一种调强放射治疗射束角度优化系统

本发明涉及调强放射治疗，尤其是涉及一种调强放射治疗射束角度优化系统。

背景技术：

1、中国国家癌症中心2022公布的数据表明，我国2016年新发约406.4万恶性肿瘤病例，其中约有241.35万死亡病例，平均每天确诊约11134人。癌症粗发病率和粗死亡率在2000年到2016年持续上升，我国癌症防控任务愈发严峻。

2、目前主要有三种方式治疗癌症，分别是放射治疗、手术治疗和化学治疗。传统的放射治疗不可避免的会照射到靶区周围的正常器官，对其造成损伤。进而发展出了适形放射治疗，即使用准直器得到射野的形状，从而保护靶区周围的正常器官。但是由于靶区形状不规则，比如某些区域隆起，这时适形放射治疗不能保证靶区内的剂量分布均匀，就有癌细胞不能完全被杀死的可能。针对这个问题发展出了调强放射治疗。调强放射治疗通过调整每个方向上射线强度，使得靶区每一点的剂量分布均匀，进而增强放射治疗的效果，降低癌症复发的可能性。是否选择了合适的角度对放疗质量有很大影响，但射束角度优化很难最优化，因为这是一个非凸问题，具有多个局部极小值。在国内外，射束角度优化的问题已经有很多学者进行了研究，针对计算速度和最终临床放疗效果的研究仍然有较大的提升空间。

技术实现思路

1、本发明提出一种调强放射治疗射束角度优化系统，以期能加快射束角度的求解速度，使实际放疗效果达到临床要求。

2、一种调强放射治疗射束角度优化系统，包括如下模块：

3、数据预处理模块；将放疗数据进行压缩并采用稀疏读取，得到稀疏矩阵样本；

4、方向划分模块；初始化射束角度为0～360°，剔除禁忌角度，并按照固定步长划分出若干个射束方向；

5、第一计算模块；以射束长度为步长，对稀疏矩阵样本进行行累加，得到当前所有射束方向的剂量沉积矩阵；

6、第二计算模块；通过共轭梯度算法求解射束方向的强度分布矩阵；

7、第三计算模块；通过剂量沉积矩阵和强度分布矩阵计算剂量分布矩阵；

8、优化模块；通过侧抑制函数和邻近效应函数对射束方向进行约束；通过子野内体素剂量条件对剂量分布矩阵优化，得到每个射束方向的目标剂量；

9、剔除模块；基于目标剂量、抑制值和邻近效应值，计算射束方向的重要性；剔除重要性最低的射束方向，直至剩余射束方向数量等于预先设定的角度数量，然后将射束方向还原成射束角度，输出射束角度及其对应的目标剂量。

10、进一步的，射束长度：beamlen＝rows*clos；

11、射束方向划分：式中，beamlen表示每个方向的射束长度；rows表示子野的行数；clos表示子野的列数；{θj}表示所有禁忌角度的集合；α表示固定步长。

12、进一步的，第二计算模块的具体执行过程为：输入剂量沉积矩阵p、迭代初值x0、右端项b、方向系数a、阈值ε，初始化当前迭代次数k＝0、方向向量d0＝b-ax0、梯度r0＝d0、总迭代次数n＝size(p,1)；然后进行迭代更新，迭代过程具体如下：

13、(1)计算迭代步长：

14、(2)更新迭代初值：xk+1＝xk+ρkdk；

15、(3)计算迭代梯度：rk+1＝b-axk+1；

16、如果‖rk+1‖≤ε或者达到总迭代次数n，则停止迭代，返回近似解xk+1作为强度分布矩阵x，否则继续迭代；

17、(4)更新组合系数：

18、(5)更新共轭方向：dk+1＝rk+1+βkdk；

19、(6)更新迭代次数：k＝k+1；

20、(7)进行下一次迭代；

21、式中，ρk表示第k次迭代的步长；rk表示第k次迭代的梯度；rk+1表示第k+1次迭代的梯度；dk表示第k次迭代的方向向量；xk表示第k次迭代的初值；xk+1第k+1次迭代的初值。

