专利名称：一种基于检索的放射治疗计划系统及检索方法
技术领域：
本发明涉及放射治疗计划系统，包括利用X射线、Y射线、电子线、质子等进行放射治疗的各种放射治疗计划系统。
背景技术：
放射治疗是肿瘤治疗的有效方法之一，放射治疗计划系统是放射治疗的重要组成部分之一。放射治疗计划的目的是尽可能选择最好的照射方案，以达到对靶区施行高剂量照射、产生不可恢复性摧毁的同时使周围正常组织及关键或敏感组织所受影响最小的目的。放射治疗计划优化是治疗计划设计的重要组成部分，治疗计划方案的可靠性及效率都与之密切相关。放射治疗计划优化的效率和初始条件紧密相关，良好的初始条件可以提高放射治疗计划优化的速度和放射治疗计划的质量，对提高我国放射治疗的水平有重大促进作用。随着放射治疗计划系统在临床治疗上的广泛应用，必然产生海量的放射治疗计划数据，充分利用和挖掘这些宝贵的数据必将对临床放射治疗的理论和实践起到积极的推动作用。从我国的具体情况出发，建立符合中国肿瘤病人特征的数据库，通过基于检索的放射治疗计划系统来进行当前病例放射治疗计划的设计与优化具有重要的学术创新意义和临床应用价值。放射治疗计划设计与物理师及放射治疗计划系统密切相关，虽然放射治疗计划系统已经日趋完善，效率和精度越来越高，但是放射治疗计划设计仍然离不开物理师的丰富经验，如射野设计(射野的方向和数量)，剂量优化与评估等等。放射治疗计划优化涉及的参数众多，一个高品质的放射治疗计划设计通常是放射治疗周期中最耗时、自动化程度最低的步骤，物理师必须优化放射治疗的各项参数，反复调优使剂量分布符合医生指定的剂量约束条件。每次调优都需要重新计算剂量分布，而剂量计算是在三维空间进行的，并需要进行组织不均勻校正和散射校正，因此放疗计划设计耗时往往较长。放射治疗计划设计耗时过长，导致放射治疗计划设计效率低下，不易获得高质量的治疗计划。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有放射治疗计划检索功能的放射治疗计划系统，以满足临床放射治疗的迫切需要，提高放射治疗计划的质量和设计效率。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案。—种基于检索的放射治疗计划系统，包括放射治疗计划数据库、图像处理模块、放射治疗计划设计模块、放射治疗计划输出模块；其中，
所述放射治疗计划数据库由历史典型病例的图像数据、放射治疗计划数据、语义特征和几何特征构成；
图像处理模块用于病例CT/MR/PET图像数据的输入、图像分割、三维重建与可视化、特征提取操作；还包括放射治疗计划检索模块，通过检索放射治疗计划数据库获得相似病例的放射治疗计划，发送至治疗计划设计模块进行射野设计与剂量计算、优化，最后由放射治疗计划输出模块打印输出计划。本发明还提供一种基于放射治疗计划数据库的检索方法，包括如下步骤
(a)比较语义特征，从放射治疗计划数据库中选择语义特征一致的病例；
(b)比较放射治疗计划空间分布特征，包括各组织之间的夹角以及重心之间的归一化距离，从步骤(a)的结果中筛选出相似病例；
(c)比较靶区及敏感组织的体积、圆球度等描述子，从步骤(b)的结果中筛选出相似病
例；
(d)从步骤(c)的结果中，比较多视角投影二维几何特征、靶区及关键组织的三维几何特征，从中筛选出最相似的病例，将其放射治疗计划用于指导当前病例放射治疗计划的设计与优化。进一步的，本发明的基于放射治疗计划数据库的检索方法，步骤(b)中各组织之间的夹角采取如下方法进行分析将每个敏感组织的重心与靶区的重心相连，把重心之间的归一化距离以及这些射线之间的夹角定义放射治疗计划的空间分布特征。进一步的，本发明的基于放射治疗计划数据库的检索方法，步骤(a)所述语义特征包括病人的体形和体质、肿瘤的类型和分期、处方剂量、射线的类型和能量、病人的生存状况。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果
本发明提出了基于检索的放射治疗计划设计与优化的思想，解决了放射治疗计划检索的关键技术。在该系统中，根据当前病例的语义特征和几何特征进行检索，通过检索历史典型病例的高质量放射治疗计划数据库，获得相似病例的放射治疗计划，用于指导当前病例放射治疗计划的射野设计与计划优化，这将大大减少放射治疗计划设计的时间和复杂性， 为放射治疗计划优化提供良好的初始条件，从而提高放射治疗计划设计的效率以及放射治疗计划的质量，这是对现有放射治疗计划设计方式的重要改进。
