专利名称：治疗计划逆向规划方法和治疗计划系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种放射治疗规划技术，尤其涉及放射治疗计划逆向规划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勻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。伽玛刀的治疗计划通常通过手工采用交互迭代的方式进行。这是一个正向规划过程，即医生或物理师根据靶体的体积和形状，采用试错方式，逐步增加靶点数目，交互调整各靶点的位置、准直器大小以及相对权重等参数，直到最终获得一个令人满意的治疗计划。由于伽玛刀可供选择的准直器大小有限，治疗计划通常需要采用多个靶点照射，这样需要调整的参数很多，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1 。为了解决这个问题提出了治疗计划的逆向规划，即由医生或物理师预先给出放射治疗的若干目标，然后通过数学优化技术，反求出满足这些放射治疗目标的最优的治疗计划。当前治疗计划的逆向规划方法通常是预设一个初始计划，然后根据计划设计人员设定的治疗目标，通过迭代优化方式，对初始计划进行优化以获得一个最优的治疗计划。因此对于逆向规划而言，其迭代过程是否高效成为一个关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效的治疗计划逆向规划方法；本发明要解决的另一技术问题是提供一种基于该规划方法的治疗计划系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案加以解决—种治疗计划逆向规划方法，用于在放射治疗前对患者要进行放射治疗的区域进行剂量规划，包括步骤A 输入患者医学图像；步骤B 根据患者医学图像勾画患者体表、靶体、危及器官的组织轮廓；步骤C 设置治疗计划的逆向规划目标；步骤D 创建初始治疗计划；步骤E 设置迭代优化参数种群大小、种群进化次数；步骤F 对所述初始治疗计划进行随机抖动，产生种群中的个体治疗计划；步骤G 计算所述种群所有个体治疗计划对应的剂量场；步骤H 根据所述剂量场选择与所述逆向规划目标最接近的个体治疗计划作为当前最优计划；步骤I 若所述当前最优计划与所述逆向规划目标的差值小于预设的第一阈值， 转步骤M ；否则进入下一步；步骤J 若进化次数达到所述种群进化次数，转到步骤M ；否则进入下一步；步骤K 将所述当前最优计划通过扰动进化到新一代种群，转到步骤G ；步骤M 停止种群进化并输出当前最优计划。其中步骤K所述扰动包括随机扰动，所述随机扰动包括步骤Sl 随机选择当前最优计划的靶点位置和/或准直器型号和/或权重作为第一被扰动量；步骤S2 随机选择扰动量Δ 1，Δ 1小于预设的第一扰动幅度，将所述扰动量Δ 1 与步骤Sl所选择的第一被扰动量相加；步骤S3 重复步骤Sl至S2，直到形成种群大小数目的新一代个体治疗计划。其中所述步骤K所述扰动包括组合扰动步骤Tl 选择当前最优计划的靶点位置、准直器型号或权重的任一种作为作为第二被扰动量；步骤Τ2 随机选择扰动量Δ 2，Δ 2小于预设的第二扰动幅度，将所述扰动量Δ 2 与步骤Tl所选择的第二被扰动量相加；步骤Τ3 重复步骤Tl至Τ2，直到形成种群大小数目的新一代个体治疗计划。其中所述步骤F包括步骤Fl 对所述初始治疗计划所包含的参数进行编码形成第一序列；步骤F2 对所述第一序列的位进行随机取反操作形成第二序列；步骤F3 对所述第二序列进行解码，获得个体治疗计划；步骤F4 重复F2至F3，直到形成种群大小数目的个体治疗计划。其中所述编码包括二进制编码、实数编码或格雷码编码中的任意一种。一种治疗计划系统，用于在放射治疗前对患者要进行放射治疗的区域进行剂量规划，包括设置模块、优化模块、进化模块和迭代模块；所述设置模块用于，输入患者医学图像；根据患者医学图像勾画患者体表、靶体、 危及器官的组织轮廓；设置治疗计划的逆向规划目标；创建初始治疗计划；设置迭代优化参数种群大小、种群进化次数；对所述初始治疗计划进行随机抖动，产生种群中的个体治疗计划；所述优化模块用于，计算所述种群所有个体治疗计划对应的剂量场；根据所述剂量场选择与所述逆向规划目标最接近的个体治疗计划作为当前最优计划；所述进化模块用于，将所述当前最优计划通过扰动进化到新一代种群；所述迭代模块用于，若所述当前最优计划与所述逆向规划目标的差值小于预设的第一阈值，或进化次数达到所述种群进化次数，输出当前最优计划并结束；否则调用进化模块产生新一代种群，再调用优化模块进行优化。