【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于医疗设备，涉及放疗治疗设备的控制和设计，特别涉及一种用于宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统。
技术介绍
1、宫颈癌放射治疗包括两种方式，外照射放疗和近距离放疗。近距离放疗是让放射源在驱动钢丝的导管下，通过中空的施源器管/针内部进入肿瘤组织中，使放射线能够直接照射到肿瘤部位，从而实现对肿瘤的有效治疗。相比于其他放疗方式，近距离放疗具有精准度高、疗效好的优势，被广泛应用于临床实践中。然而，在近距离放疗的治疗计划中存在一些关键问题。其中之一是导管放置，即确定使用多少个导管、在哪里插入、以何种角度插入等。导管的放置位置和姿态会在很大程度上影响到最终治疗的效果以及放射治疗的安全性。目前，导管的放置依赖于医生的经验和直觉进行规划，这种主观性强的规划方式导致了不同医生给出的放置方案可能存在较大差异，且容易引入人为误差。另一个关键问题是剂量规划，即确定每个放射源在导管中的驻留时间。驻留时间的优化对于保证肿瘤区域接受足够的放疗剂量并减少对周围正常组织的辐射损伤至关重要。然而，目前的剂量规划通常需要医生进行医学图像的三维重建再使用软件进行辅助优化，这通常会耗费医生大量的时间和精力。因此，如何针对近距离放疗设计一种辅助治疗规划优化模型和求解算法，以同时实现高效、准确的导管放置和剂量规划，是本领域研究人员需要解决的问题。
2、在现有技术中，研究人员曾提出了如线性惩罚模型、基于剂量学的模型和综合优化模型等多种优化模型，但是这些模型都存在一些缺陷。例如，线性惩罚模型的目标函数与剂量学指标之间没有直接关联，因此会导致不均匀的剂
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，考虑了靶区的适形度和风险器官的剂量学指标，以同时实现导管的放置优化以及剂量规划。
2、为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：
3、一种宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，包括：
4、规划靶区及风险器官定义模块，用于在坐标系中利用指示函数定义规划靶区以及风险器官；
5、导管及驻留位置定义模块，用于将近距离放射治疗中的导管利用点和方向矢量进行表示，同时确定导管驻留位置的数量及坐标；
6、等剂量区域的定义和计算模块，用于通过等剂量区域指示函数对三维空间中哪些位置至少接受了特定剂量而哪些位置没有接受到足够剂量进行指示；
7、加权适形度指标目标函数构建模块，用于通过规划靶区的指示函数与处方剂量区域的指示函数构建加权偏差指示函数，并基于加权偏差指示函数构建加权适形度指标目标函数；
8、风险器官剂量学指标目标函数构建模块，基于风险器官的指示函数以及处方剂量区域的指示函数构建风险器官剂量学指标目标函数，用于使风险器官尽可能少地受到辐射；
9、最优控制模型建立模块，用于将加权适形度指标目标函数和风险器官剂量学指标目标函数加权相加，以建立辅助治疗规划的最优控制模型的优化问题；
10、离散化处理模块，用于对所述最优控制模型的优化问题进行离散化处理；
11、gpu加速计算模块基于切片加权和算法，用于利用gpu并行加速计算三维剂量分布张量，并基于三维剂量分布张量在离散化后的优化问题求解时计算离散等剂量区域指示函数和处方剂量区域指示函数；
12、粒子群算法求解模块，用于利用惯性权重动态调整粒子群算法对最优控制模型求解，得到最佳的导管定点矩阵和方向矩阵，以及驻留时间矩阵。
13、进一步地，在欧氏空间中定义一个笛卡尔坐标系c作为参考系；同时，设ω为包含规划靶区ptv和风险器官oar的最小立方体区域；那么ptv和oar在空间中的体积占用可以在坐标系c中用如下指示函数加以定义：
14、
15、
16、其中，(x,y,z)表示笛卡尔坐标系中的一个点的坐标。
17、进一步地，设近距离放射治疗中有n根导管，这些导管可以被简化为直线；第i根导管的长度为li，放射源每次沿导管以δc的增量向前推进，那么在第i根导管中，将有最多个待定的驻留位置；空间中的第i根导管可以用一个定点pi和一个方向矢量加以表示；第i根导管上的第j个驻留位置的驻留时间用tij来表示；设p和v分别是由定点pi和方向矢量vi组成的矩阵，而t是驻留时间矩阵，s1,s2,..,sn表示驻留位置的最大数量，分别对应于第1根、第2根至第n根导管中可能的最大驻留位置数量。
18、进一步地，所述等剂量区域指示函数表示为：
19、
20、式(1)中是由现有技术中的tg-43协议给定的一维剂量率方程；各个变量符号的定义如下：
21、rij,＝‖p-pi-jδcvi‖2
22、p＝[x,y,z]t
23、其中rij为距离参数，表示p到pi的距离，p为空间中导管位置定点的三维坐标向量，‖‖2表示l2范数，d表示空间位置所接受的特定剂量。
24、进一步地，所述加权偏差指示函数表示为：
25、
