[发明专利]基于扩展收缩理论的放疗计划仿真设计方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于扩展收缩理论的放疗计划仿真设计方法及系统，包括：在医学影像中标记肿瘤目标，建立包含肿瘤目标TV区域和OAR区域的三维影像，对三维影像均匀采样，获取目标点云数据；设置包含放射治疗入针点的模板，随机生成针道序列P，在序列P中的针道设置若干放射粒子，计算若干放射粒子的剂量分布；对放射粒子的驻留点进行扩展收缩操作，调整放射粒子驻留时间，以优化放射粒子的剂量分布；打印三维影像的三维模型、针道序列P和放射粒子的驻留点。相比于现有技术，本发明提出的方案缓解了传统的放射治疗计划对物理师经验的高度依赖，利用基于扩展收缩理论的方法对针道中放射粒子的驻留位置进行迭代优化，提升了治疗计划制定的效能。

技术领域

本发明涉及虚拟手术技术领域，特别是涉及一种基于扩展收缩理论的放疗计划仿真设计方法及系统。

背景技术

放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出，已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一。据统计，大约70％的癌症患者在治疗癌症的过程中需要用放射治疗，约有40％的癌症可以用放疗根治。肿瘤放射治疗是利用高能量放射线照射癌变的肿瘤，杀死或破坏癌细胞，抑制它们的生长、繁殖和扩散。

放射治疗根据放射源距患者的距离远近可以分为近距离放射治疗和外照射。近距离放疗手段是通过施源器或密封放射源将放射性粒子通过介入穿刺的方法植入肿瘤内，利用从放射性粒子持续发出的射线对病变区持续杀伤照射。放射性粒子植入使用尺寸为毫米级别的小型放射源(如碘125等)。为了合理放置粒子源并便于计算，将每根穿刺针离散化为多个驻留点，放射源可以在驻留位置作用一定的驻留时间。

传统的放疗手术计划仿真是一个不断试错的过程，物理师凭借经验根据放疗剂量分布构建放疗计划，对放疗计划进行评估，如果不满足手术要求，医师将调整放疗剂量分布。不断重复此过程，直至放疗计划满足手术要求的剂量分布。这种方法对物理师经验依赖程度较高，且获得的放疗计划难以达到最优的剂量分布。

鉴于此，本发明提出一种基于扩展收缩理论的放疗计划仿真设计方法及系统，以缓解现有技术的不足。

发明内容

第一方面，本发明提供了一种基于扩展收缩理论的放疗计划仿真设计方法，包括：在医学影像中标记肿瘤目标，建立包含肿瘤目标TV区域和OAR区域的三维影像，对三维影像均匀采样，获取目标点云数据；设置包含放射治疗入针点的模板，任一入针点与目标点云数据中任一点组合为针道，随机生成针道序列P，序列P中的任意两个针道所在线段均无交点；在序列P中的针道设置若干放射粒子，计算若干放射粒子的剂量分布；对放射粒子的驻留点进行扩展收缩操作，调整放射粒子驻留时间，以优化放射粒子的剂量分布；利用3D打印技术，打印三维影像的三维模型、针道序列P和放射粒子的驻留点。

进一步地，对放射粒子驻留点进行扩展收缩操作，调整放射粒子驻留时间的步骤，包括：在针道序列P中未设置放射粒子的任一驻留点进行扩展操作，扩展操作包括在驻留点设置放射粒子，调整针道序列P中已放置的放射粒子的驻留时间，以优化放射粒子的剂量分布；在针道序列P中已设置放射粒子的任一驻留点进行收缩操作，收缩操作包括在驻留点撤销放射粒子，调整针道序列P中已放置的放射粒子的驻留时间，若收缩操作不能优化放射粒子的剂量分布，则不进行收缩操作；重复进行扩展和收缩操作若干次，或通过扩展操作不能优化放射粒子的剂量分布时，停止扩展和收缩操作。

进一步地，在对放射粒子驻留点进行扩展收缩操作，调整放射粒子驻留时间的之后，还包括：记录剂量分布的目标值为第一优化值；随机替换序列P中的任一针道，替换后序列P中的作意两个针道所在线段均无交点；对放射粒子驻留点进行扩展收缩操作，调整放射粒子驻留时间，以获取针道替换后剂量分布的目标值，若针道替换后剂量分布的目标值优于第一优化值，将针道替换后剂量分布的目标值赋予第一优化值；继续随机替换序列P中的任一针道，直至第一优化值不再变化或针道替换次数超过第一阈值。