图1是放射治疗流程图。图2是改进的放射治疗流程图。图3是基于检索的放射治疗计划系统工作流程图。图4是基于内容的放射治疗计划检索框架。图5是本发明的检索策略示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明
如图1所示，为放射治疗的一般流程。从图1可以看到，放射治疗需要由临床医师、物理师、治疗技师等医务人员紧密配合才能圆满完成。患者的个体差异和患病情况千差万别， 需要由临床医师加以诊断，选择合适的治疗方式。如果病人适合进行放射治疗，临床医师则需要根据患者的具体情况确定放射治疗的方式，获取病人的影像学资料，并在影像学资料上勾画靶区以及需要保护的关键组织，确定处方剂量等。本发明针对放射治疗流程中的放射治疗计划设计这一步骤进行，S卩如何提高物理师进行放射治疗计划设计的质量和效率。本发明把病人的体形和体质、肿瘤的类型和分期、处方剂量、射线类型等定义为语义特征。当临床医师确定了放射治疗的方式、靶区、需要保护的关键组织以及处方剂量后， 放射治疗计划射野的设计、计划的优化等只与“靶区及其所涉关键组织自身的几何特征以及它们之间的空间分布”有关，本发明把“靶区及其所涉关键组织自身的几何特征以及它们之间的空间分布”统称为“放射治疗计划的几何特征”。对于人体来讲，解剖结构总体上相似，也就是说病灶周围的器官类型和数量基本一致(特殊情况除外，例如某一解剖结构已被切除或部分切除)，但各个解剖结构自身的几何特征以及它们相互之间的空间分布存在差异。如果两个病例的“放射治疗计划的几何特征”相似，处方剂量基本一致，那么它们的放射治疗计划也相似。根据检索获得语义特征以及几何特征相似的病例及其治疗计划参数，一方面可以用来指导物理师进行放射治疗计划的设计，另一方面相似病例的放射治疗计划参数可以作为本病例计划优化的初始参数，从而提高放射治疗计划优化的速度，并可获得更高质量的治疗计划。放射治疗计划检索在放射治疗培训、教学及研究中同样具有重要意义。根据以上分析，本发明提出如图2所示的改进的放射治疗流程。相比于常规的放射治疗流程，该流程在“放射治疗计划设计”这一步骤之前增加了“放射治疗计划检索”这一步骤，用于指导放射治疗计划的设计。如图3所示，本发明的系统主要包括放射治疗计划数据库、图像处理模块、放射治疗计划检索模块、放射治疗计划设计模块、放射治疗计划输出模块。其中，放射治疗计划数据库由高质量的历史典型病例的图像数据、放射治疗计划数据、语义特征和几何特征构成；
图像处理模块主要包括病例图像数据的输入、图像分割、三维重建与可视化、特征提
取；
放射治疗计划检索模块根据病例的语义特征、靶区及关键组织的几何特征检索相似病例的放射治疗计划；
放射治疗计划设计模块根据检索获得的相似病例的放射治疗计划进行射野设计、剂量计算、计划优化与评估。放射治疗计划输出模块将打印输出放射治疗计划的参数，如病人的信息、处方剂量、射野的参数、治疗机参数、等剂量线、等剂量面、剂量体积直方图等。图像处理模块、放射治疗计划设计模块、放射治疗计划输出模块与常规的放射治疗计划系统类同，下面介绍放射治疗计划数据库以及放射治疗计划检索模块。(一)放射治疗计划数据库
放射治疗计划数据库包括调强放射治疗计划数据库、适形放射治疗计划数据库、电子线放射治疗计划数据库等。根据拟定的语义特征和放射治疗计划的评估参数，由临床医师和物理师收集典型病例及其放射治疗计划，收集的病例症状典型、数量合理、放射治疗计划质量高，对这些病例之间的相似性进行人工定量评估，并对这些评估结果进行处理分析，提取病例的语义特征和几何特征，构成本系统的放射治疗计划数据库。
(二)放射治疗计划检索模块
