CN115715852A - 一种基于蒙特卡洛模拟的囊结构优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于蒙特卡洛模拟的囊结构优化方法，涉及肿瘤放化疗植入囊结构优化领域。目的是解决传统放化疗计划中囊结构优化需要依靠大量迭代试错的问题。具体包括以下步骤：首先，选择一组目标参数作为囊结构初始值，并针对囊结构辐照特点确定一个治疗评判标准；然后，结合评判标准，不断改变目标参数，循环将囊结构进行蒙特卡洛模拟，直至得到一组优化的目标参数；最后，对优化目标参数的囊结构执行剂量场计算，并检查计算结果是否符合优化要求，若符合，则结束流程，若不符合，对该组优化目标参数进行微调，返回蒙特卡洛模拟。本发明实现了囊结构最优，可以最大程度放化疗肿瘤，为放射治疗前手术方案的制定和调整提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及放化疗植入囊结构优化领域。具体涉及一种基于蒙特卡洛模拟的囊结构优化设计方法。
背景技术
随着放射性治疗在医学领域的进一步发展，大约有70％的癌症病人在治疗过程中会使用到放疗。在放射治疗前，医生往往会根据CT诊断的结果来判定肿瘤组织的大小进而选择放射性治疗中使用的植入囊的大小，以此达到最佳的放射治疗效果。当根据肿瘤组织大小确定了植入囊大小时，植入囊结构设计决定了辐照剂量场范围大小和肿瘤治疗的效果好坏。如何优化囊结构，是放化疗囊植入的重中之重。在放化疗计划中使用传统技术对植入囊结构优化不仅需要依靠人工大量迭代试错，还需要诊断过程主治医师有较高的治疗水平，同时也增加了诊断时间和工作量。为了解决这一问题，本发明提出了一种基于蒙特卡洛模拟的囊结构优化方法，实现上述过程自动优化，摆脱主治医师人工深度参与，并可得到最优化的植入囊结构，可以最大程度放化疗肿瘤，促进治疗向个体化、精准化治疗发展。本发明适用于放射性治疗术前为放射治疗前手术方案的制定和调整提供依据。
发明内容
1.本发明为解决植入囊结构最优化的问题，提出一种基于蒙特卡洛模拟的囊结构优化方法，其特征在于，该基于蒙特卡洛模拟的囊结构优化方法包括如下步骤：
步骤一：确定囊整体尺寸结构，根据优化要求，选择一组目标参数作为囊结构初始值，并针对囊结构辐照特点确定一个治疗评判标准；
步骤二：结合评判标准，按照预先设定的步长，不断改变已选择的目标参数的取值范围，循环将囊结构进行蒙特卡洛模拟，直至得到一组最优化的目标参数；
步骤三：对最优化目标参数的囊结构执行剂量场计算，并检查计算结果是否符合优化要求，若符合，则结束流程，得到最优化囊结构，若不符合，则进入步骤四；
步骤四：对该组优化目标参数进行微调，返回步骤二。
2.作为进一步优化说明，步骤一中，常根据CT诊断的结果来判定肿瘤组织的大小进而选择放射性治疗中使用的植入囊的大小，选择现有尺寸的囊结构或者适合对应肿瘤尺寸的囊结构作为初始值。
3.作为进一步优化说明，步骤一中，目标参数包括螺距、囊直径、微腔直径、薄膜宽度、囊壁最小厚度、囊材料；
囊螺距：囊螺距与囊螺旋圈数相关，在囊整体尺寸确定的情况下，囊螺距越大，囊螺旋圈数越少；囊螺距影响囊直径，当螺距较小时，囊直径不能过大；通常，囊螺距取值范围在0-5mm之间；
囊直径：囊直径为微腔所在圆心面的直径，囊直径决定微腔直径，囊直径要始终大于微腔直径；通常，囊直径取值范围在0.1-1mm之间；
微腔直径：微腔分为化疗微腔与放疗微腔，微腔直径要始终小于囊直径；通常，微腔直径取值范围为囊直径尺寸的30％-100％之间；
薄膜宽度：两个微腔之间由薄膜相隔，薄膜宽度影响微腔之间的距离；通常，薄膜宽度取值范围在0-0.1mm之间；
囊壁最小厚度：腔壁与囊壁之间的最小距离为囊壁最小厚度；通常，囊壁最小厚度取值范围在0-0.7mm之间；
囊材料：囊材料选用可以植入人体的常见医用材料，常用于作为植入囊的材料有聚四氟乙烯、聚醚醚酮、氮化硅、硅橡胶和钛合金等。