其中所述进化模块包括随机扰动单元和第二迭代单元，所述随机扰动单元用于随机选择当前最优计划的靶点位置和/或准直器型号和/ 或权重作为第一被扰动量；随机选择扰动量Δ1，Δ1小于预设的第一扰动幅度，将所述扰动量△ 1与所述第一被扰动量相加；所述第二迭代单元用于迭代调用所述随机扰动单元，直到形成种群大小数目的新一代个体治疗计划。其中所述进化模块包括组合扰动单元和第三迭代单元，所述组合扰动单元用于选择当前最优计划的靶点位置、准直器型号或权重作为被扰动量的任一种作为第二被扰动量；随机选择扰动量Δ2，△ 2小于预设的第二扰动幅度， 将所述扰动量△ 2与所述第二被扰动量相加；所述第三迭代单元用于迭代调用所述组合扰动单元，直到形成种群大小数目的新一代个体治疗计划。其中所述设置模块包括抖动单元和第一迭代单元；所述抖动单元用于对所述初始治疗计划所包含的参数进行编码形成第一序列，对所述第一序列的位进行随机取反操作形成第二序列，对所述第二序列进行解码，获得个体治疗计划；所述第一迭代单元用于，迭代调用所述抖动单元，直到形成种群大小数目的个体治疗计划。其中所述编码包括二进制编码、实数编码或格雷码编码中的任意一种。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)本发明由于采用了基于基因算法的种群进化方法，并通过扰动方法进行迭代， 使得整个迭代过程简单、高效。(2)本发明对初始计划进行抖动形成种群中的个体计划，使得初始计划的敏感度降低，从而降低了对初始治疗计划的要求，提高了适应性。(3)本发明采用对最优计划进行随机扰动或组合扰动的方式来产生新一代种群， 实现简单、高效。
图1示出根据本发明治疗计划逆向规划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逆向规划方法的另一个实施例的流程图；图3示出根据本发明治疗计划逆向规划方法的另一个实施例的靶体外轮廓插值示意图；图4示出根据本发明治疗计划逆向规划方法的另一个实施例的患者3D体素模型的示意图；图5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。
具体实施例方式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逆向规划方法的一个实施例的流程图，包括步骤102 输入患者医学图像；步骤104 根据患者医学图像勾画患者体表、靶体、危及器官的组织轮廓；步骤106 设置治疗计划的逆向规划目标；步骤108 创建初始治疗计划；
步骤110 设置迭代优化参数种群大小、种群进化次数；步骤112 对初始治疗计划进行随机抖动，产生种群中的个体治疗计划；步骤114 计算种群所有个体治疗计划对应的剂量场；步骤116 根据剂量场选择与逆向规划目标最接近的个体治疗计划作为当前最优计划；步骤118 若当前最优计划与所述逆向规划目标的差值小于预设的第一阈值，转步骤124 ；否则进入下一步；步骤120 若进化次数达到种群进化次数，转到步骤124 ；否则进入下一步；步骤122 将当前最优计划通过扰动进化到新一代种群，转到步骤114 ；步骤124 停止种群进化并输出当前最优计划。剂量规划目标可包括靶体处方剂量、健康组织/危及器官的限制剂量等，也可以通过适形度等指标来表示。第一阈值是预先定义的可容许优化结果与剂量规划目标的差， 例如可定义为0.1等。种群大小是指种群中的个体个数，例如可以设为20个，种群进化次数是指从初始算起允许进化多少代，例如可以设为10。一种实施方式，该扰动可以是随机扰动步骤Sl 随机选择当前最优计划的靶点位置和/或准直器型号和/或权重作为第一被扰动量；步骤S2 随机选择扰动量Δ 1，Δ 1小于预设的第一扰动幅度，将扰动量Δ 1与第一被扰动量相加；步骤S3 重复步骤Sl至S2，直到形成种群大小数目的新一代个体治疗计划。本领域技术人员应该理解，步骤Sl的随机选择可以是某一个参数，也可以是某几个参数的任意组合。一种实施方式，该扰动也可以是组合扰动步骤Tl 选择当前最优计划的靶点位置、准直器型号或权重的任一种作为第二被扰动量；步骤Τ2 随机选择扰动量Δ 2，Δ 2小于预设的第二扰动幅度，将扰动量Δ 2与步骤Tl所选择的第二被扰动量相加；步骤Τ3 重复步骤Tl至Τ2，直到形成种群大小数目的新一代个体治疗计划。第二扰动幅度要大于第一扰动幅度，其目的在于种群子代进化后变化不明显，其需要加大扰动幅度减少变化维数。一种实施方式，步骤112包括步骤1120 对初始治疗计划所包含的参数进行编码形成第一序列；步骤1122 对第一序列的位进行随机取反操作形成第二序列；步骤IlM 对第二序列进行解码，获得个体治疗计划；步骤11 重复1120至1124，直到形成种群大小数目的个体治疗计划。上述编码可包括二进制编码、实数编码或格雷码编码中的任意一种。图2示出根据本发明治疗计划逆向规划方法的另一个实施例的流程图，其使用 SGS-II型立体定向伽玛治疗系统进行放射治疗，包括
