[发明专利]放射粒子内放疗介入手术机器人的剂量优化方法及介质

说明书

本发明涉及一种放射粒子内放疗介入手术机器人的剂量优化方法及介质的技术方案，包括：粒子剂量计算及粒子剂量优化；粒子剂量计算包括：通过蒙特卡罗模拟，计算多种不同类型及不同形状的放射源粒子的辐射剂量；粒子剂量优化包括：构建放射源粒子的三维拓扑结构，设置放射性粒子辐射场的叠加规则，根据病灶设置对应的目标函数，以及，设置边界约束条件；根据三维拓扑结构、叠加规则、目标函数及边界约束条件，使用退火算法依次执行随机粒子布源初始化、模拟退火过程对应参数设定及模拟退火算法的迭代优化处理，得到放射源粒子最优布源规划和最优剂量。本发明的有益效果为：实现放射粒子内放疗介入手术机器人的最优粒子布源规划和剂量。

技术领域

本发明涉及医疗和计算机领域，具体涉及了一种放射粒子内放疗介入手术机器人的剂量优化方法及介质。

背景技术

恶性肿瘤已经成为一种严重威胁人类健康且常见的多发疾病，其主要的治疗手段有手术治疗、化学治疗和放射治疗等。其中，放射治疗利用放射源发出的高能射线，持续对肿瘤细胞细胞核进行破坏，抑制肿瘤细胞的有丝分裂，从而起到治疗效果。与普通的外照射治疗相比，放射性粒子植入性内放疗能大幅提高对肿瘤病灶的放射剂量，同时减少患者正常器官组织所接受的辐射，有对恶性肿瘤的局部控制率高、治疗后并发症发病率低的优点，显著延长了患者的生存时间。放射粒子的布源与辐射剂量优化是内放疗介入手术成功的关键，其目标是根据病灶(靶区)及其周围重要器官和组织的MRI、CT等三维医学图像，并根据医生给出处方照射剂量，合理地规划放射粒子的个数和位置，使得放射粒子的辐射场在病灶区域满足处方放射剂量要求的同时，保护病灶周围的重要器官，因此，放射粒子的辐射剂量优化方法必不可少。

尽管目前已经存在内放疗粒子辐射剂量的优化方法，但已有的方法未考虑临床治疗中存在的相关限制，因此在辅助医生或手术机器人进行手术操作的实际应用上仍存在不足。举例而言，在实际的粒子植入手术中，放射性粒子是由穿刺针注射入病灶，现有的大多数剂量优化方法是基于共面针的优化方法，不能实现三维任意位置的布源优化，面对多病灶、大肿瘤和骨骼或重要器官遮挡情况，其剂量规划方法很难使得剂量分布满足临床要求，容易出现剂量辐射冷区。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供了一种放射粒子内放疗介入手术机器人的剂量优化方法及介质，实现放射粒子内放疗介入手术机器人的最优粒子布源规划和剂量。

本发明的技术方案包括一种放射粒子内放疗介入手术机器人的剂量优化方法，其特征在于，该方法包括：粒子剂量计算及粒子剂量优化；所述粒子剂量计算包括：通过蒙特卡罗模拟，计算多种不同类型及不同形状的放射源粒子的辐射剂量；所述粒子剂量优化包括：构建所述放射源粒子的三维拓扑结构，设置放射性粒子辐射场的叠加规则，根据病灶设置对应的目标函数，以及，设置边界约束条件；根据所述三维拓扑结构、所述叠加规则、所述目标函数及所述边界约束条件，使用退火算法依次执行随机粒子布源初始化、模拟退火过程对应参数设定及模拟退火算法的迭代优化处理，得到所述放射源粒子最优布源规划和最优剂量。

根据所述的放射粒子内放疗介入手术机器人的剂量优化方法，其中构建所述放射源粒子的三维拓扑结构包括：构建所述放射性粒子的圆柱体三维拓扑结构，并使用六个维度的坐标唯一确定所述放射性粒子在空间中的位置和姿态，其中x，y，z分别表示圆柱形粒子的中心在三维空间的位置坐标，则分别表示圆柱形粒子的方向向量在x，y，z三个坐标轴上的投影。

根据所述的放射粒子内放疗介入手术机器人的剂量优化方法，其中设置放射性粒子辐射场的叠加规则包括：所述叠加规则用于得到空间任意点的辐射强度，所述辐射强度根据在该空间中存在的每个所述放射性粒子的辐射场在该点的辐射强度的标量和。

根据所述的放射粒子内放疗介入手术机器人的剂量优化方法，其中目标函数包括：用于根据病灶的处方剂量和病灶周围重要器官辐射剂量，并根据器官的重要程度为每种器官设置相应的权重因子，所述目标函数为：