4.作为进一步优化说明，步骤一中治疗评判标准由主治医师根据病种特点设定，由辐照病灶处肿瘤和组织器官的辐射敏感性来定义约束条件；最简单评判标准为肿瘤区域有效剂量和非肿瘤区域有效剂量比值，值越大表示囊结构参数越合理。
5.作为进一步优化说明，步骤二中按照预先设定的步长，改变目标参数为螺距、囊直径、微腔直径、薄膜宽度、囊壁最小厚度、囊材料中各参数预先设定的取值范围。
6.作为进一步优化说明，步骤二中预先设定的步长、取值范围考虑制造工艺、病人对不同材料过敏程度等因素影响。
7.作为进一步优化说明，步骤二中将所有组进行蒙特卡洛模拟得到的结果结合评价标准得到对应评价标准值，对所有组的评价标准值排序，得到一组最优化的目标参数。
8.作为进一步优化说明，步骤三中检查计算结果为各目标参数之间是否存在冲突，若发生参数冲突，进入步骤四。
9.作为进一步优化说明，步骤三中计算结果不存在冲突，对最优化目标参数的囊结构执行剂量场计算，与初始囊结构剂量场对比，是否符合优化要求，若符合，则结束流程，得到最优化囊结构，若不符合，则进入步骤四。
10.作为进一步优化说明，步骤四中对冲突的优化目标参数进行微调，直至各目标参数取值合理。
11.作为进一步优化说明，步骤四中微调方法为针对冲突的优化目标参数，取值范围和步长进行小范围的调整，返回步骤二再对冲突的优化目标参数进行少量几次优化，直至得到优化目标参数合理的囊结构。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本文提出来一种基于蒙特卡洛模拟的囊结构优化方法。目的是解决传统技术中放化疗计划植入囊结构优化需要依靠人工大量迭代试错的问题。本发明能够获得更加客观准确的不同囊结构的放射治疗计划优化结果，解决了人工优化过程中选择和修改目标参数非常依赖主治医师的经验，实现了囊结构的自动优化，找到植入囊最优结构，可以最大程度放化疗肿瘤，促进治疗向个体化、精准化治疗发展。
附图说明
图1为本发明中基于蒙特卡洛模拟的囊结构优化方法的流程图；
图2为本发明中肿瘤放化治疗植入囊结构图。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加的清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。
囊结构参数影响空间剂量场和肿瘤辐照效果。一般情况下，一组优化目标参数有很多，每个优化目标参数取值范围也较大，使得使用传统技术对囊结构优化需要依靠人工大量迭代试错，依赖主治医师的经验。本发明使用蒙特卡洛模拟方法对上述过程自动优化，摆脱主治医师人工深度参与，并可得到最优化的植入囊结构，可以最大程度放化疗肿瘤。
本实例中，结合图2说明，双腔囊整体直径为20mm，在保持双腔囊整体直径不变的情况下，对双腔囊结构优化。初始双腔囊结构参数为：螺距为2mm，囊直径为1mm，微腔直径为0.4mm，薄膜宽度为0.1mm，囊壁最小厚度为0.05mm，囊材料为聚四氟乙烯。
结合图1说明，本实例基于蒙特卡洛模拟的囊结构优化方法按照以下步骤进行：
步骤一：确定囊整体尺寸结构，根据优化要求，选择一组目标参数作为囊结构初始值，并针对囊结构辐照特点确定一个治疗评判标准；
本步骤中，选择现有或者医学上针对肿瘤大小常用的囊结构作为初始值，一般脑胶质瘤大小最大至5cm左右，选取整体直径为20mm作为双腔囊结构；所选择的目标参数有螺距、囊直径、微腔直径、薄膜宽度、囊壁最小厚度、囊材料；选取螺距区间为1-3mm之间；选取囊直径区间为0.8-1mm之间；选取微腔直径为囊直径的30％-40％之间；选取囊壁最小厚度为0-0.2mm；选取薄膜宽度为0-0.4mm之间；选取囊材料为聚四氟乙烯或聚醚醚酮；治疗评判标准由主治医师根据病种特点设定，由辐照病灶处肿瘤和组织器官的辐射敏感性来定义约束条件，以最简单的肿瘤区域有效剂量和非肿瘤区域有效剂量比值作为评判标准，值越大表示囊结构参数越合理。