步骤202 输入患者图像，可输入患者的CT或MRI图像序列；步骤204 勾画患者体表、靶体、危及器官等组织轮廓；步骤206 设置治疗计划逆向规划参数；靶体PTV处方剂量Dp 一般选择50 %等剂量线。健康组织/危及器官OARs限制剂量D。a,(k)为危及器官/健康组织的剂量限制。步骤208 建立患者3D体素模型。根据用户在定位序列图像上勾画的体表、靶体、危及器官等组织外轮廓，构造患者 3D体素模型。具体方法如下A 组织外轮廓插值；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，为了构造患者的3D体素模型，需要定位序列图像上勾画的体表、靶体、危及器官等所有外轮廓插值。 插值采用线性插值，图3所示为靶体外轮廓插值示意图。体表和危及器官等的外轮廓采用相同的方法进行插值。B 通过体素化构造患者3D体素模型；对体表、靶体、危及器官等所有外轮廓进行插值后，将这些轮廓体素化即得到患者的3D体素模型。患者3D体素模型通常需要足够高的分辨率以确保后续治疗计划逆向规划获得好的结果。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-lmm。另一种方法确定分辨率的方法是由用户定制分辨率大小。例如在SGS-II的治疗计划逆向规划中，3D体素模型的分辨率采用与剂量计算网格相同的分辨率。这样用户可以通过设置剂量计算矩阵网格的分辨率来调整3D体素模型的分辨率。图4示出一个患者3D体素模型的示意图。步骤210 创建初始“种子”治疗计划。“种子”治疗计划用作创建一个种群的“种子”，即一个种群可以由该“种子”计划构
造出来。“种子”治疗计划可以通过手工交互的方式建立。另一种可选方法是通过自动靶点布置技术创建。在SGS的治疗计划逆向规划中，支持上述两种创建初始治疗计划方式。步骤212 治疗计划的逆向规划。采用并行遗传算法，通过迭代优化技术进行治疗计划的逆向规划。具体流程如下1.设置迭代优化参数种群大小Np 种群中个体数目；种群进化代数凡种群需要进化的代数；交叉概率P。遗传优化中个体之间的交叉概率，一般由程序预设，不用用户设置。变异概率Pm 遗传优化中个体变异概率，一般由程序预设，不用用户设置。2.种群初始化种群由若干个体组成，其中每一个个体对应一个候选的治疗计划。种群初始化就是创建一个包含若干候选治疗计划的初始种群。A 个体治疗计划编码；一个治疗计划主要包括如下参数靶点数目Nf、靶点位置Pk(x，y，z)，靶点权重Wk，靶点准直器规格Ck等。为了适应遗传优化算法，需要对上述参数进行编码。编码方式有多种，可以采用二进制编码、实数编码或者格雷码编码等。在SGS-II逆向治疗计划规划中，采用了标准的二进制编码方法。表1给出了一个个体治疗计划的二进制编码表1治疗计划二进制编码示例
权利要求
1.一种治疗计划逆向规划方法，用于在放射治疗前对患者要进行放射治疗的区域进行剂量规划，其特征在于，包括步骤A 输入患者医学图像；步骤B 根据患者医学图像勾画患者体表、靶体、危及器官的组织轮廓； 步骤C 设置治疗计划的逆向规划目标； 步骤D 创建初始治疗计划；步骤E 设置迭代优化参数种群大小、种群进化次数；步骤F 对所述初始治疗计划进行随机抖动，产生种群中的个体治疗计划；步骤G 计算所述种群所有个体治疗计划对应的剂量场；步骤H:根据所述剂量场选择与所述逆向规划目标最接近的个体治疗计划作为当前最优计划；步骤I 若所述当前最优计划与所述逆向规划目标的差值小于预设的第一阈值，转步骤M ；否则进入下一步；步骤J 若进化次数达到所述种群进化次数，转到步骤M ；否则进入下一步； 步骤K 将所述当前最优计划通过扰动进化到新一代种群，转到步骤G ； 步骤M 停止种群进化并输出当前最优计划。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤K所述扰动包括随机扰动，所述随机扰动包括步骤Sl 随机选择当前最优计划的靶点位置和/或准直器型号和/或权重作为第一被扰动量；步骤S2 随机选择扰动量△ 1，△ 1小于预设的第一扰动幅度，将所述扰动量△ 1与步骤Sl所选择的第一被扰动量相加；步骤S3 重复步骤Sl至S2，直到形成种群大小数目的新一代个体治疗计划。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述步骤K所述扰动包括组合扰动 步骤Tl 选择当前最优计划的靶点位置、准直器型号或权重的任一种作为作为第二被扰动量；步骤T2:随机选择扰动量Δ2，△ 2小于预设的第二扰动幅度，将所述扰动量Δ2与步骤Tl所选择的第二被扰动量相加；步骤T3 重复步骤Tl至T2，直到形成种群大小数目的新一代个体治疗计划。
