一般需要考虑对靶区和危机器官的剂量贡献，也即，基于对靶区和危机器官的剂量贡献来进行剂量分布优化。具体地，通过设定剂量分布优化函数来对所有导入型号的施源器以及每组插植针道同时进行剂量分布优化，并基于所述剂量分布优化函数选出剂量分布最优的一组插植针道；

其中，所述剂量分布优化函数如下：

Fobj(Ap(t))＝α·F_OAR(Ap(t))+β·F_PTV(Ap(t))

为与危及器官相关的目标函数贡献；

为与靶区相关的目标函数贡献；

为当前解中所有驻留点对第j个组织点的剂量贡献；

DL_j为对靶区限定的最低剂量限值，DH_j为对危及器官限定的最高剂量限值，dw_jk为当前解中的第k个驻留点在第j个组织点的剂量率贡献，t_k为当前解中第k个驻留点的驻留时间，N_OAR为危机器官OAR的个数，NT_i为第i个危机器官OAR中的采样点数，Np_tv为PTV靶区的数量，Ntar_i为第i个PTV靶区中的采样点数，α、β为权重，ω_j为第j个点的权重，Ap(t)为包含有一种型号施源器和/或一组插植针道的解。

需要注意的，在选择了一定型号的施源器时，上述剂量分布优化函数中的当前解中的驻留点包括当前针道组中的所有驻留点以及相应型号的施源器的通道中的所有驻留点。可以理解的，当未选择施源器时，仅需要对插植针道中的驻留点进行驻留时间优化，此时，当前解中的驻留点即为当前针道组中的所有驻留点。

例如，当导入了两个施源器型号并由插植针道优化模块1022选出五组插植针道设计时，将每组插植针道分别与两个型号的施源器通过上述剂量分布优化函数同时进行驻留点时间优化(即，具有10个不同的剂量分布函数)，从而(在10个剂量分布函数中)选出剂量分布函数值最大的施源器型号以及一组插植针道，作为最优的施源器型号和插植针道设计。

根据上述目标函数，在由插植针道优化模块1022选出的几组插植针道分布以及所导入的所有型号的施源器中，选出剂量分布函数最大(即，剂量分布最优)的一组插植针道分布和施源器型号。可以理解的，在上述剂量分布优化函数中，在施源器的所有驻留点的权重ω_j均为0时，表示治疗计划仅进行插植，而在插植针道的所有驻留点的的权重ω_j均为0时，表示治疗计划仅使用施源器。当两者权重都不为0时，则表示该计划为施源器和针道插植联合进行。

插植针道微调模块1024在对由所述剂量体积优化模块1023选出的最优的一组插植针道进行进一步的微调时，同样可以基于上述的剂量分布优化函数来进行剂量分布的优化，以达到更好的剂量体积分布。

参见图3，所述3D打印插植导板设计模块103可以按照如下步骤来设计3D打印插植导板：

基于患者体表轮廓信息以及治疗部位的生理结构特点，自动生成导板形状尺寸；

基于插植针道分布或设计信息，在导板上自动合成针道定位柱含穿刺孔，并生成相应的针道次序标识；

基于插植针道分布或设计信息，将每个针道的插针深度标识于相应的定位孔旁。

在由3D打印插植导板设计模块103完成插植导板的设计后，通过将导板设计信息输出为3D打印机可打印的标准模型文件，来用于打印制作个性化插植导板。其中，3D插植导板打印材料可以采用PLA或树脂材料。参考图4，其示出了本发明设计的3D插植导板的示意图，插植导板上设有针道定位孔401、针道序号402和针道深度标识403，另外，插植导板上还设有与患者皮肤上的标记相吻合的导板定位孔404，以用于每次治疗时方便进行导板的定位，此外插植导板上还可以设有导板固定连接柱405，用于外接固定装置，固定导板位置，以防止移动。

在本发明的另一实施方式中，提供了一种近距离放射治疗计划设计方法，参见图5，其包括如下步骤：

导入可使用的施源器型号；

对插植导板的针道布局进行设计以获得插植针道设计信息；

基于插植针道设计信息进行3D打印插植导板设计，以供3D打印机打印制作插植导板。

其中，参见图6，可以按照如下步骤对插植导板的针道布局进行设计：

基于患者影像信息确定插植针道可行解空间；

基于针道优化因素，从所述可行解空间中筛选出多组插植针道；

对导入型号的施源器以及所述多组插植针道进行剂量分布优化，以选出剂量体积最优的施源器型号和/或一组插植针道。

进一步地，对插植导板的针道布局进行设计还包括如下步骤：

对选出的最优的一组插植针道进行进一步的微调，以达到更好的剂量体积分布，其中，微调范围不超过5mm。

进一步地，所述方法还包括：

对所选出的相应型号的施源器和/或插植针道进行重建，获取相应的重建影像信息，并基于重建影像信息对所选出的相应型号的施源器和/或插植针道的剂量分布进行进一步优化。

进一步地，所述方法还包括：

导入患者影像信息；以及

设置放射治疗剂量处方及危及器官剂量限量信息。

在具体的实施例中，可以按照如下步骤确定插植针道可行解空间：

基于患者影像信息勾画肿瘤区域以确定能够进行插针的布针入射面，并且勾画避让组织区域以在布针的时避开避让组织区域；

计算所述布针入射面上的中心点S0，计算肿瘤中心点E0，其中，S0和E0的连线为中轴线K；

将所述布针入射面沿所述中轴线K进行投影变换，将投影面划分为N个面积相近的圆形，N为大于1的整数(具体大小取决于布阵入射面投影面面积)，记所有圆心为Ci，将Ci反投影回所述布针入射面，记为Si，若Si属于可布针点，则加入到起始点集合中；