26、其中ω>0为权重系数，ω设定为一个大于0但小于等于0.5的值；dp指处方剂量，g(x,y,z,dp)为处方等剂量区域的指示函数，f(x,y,z)为规划靶区指示函数；
27、所述加权适形度指标目标函数表示为：
28、
29、进一步地，所述风险器官剂量学指标目标函数表示为：
30、
31、其中dε表示用于计算oar剂量学指标的剂量，ε代表dε占处方剂量dp的百分比，满足dε＝dp×ε％。
32、进一步地，所述辅助治疗规划的最优控制模型的优化问题表示为：
33、
34、
35、0≤tij≤tmax，i＝1,2…,n，j＝1,2…,si
36、其中和分别表示所有可能的定点和方向向量的集合，ω1,ω2表示权重，满足ω1+ω2＝1；tmax表示驻留时间的最大值。
37、进一步地，对所述最优控制模型的优化问题进行离散化处理，包括：
38、对空间立方体区域ω进行三维的等距分割，并使用三阶张量表示离散化后的函数和变量；立方体区域ω沿x、y、z方向均匀划分为d1、d2、d3等份，在空间中有d1×d2×d3剂量点，间隔为δ；ω中的函数将被转换为三阶张量和可以表示为：
39、
40、
41、
42、因此，离散化后的优化问题变为：
43、
44、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，其特征在于，在欧氏空间中定义一个笛卡尔坐标系C作为参考系；同时，设Ω为包含规划靶区PTV和风险器官OAR的最小立方体区域；那么PTV和OAR在空间中的体积占用可以在坐标系C中用如下指示函数加以定义：
3.根据权利要求1所述的宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，其特征在于，设近距离放射治疗中有n根导管，这些导管可以被简化为直线；第i根导管的长度为li，放射源每次沿导管以Δc的增量向前推进，那么在第i根导管中，将有最多个待定的驻留位置；空间中的第i根导管可以用一个定点pi和一个方向矢量加以表示；第i根导管上的第j个驻留位置的驻留时间用tij来表示；设P和V分别是由定点pi和方向矢量vi组成的矩阵，而T是驻留时间矩阵，s1,s2,..,sn表示驻留位置的最大数量，分别对应于第1根、第2根至第n根导管中可能的最大驻留位置数量。
4.根据权利要求1所述的宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，其特征在于，所述等剂
5.根据权利要求1所述的宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，其特征在于，所述加权偏差指示函数表示为：
6.根据权利要求1所述的宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，其特征在于，所述风险器官剂量学指标目标函数表示为：
7.根据权利要求1所述的宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，其特征在于，所述辅助治疗规划的最优控制模型的优化问题表示为：
8.根据权利要求1所述的宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，其特征在于，对所述最优控制模型的优化问题进行离散化处理，包括：
9.根据权利要求1所述的宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，其特征在于，所述切片加权和算法包括：
10.根据权利要求1所述的宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，其特征在于，所述惯性权重动态调整粒子群算法，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，其特征在于，在欧氏空间中定义一个笛卡尔坐标系c作为参考系；同时，设ω为包含规划靶区ptv和风险器官oar的最小立方体区域；那么ptv和oar在空间中的体积占用可以在坐标系c中用如下指示函数加以定义：
3.根据权利要求1所述的宫颈癌近距离放射治疗的高适形逆向优化系统，其特征在于，设近距离放射治疗中有n根导管，这些导管可以被简化为直线；第i根导管的长度为li，放射源每次沿导管以δc的增量向前推进，那么在第i根导管中，将有最多个待定的驻留位置；空间中的第i根导管可以用一个定点pi和一个方向矢量加以表示；第i根导管上的第j个驻留位置的驻留时间用tij来表示；设p和v分别是由定点pi和方向矢量vi组成的矩阵，而t是驻留时间矩阵，s1,s2,..,sn表示驻留位置的最大数量，分别对应于第1根、第2根至第n根导管中可能的最大驻留位置数量。
【专利技术属性】
技术研发人员：陈学松，林士淇，马文茵，欧阳翼，顾慧宽，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：
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