22、进一步的，剂量分布矩阵：d＝p*x；

23、侧抑制函数：li＝c1*(cos2.5η+cos18η)*std；

24、临近效应函数：pe＝c2*(cos2.5η+cos18η)*std；

25、式中，d表示剂量分布矩阵；p表示剂量沉积矩阵；x表示强度分布矩阵；li表示侧抑制值；pe表示临近效应值；c1和c2表示控制参数；η表示射束间的角度差；std表示移除效应标准差。

26、进一步的，通过子野内体素剂量条件对剂量分布矩阵优化的具体执行过程为：

27、(1)计算调强放疗中单个体素的剂量：dv＝∑idivyi；

28、(2)计算网格强度：yi＝∑jωjpij；

29、(3)建立目标优化函数：objectvalue＝fk(x),k＝1,2,3,4；

30、(4)建立剂量约束：

31、f1(x)＝∑iωi*mindose(xi,vi,dmin)

32、

33、f2(x)＝∑iωi*maxdose(xi,vi,dmax)

34、

35、f3(x)＝∑iωi*predose(xi,vi,dpre)

36、

37、f4(x)＝∑iωi*dvc(xi,vi,ddvc,r)

38、

39、式中，vi表示子野；xi表示网格强度yi的解；v表示单个体素；dv表示单个体素的剂量；ωi表示子野的得分权重；dr表示子野内剂量最大的体素的剂量；f1(x)用于约束子野vi中每个体素的最小剂量都不低于预先定义的剂量dmin；f2(x)用于约束子野vi中每个体素的最大剂量都不高于预先定义的剂量dmax；f3(x)用于约束子野vi中所有体素的剂量需接近预先定义的剂量dpre；f4(x)用于约束子野vi内剂量最大的体素的剂量不高于预先定义的剂量ddvc。

40、进一步的，重要性：式中，importance表示重要性数值；mj表示当前剔除的射束方向；objectvalue表示目标剂量优化值；li表示侧抑制值；pe表示临近效应值。

41、进一步的，射束方向还原为射束角度：γ＝mi*α，mi∈m；

42、式中，γ表示射束角度；mi表示第i个射束方向；α表示固定步长；m表示射束方向的集合。

43、本发明采用上述调强放射治疗射束角度优化系统，具备如下优势：1)在调强放射治疗射束角度选择的数据处理过程中，压缩了贡献度矩阵，在不改变最终放疗效果的前提下，使得计算数据大大减少；2)采用稀疏读取压缩后的贡献度矩阵，使得射束角度求解速度变快；3)为防止射束方向过于集中提出了侧抑制值，为防止射束方向过于分散提出了邻近效应，从而避免了冷点和热点问题，保证了最终选择的射束角度的合理性，进而保证了放疗效果。

技术特征：

1.一种调强放射治疗射束角度优化系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的调强放射治疗射束角度优化系统，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的调强放射治疗射束角度优化系统，其特征在于，第二计算模块的具体执行过程为：输入剂量沉积矩阵p、迭代初值x0、右端项b、方向系数a、阈值ε，初始化当前迭代次数k＝0、方向向量d0＝b-ax0、梯度r0＝d0、总迭代次数n＝size(p,1)；然后进行迭代更新，迭代过程具体如下：

4.根据权利要求3所述的调强放射治疗射束角度优化系统，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的调强放射治疗射束角度优化系统，其特征在于，优化模块中，通过子野内体素剂量条件对剂量分布矩阵优化的具体执行过程为：

6.根据权利要求5所述的调强放射治疗射束角度优化系统，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的调强放射治疗射束角度优化系统，其特征在于，

技术总结
本发明属于调强放射治疗领域，公开了一种调强放射治疗射束角度优化系统，对放疗数据进行压缩并采用稀疏读取，然后计算剂量沉积矩阵；通过共轭梯度算法求解射束方向的强度分布矩阵；通过剂量沉积矩阵和强度分布矩阵计算剂量分布矩阵；通过侧抑制函数和邻近效应函数对射束方向约束；通过子野内体素剂量条件对剂量分布矩阵优化，得到每个射束方向的目标剂量；基于目标剂量、抑制值和邻近效应值计算射束方向的重要性；剔除重要性最低的射束方向，直至剩余射束方向数量等于预先设定的角度数量，然后将射束方向还原成射束角度，输出射束角度及其对应的目标剂量。本发明系统，提高了计算速度，有效避免射束角度过于集中和分散，提高了放疗效果。

技术研发人员：田野,陈亮,司朗春,曹瑞芬,张兴义
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13