将肿瘤区域轮廓沿所述中轴线K进行投影变换，将投影面划分为N个面积相近的圆形，记所有圆心为Oi，将Oi反投影回入肿瘤区域上，记离入射面较远的点为Ei，将Ei加入到终止点集合中；

分别从起始点集合和终止点集合中选出Si和Ej，则记(Si，Ej)为一个针道，若(Si，Ej)穿过需要保护的避让组织区域，则认为该针道不是一个可行针道，删掉该针道。

在对插植导板的针道分布进行优化时，往往需要考虑以下三个因素：所有的插植路径较短、针道距离周围正常组织较远、所有针道在靶区内较均匀分布，因此，可以基于上述针道优化因素设定如下插植针道优化目标函数：

F(Ap)＝α·f_C(Ap)+β·f_D(Ap)+Y·f_V(Ap)

其中，

f_C(Ap)＝∑C(Ap_i)，表示所有针道的插植路径对目标函数的贡献；

f_D(Ap)＝∑D(Ap_i)，表示所有针道距离周围正常组织的距离贡献；

f_V(Ap)＝∑V(Ap_i)，表示所有针道在靶区内均匀分布度的贡献；

Ap_i＝(S_i，E_i)为第i根针道，S_i＝(sx_i，sy_i，sz_i)为第i根针道入射点三维坐标，E_i＝(ex_i，ey_i，ez_i)为第i根针道结束点三维坐标，α，β，γ为权重，C(Ap_i)表示第i个针道的插植路径对目标函数的贡献，D(Ap_i)表示第i个针道距离周围正常组织的距离贡献，V(Ap_i)表示第i个针道在靶区内均匀分布度的贡献。

通过上述针道优化目标函数，从所确定的可行解空间中选出较优的多组插植针道。

在对针道的剂量分布进行优化时，分别针对每组插植针道进行剂量分布优化(驻留点时间优化)，以选出最优的一组插植针道。当选择了一定型号的施源器时，同时对施源器的剂量分布(施源器通道的驻留点时间)进行优化。具体地，通过设定剂量分布优化函数来对所导入的所有型号的施源器以及每组插植针道进行剂量分布优化，并基于所述剂量分布优化函数选出剂量分布最优的施源器型号和/或一组插植针道；

其中，所述剂量分布优化函数如下：

Fobj(Ap(t))＝α·F_OAR(Ap(t))+β·F_PTV(Ap(t))

为与危及器官相关的目标函数贡献；

为与靶区相关的目标函数贡献；

为当前解中所有驻留点对第j个组织点的剂量贡献；

DL_j为对靶区限定的最低剂量限值，DH_j为对危及器官限定的最高剂量限值，dw_jk为当前解中的第k个驻留点在第j个组织点的剂量率贡献，t_k为当前解中第k个驻留点的驻留时间，N_OAR为危机器官OAR的个数，NT_i为第i个危机器官OAR中的采样点数，Np_tv为PTV靶区的数量，Ntar_i为第i个PTV靶区中的采样点数，α、β为权重，ω_j为第j个点的权重，Ap(t)为包含有一种型号施源器和/或一组插植针道的解。

根据上述目标函数，在选出的几组插植针道分布以及所导入的所有型号的施源器中，选出剂量分布函数最大(即，剂量分布最优)的一组插植针道分布和/或施源器型号。

在对选出的最优的一组插植针道进行进一步的微调时，同样可以基于上述的剂量分布优化函数来进行剂量分布的优化，以达到更好的剂量体积分布。

另外，如图3所示的，可以按照如下步骤来设计3D打印插植导板：

基于患者体表轮廓信息以及治疗部位的生理结构特点，自动生成导板形状尺寸；

基于插植针道分布信息，在导板上自动合成针道定位柱含穿刺孔，并生成相应的针道次序标识；

基于插植针道分布信息，将每个针道的插针深度标识于相应的定位孔旁。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种近距离放射治疗计划设计系统，其特征在于，包括如下模块：

施源器型号导入模块，用于导入可使用的施源器型号；

插植针道设计模块，用于对插植导板的针道布局进行设计以获得插植针道设计信息，所述插植针道设计模块包括：

插植针道可行解空间确定模块，用于基于患者影像信息确定插植针道可行解空间；

插植针道优化模块，用于基于针道优化因素，从由所述可行解空间确定模块确定的可行解空间中筛选出多组插植针道；

剂量体积优化模块，用于对导入型号的施源器以及所述多组插植针道进行剂量分布优化，以选出剂量体积最优的施源器型号和/或一组插植针道；

3D打印插植导板设计模块，用于基于由所述插植针道设计模块提供的插植针道设计信息进行3D打印插植导板设计，以供3D打印机打印制作插植导板。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述插植针道设计模块还包括：