4.如权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，其中所述步骤F包括 步骤Fl 对所述初始治疗计划所包含的参数进行编码形成第一序列； 步骤F2 对所述第一序列的位进行随机取反操作形成第二序列；步骤F3 对所述第二序列进行解码，获得个体治疗计划； 步骤F4 重复F2至F3，直到形成种群大小数目的个体治疗计划。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述编码包括二进制编码、实数编码或格雷码编码中的任意一种。
6.一种治疗计划系统，用于在放射治疗前对患者要进行放射治疗的区域进行剂量规划，其特征在于，包括设置模块、优化模块、进化模块和迭代模块；所述设置模块用于，输入患者医学图像；根据患者医学图像勾画患者体表、靶体、危及器官的组织轮廓；设置治疗计划的逆向规划目标；创建初始治疗计划；设置迭代优化参数 种群大小、种群进化次数；对所述初始治疗计划进行随机抖动，产生种群中的个体治疗计划；所述优化模块用于，计算所述种群所有个体治疗计划对应的剂量场；根据所述剂量场选择与所述逆向规划目标最接近的个体治疗计划作为当前最优计划；所述进化模块用于，将所述当前最优计划通过扰动进化到新一代种群；所述迭代模块用于，若所述当前最优计划与所述逆向规划目标的差值小于预设的第一阈值，或进化次数达到所述种群进化次数，输出当前最优计划并结束；否则调用进化模块产生新一代种群，再调用优化模块进行优化。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，其中所述进化模块包括随机扰动单元和第二迭代单元；所述随机扰动单元用于随机选择当前最优计划的靶点位置和/或准直器型号和/或权重作为第一被扰动量；随机选择扰动量△ 1，△ 1小于预设的第一扰动幅度，将所述扰动量 Δ1与所述第一被扰动量相加；所述第二迭代单元用于迭代调用所述随机扰动单元，直到形成种群大小数目的新一代个体治疗计划。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，其中所述进化模块包括组合扰动单元和第三迭代单元；所述组合扰动单元用于选择当前最优计划的靶点位置、准直器型号或权重作为被扰动量的任一种作为第二被扰动量；随机选择扰动量Δ2，△ 2小于预设的第二扰动幅度，将所述扰动量△ 2与所述第二被扰动量相加；所述第三迭代单元用于迭代调用所述组合扰动单元，直到形成种群大小数目的新一代个体治疗计划。
9.如权利要求6至8任一所述的系统，其特征在于，其中所述设置模块包括抖动单元和第一迭代单元；所述抖动单元用于对所述初始治疗计划所包含的参数进行编码形成第一序列，对所述第一序列的位进行随机取反操作形成第二序列，对所述第二序列进行解码，获得个体治疗计划；所述第一迭代单元用于迭代调用所述抖动单元，直到形成种群大小数目的个体治疗计划。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，其中所述编码包括二进制编码、实数编码或格雷码编码中的任意一种。
全文摘要
本发明公开了一种治疗计划逆向规划方法，包括A.输入患者医学图像；B.勾画患者体表、靶体、危及器官的组织轮廓；C.设置逆向规划目标；D.创建初始治疗计划；E.设置迭代优化参数；F.产生个体治疗计划；G.计算个体治疗计划剂量场；H.根据剂量场选择当前最优计划；I.若当前最优计划与逆向规划目标的差值小于预设第一阈值，转M；否则进入下一步；J.若进化次数达到种群进化次数，转到M；否则进入下一步；K.将当前最优计划通过扰动进化到新一代种群，转到G；M.停止种群进化并输出当前最优计划。本发明还公开了一种治疗计划系统。本发明采用基于基因算法的种群进化方法，并通过扰动方法进行迭代，使得整个迭代过程简单、高效。
文档编号G06F19/00GK102194054SQ20111009681
公开日2011年9月21日 申请日期2011年4月18日 优先权日2011年4月18日
发明者刘启平, 卿侯, 崔智 申请人:深圳市海博科技有限公司