放射治疗计划检索模块是本发明的核心，它根据病例的语义特征和几何特征进行检索，获得相似病例的放射治疗计划指导当前病例放射治疗计划的设计与优化。如图4所示， 给出了基于内容的放射治疗计划检索框架。对于给定的病例，提取语义特征，并通过图像分割与重建提取几何特征，与放射治疗计划数据库中的特征进行比较分析，获得相似的病例。特征提取是进行检索的关键技术之一，本发明把特征分为语义特征、二维几何特征和三维几何特征三个方面。(1)语义特征，如病人的体形和体质、肿瘤的类型和分期、处方剂量、射线的类型和能量、病人的生存状况等。(2) 二维几何特征，将三维场景从多个视角进行投影，研究各视角下投影图像的几何不变特征，如傅立叶描述子、矩描述子、小波描述子等，这些特征构成放射治疗计划的二维投影特征向量。(3)三维几何特征，包括任意目标自身的三维几何特征以及三维多目标几何分布的特征，如体积、圆球度、Zernike矩、各组织之间的夹角等。各组织之间的夹角采取如下方法进行分析将每个敏感组织的重心与靶区的重心相连，把重心之间的归一化距离以及这些射线之间的夹角定义放射治疗计划的空间分布特征。如图5所示，本发明的检索方法如下
(a)比较语义特征，从中选择语义特征一致的病例。(b)比较放射治疗计划空间分布特征，包括各组织之间的夹角以及重心之间的归一化距离，从中选择相似病例。(c)比较靶区及敏感组织的体积、圆球度等描述子，从中检索相似的病例。(d)比较多视角投影二维几何特征、靶区及关键组织的三维几何特征，从中检索相似的病例来指导当前病例放射治疗计划的设计与优化。在实际操作当中，根据步骤(d)获得的相似病例的放射治疗计划后，物理师会进行合理的调整作为当前病例的初始放射治疗计划，并由治疗计划设计模块进行剂量计算与计划优化，直至获得满足临床要求的放射治疗计划。最后，根据放射治疗计划的质量以及病例的典型性，确定是否把该病例的图像数据、放射治疗计划数据、语义特征和几何特征添加到放射治疗计划数据库中去。下面举例说明采用本发明的系统实施肿瘤放射治疗的实例。实施例1 应用6M X射线对病人进行调强放射治疗计划的过程。第一步医生给出靶区以及关键组织的处方剂量；从硬盘或网络加载病人的CT图像资料，应用自动和半自动图像分割的方法得到肿瘤、关键组织、正常组织的轮廓，进行三维重建与显示，并提取语义特征和几何特征。第二步根据当前病例的语义特征和几何特征，由计算机从放射治疗计划数据库中检索相似病例，获得相似病例的调强放射治疗计划。第三步根据检索获得的相似病例的调强放射治疗计划，设计当前病例的调强放射治疗计划，然后进行放射治疗计划的优化与评估，直至获得满足临床要求的放射治疗计划为止。
第四步放射治疗计划验证。对每一个射野，根据射野参数，应用剂量计算模块计算X射线在体膜(或水模)中产生的剂量分布数据，然后对体膜(或水模)在相同的条件下进行实际测量，获得实测的剂量分布数据。对计算和实测的两种剂量数据进行分析比较， 判定是否满足规定的要求，如果满足则可以对病人实施放射治疗，反之，则不能实施放射治疗，并需要对放射治疗设备或治疗计划系统进行校验。第五步若可以实施放射治疗，则打印输出放射治疗计划，由医生确认后，通过网络或人工将放射治疗计划输入到医用加速器，按照放射治疗规范对病人进行放射治疗，并将当前病例的调强放射治疗计划通过反馈系统判别是否需要添加到放射治疗计划数据库中。实施例2 应用电子线对病人进行适形放射治疗计划的过程。第一步医生给出靶区以及关键组织的处方剂量；从硬盘或网络加载病人的CT图像资料，应用自动和半自动图像分割的方法得到肿瘤、关键组织、正常组织的轮廓，进行三维重建与显示，并提取语义特征和几何特征。第二步根据当前病例的语义特征和几何特征，由计算机从放射治疗计划数据库中检索相似病例，获得相似病例的电子线放射治疗计划。第三步根据检索获得的相似病例的电子线放射治疗计划，设计当前病例的电子线放射治疗计划，然后进行放射治疗计划的优化与评估，直至获得满足临床要求的放射治疗计划为止。第四步放射治疗计划验证。对每一个射野，根据射野参数，应用剂量计算模块计算电子线在体膜(或水模)中产生的剂量分布数据，然后对体膜(或水模)在相同的条件下进行实际测量，获得实测的剂量分布数据。对计算和实测的两种剂量数据进行分析比较， 判定是否满足规定的要求，如果满足则可以对病人实施放射治疗，反之，则不能实施放射治疗，并需要对放射治疗设备或治疗计划系统进行校验。第五步若可以实施放射治疗，则打印输出放射治疗计划，由医生确认后，通过网络或人工将放射治疗计划输入到医用加速器，按照放射治疗规范对病人进行放射治疗，并将当前病例的电子线放射治疗计划通过反馈系统判别是否需要添加到放射治疗计划数据库中。实施例3 应用伽玛刀对病人进行放射治疗计划的过程。第一步医生给出靶区以及关键组织的处方剂量；从硬盘或网络加载病人的CT图像资料，应用自动和半自动图像分割的方法得到肿瘤、关键组织、正常组织的轮廓，进行三维重建与显示，并提取语义特征和几何特征。