插植针道微调模块，用于对由所述剂量体积优化模块选出的最优的一组插植针道进行进一步的微调，以达到更好的剂量体积分布，其中，微调范围不超过5mm。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

插植重建优化模块，用于通过对所选出的相应型号的施源器和/或插植针道进行重建，获取相应的重建影像信息，并基于重建影像信息对所选出的相应型号的施源器和/或插植针道的剂量分布进行进一步优化。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

患者影像信息导入模块，用于导入患者影像信息；以及

剂量处方和限值设置模块，用于设置放射治疗剂量处方及危及器官剂量限量信息。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，所述插植针道可行解空间确定模块按照如下步骤确定插植针道可行解空间：

基于患者影像信息勾画肿瘤区域以确定能够进行插针的布针入射面，并且勾画避让组织区域以在布针时避开避让组织区域；

计算所述布针入射面上的中心点S0，计算肿瘤中心点E0，其中，S0和E0的连线为中轴线K；

将所述布针入射面沿所述中轴线K进行投影变换，将投影面划分为N个面积相近的圆形，N为大于1的整数，记所有圆心为Ci，将Ci反投影回所述布针入射面，记为Si，若Si属于可布针点，则加入到起始点集合中；

将肿瘤区域轮廓沿所述中轴线K进行投影变换，将投影面划分为N个面积相近的圆形，记所有圆心为Oi，将Oi反投影回入肿瘤区域上，记离入射面较远的点为Ei，将Ei加入到终止点集合中；

分别从起始点集合和终止点集合中选出Si和Ej，则记(Si,Ej)为一个针道，若(Si,Ej)穿过需要保护的避让组织区域，则认为该针道不是一个可行针道，删掉该针道。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，所述针道优化因素包括插植路径较短、距离周围正常组织较远以及针道在靶区内分布均匀，所述插植针道优化模块基于所述针道优化因素设定如下插植针道优化目标函数：

F(Ap)＝α·f_C(Ap)+β·f_D(Ap)+γ·f_V(Ap)

其中，

f_C(Ap)＝∑C(Ap_i)，表示针道的插植路径对目标函数的贡献；

f_D(Ap)＝∑D(Ap_i)，表示针道距离周围正常组织的距离贡献；

f_V(Ap)＝∑V(Ap_i)，表示针道在靶区内均匀分布度的贡献；

Ap_i＝(S_i,E_i)，为第i根针道，S_i＝(sx_i,sy_i,sz_i)为第i根针道入射点三维坐标，E_i＝(ex_i,ey_i,ez_i)为第i根针道结束点三维坐标；α，β，γ为权重；

通过所述针道优化目标函数，从由所述插植针道可行解空间确定模块所确定的可行解空间中选出较优的多组插植针道。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，所述剂量体积优化模块通过设定剂量分布优化函数对导入型号的施源器以及所述多组插植针道同时进行剂量分布优化，并基于所述剂量分布优化函数选出剂量分布最优的施源器型号和/或一组插植针道；

其中，所述剂量分布优化函数如下：

Fobj(Ap(t))＝α·F_OAR(Ap(t))+β·F_PTV(Ap(t))

为与危及器官相关的目标函数贡献；

为与靶区相关的目标函数贡献；

为当前解中所有驻留点对第j个组织点的剂量贡献；

DL_j为对靶区限定的最低剂量限值，DH_j为对危及器官限定的最高剂量限值，dw_jk为当前解中的第k个驻留点在第j个组织点的剂量率贡献，t_k为当前解中第k个驻留点的驻留时间，N_OAR为危机器官OAR的个数，NT_i为第i个危机器官OAR中的采样点数，Nptv为PTV靶区的数量，Ntar_i为第i个PTV靶区中的采样点数，α、β为权重，ω_j为第j个点的权重，Ap(t)为包含有一种型号施源器和/或一组插植针道的解。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，所述3D打印插植导板设计模块按照如下步骤来设计3D打印插植导板：

基于患者体表轮廓信息以及治疗部位的生理结构特点，自动生成导板形状尺寸；

基于插植针道设计信息，自动合成针道定位柱含穿刺孔，并生成相应的针道次序标识；

基于插植针道设计信息，将插针深度标识于相应的定位孔旁。

9.一种近距离放射治疗计划设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

导入可使用的施源器型号；

对插植导板的针道布局进行设计以获得插植针道设计信息，包括：

基于患者影像信息确定插植针道可行解空间；

基于针道优化因素，从所述可行解空间中筛选出多组插植针道；

对导入型号的施源器以及所述多组插植针道进行剂量分布优化，以选出剂量体积最优的施源器型号和/或一组插植针道；

基于插植针道设计信息进行3D打印插植导板设计，以供3D打印机打印制作插植导板。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在进行3D打印插植导板设计之前，对选出的最优的一组插植针道进行进一步的微调，以达到更好的剂量体积分布，其中，微调范围不超过5mm。

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