步骤二：结合评判标准，按照预先设定的步长，不断改变已选择的目标参数的取值范围，循环将囊结构进行蒙特卡洛模拟，直至得到一组最优化的目标参数；
本步骤中，选取螺距预先设定的步长为1mm，其余预先设定的步长为0.1mm；根据对应目标参数预先设定的取值范围，改变目标参数，取值范围考虑制造工艺、病人对材料过敏程度等因素影响；将改变参数后的囊结构进行蒙特卡洛模拟，将结果结合评判标准，得出具体评价标准值；不断改变不同参数范围，循环将不同囊结构参数进行蒙特卡洛模拟，得到评价标准值；根据评价标准值大小，得到一组最优的目标参数。
步骤三：对最优化目标参数的囊结构执行剂量场计算，并检查计算结果是否符合优化要求，若符合，则结束流程，得到最优化囊结构，若不符合，则进入步骤四；
本步骤中，检查最优化囊结构各项参数之间是否存在冲突，并执行剂量场计算，与初始囊结构对比优化效果是否符合优化要求，若符合要求，则结束流程，若不符合，则进入步骤四。
步骤四：对该组优化目标参数进行微调，返回步骤二。
本步骤中，对冲突的优化目标参数进行微调，针对冲突的优化目标参数，取值范围和步长进行小范围的调整，直至各目标参数取值合理；返回步骤二再对冲突的优化目标参数进行少量几次优化，直至得到优化目标参数合理的囊结构。最终得到的最优化囊结构参数为螺距为2mm，囊直径为0.8mm，囊微腔直径为0.32mm，囊壁最小厚度为0.04mm，薄膜宽度为0.08mm，囊材料为聚醚醚酮。
Claims (1)
1.一种基于蒙特卡洛模拟的囊结构优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：确定囊整体尺寸结构，根据优化要求，选择一组目标参数作为囊结构初始值，并针对囊结构辐照特点确定一个治疗评判标准；
所述步骤一中：根据CT诊断的结果来判定肿瘤组织的大小进而选择放射性治疗中使用的植入囊的大小，选择现有尺寸的囊结构或者适合对应肿瘤尺寸的囊结构作为初始值；目标参数包括：螺距、囊直径、微腔直径、薄膜宽度、囊壁最小厚度、囊材料；囊螺距取值范围在0-5mm之间；囊直径取值范围在0.1-1mm之间；微腔直径取值范围为囊直径尺寸的30％-100％之间；薄膜宽度取值范围在0-0.1mm之间；囊壁最小厚度取值范围在0-0.7mm之间；常用于作为植入囊的材料有聚四氟乙烯、聚醚醚酮、氮化硅、硅橡胶和钛合金等；治疗评判标准由主治医师根据病种特点设定，由辐照病灶处肿瘤和组织器官的辐射敏感性来定义约束条件；
步骤二：结合评判标准，按照预先设定的步长，不断改变已选择的目标参数的取值范围，循环将囊结构进行蒙特卡洛模拟，直至得到一组最优化的目标参数；
所述步骤二中：按照预先设定的步长，改变目标参数为螺距、囊直径、微腔直径、薄膜宽度、囊壁最小厚度、囊材料中各参数预先设定的取值范围；预先设定的步长、取值范围需要考虑制造工艺、病人对不同材料过敏程度等因素影响；
步骤三：对最优化目标参数的囊结构执行剂量场计算，并检查计算结果是否符合优化要求，若符合，则结束流程，得到最优化囊结构，若不符合，则进入步骤四；
所述步骤三中：检查计算结果为各目标参数之间是否存在冲突，若发生参数冲突，进入步骤四；若计算结果不存在冲突，对最优化目标参数的囊结构执行剂量场计算，与初始囊结构剂量场对比，是否符合优化要求，若符合，则结束流程，得到最优化囊结构，若不符合，则进入步骤四；
步骤四：对该组优化目标参数进行微调，返回步骤二；
所述步骤四中：微调方法为针对冲突的优化目标参数，取值范围和步长进行小范围的调整，返回步骤二再对冲突的优化目标参数进行少量几次优化，直至得到优化目标参数合理的囊结构。
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