第二步根据当前病例的语义特征和几何特征，由计算机从放射治疗计划数据库中检索相似病例，获得相似病例的伽玛刀放射治疗计划。第三步根据检索获得的相似病例的伽玛刀放射治疗计划，设计当前病例的伽玛刀放射治疗计划，然后进行放射治疗计划的优化与评估，直至获得满足临床要求的放射治疗计划为止。第四步放射治疗计划验证。对每一个射野，根据射野参数，应用剂量计算模块计算伽玛射线在体膜(或水模)中产生的剂量分布数据，然后对体膜(或水模)在相同的条件下进行实际测量，获得实测的剂量分布数据。对计算和实测的两种剂量数据进行分析比较，判定是否满足规定的要求，如果满足则可以对病人实施放射治疗，反之，则不能实施放射治疗，并需要对放射治疗设备或治疗计划系统进行校验。第五步若可以实施放射治疗，则打印输出放射治疗计划，由医生确认后，通过网络或人工将放射治疗计划输入到伽玛刀治疗机，按照放射治疗规范对病人进行放射治疗， 并将当前病例的伽玛刀放射治疗计划通过反馈系统判别是否需要添加到放射治疗计划数据库中。本发明提出了基于内容的放射治疗计划检索的思想，并将其应用于放射治疗计划的设计与优化，开辟了放射治疗计划设计与优化的一条新途径。在这种方案中，根据病例的语义特征和几何特征进行检索，获取相似病例及其治疗计划参数，来指导当前病例放射治疗计划的设计和优化，这将大大减少放射治疗计划设计的时间和复杂性，为放射治疗计划优化提供良好的初始条件，从而达到提高放射治疗计划设计的效率、保证放射治疗计划质量的目的，这种方法是对现有放射治疗计划设计方式的重要改进。本发明在放射治疗研究、教学、或培训中也具有重要作用，例如对于放射治疗的临床研究，可用于分析比较对相似病例采用不同放射治疗方案的疗效，从而指导将来的放射治疗计划实践。
权利要求
1.一种基于检索的放射治疗计划系统，包括放射治疗计划数据库、图像处理模块、放射治疗计划设计模块、放射治疗计划输出模块；其中，所述放射治疗计划数据库由历史典型病例的图像数据、放射治疗计划数据、语义特征和几何特征构成；图像处理模块用于病例CT/MR/PET图像数据的输入、图像分割、三维重建与可视化、特征提取操作；其特征在于还包括放射治疗计划检索模块，通过检索放射治疗计划数据库获得相似病例的放射治疗计划，发送至治疗计划设计模块进行射野设计与剂量计算、优化， 最后由放射治疗计划输出模块打印输出计划。
2.一种基于放射治疗计划数据库的检索方法，其特征在于包括如下步骤(a),比较语义特征，从放射治疗计划数据库中选择语义特征一致的病例；(b)，比较放射治疗计划空间分布特征，包括各组织之间的夹角以及重心之间的归一化距离，从步骤(a)的结果中筛选出相似病例；(c)，比较靶区及敏感组织的体积、圆球度等描述子，从步骤(b)的结果中筛选出相似病例；(d)，从步骤(c)的结果中，比较多视角投影二维几何特征、靶区及关键组织的三维几何特征，从中筛选出最相似的病例，将其放射治疗计划用于指导当前病例放射治疗计划的设计与优化。
3.根据权利要求2所述的基于放射治疗计划数据库的检索方法，其特征在于步骤 (b)中各组织之间的夹角采取如下方法进行分析将每个敏感组织的重心与靶区的重心相连形成η条射线，把重心之间的归一化距离以及这η条射线之间的夹角定义放射治疗计划的空间分布特征。
4.根据权利要求2所述的基于放射治疗计划数据库的检索方法，其特征在于步骤(a) 所述语义特征包括病人的体形和体质、肿瘤的类型和分期、处方剂量、射线的类型和能量、 病人的生存状况。
全文摘要
本发明公开了一种基于检索的放射治疗计划系统，包括由历史典型病例的高质量放射治疗计划构成的放射治疗计划数据库、图像处理模块、基于病例语义特征和几何特征的放射治疗计划检索模块、放射治疗计划设计模块、放射治疗计划输出模块，适用于各种类型的放射治疗。本发明还提出一种基于放射治疗计划数据库的检索方法，通过检索放射治疗计划数据库，获得相似病例的放射治疗计划，指导当前病例放射治疗计划的射野设计与优化，从而提高放射治疗计划设计的速度以及放射治疗计划的质量。
文档编号G06F19/00GK102184334SQ20111012957
公开日2011年9月14日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者周正东 申请人:南京航空航天大学