基于PQM优化的放疗计划评估模板生成方法及设备与流程

本发明属于放疗，具体涉及一种基于pqm优化的放疗计划评估模板生成方法及设备。

背景技术：

1、肿瘤放射治疗以其独特的优势成为肿瘤治疗的主要手段之一，其主要目标在于保证靶区达到特定剂量的同时，尽可能保护周围正常组织。在临床应用中，放射治疗实施之前需要专业的医生和物理师设计放疗计划。放射治疗计划的设计制作可分为靶区(planningtarget volume,ptv)和危及器官(organs at risk,oars)勾画、计划设计和计划评估三个步骤。

2、如何对计划进行有效和客观的评价是一个值得探讨的问题。

3、计划评估的目的是利用一些定性和/或定量的方法来评估计划的质量。然而，计划质量的概念包括治疗计划的许多不同特征，临床工作中，通常由放疗医生依据现有的学术共识和指南及经验积累给出一些定量的临床目标，物理师根据目标设计放疗计划并采用手工方式评估计划质量。计划质量指标(plan quality metric,pqm)概念，以一种客观的方法来量化计划的质量。由于临床研究表明，患者的可达剂量与其几何解剖结构特性息息相关，用于放疗计划评估的专业软件应运而生，其能够根据危及器官与靶区之间的几何关系，模拟计算从靶区边界开始，临床处方剂量以四种(理想、困难、挑战和可能)剂量衰减模式进行跌落，进而定量计算出危及器官在不同剂量衰减模式下的受照剂量情况，并给出相应剂量体积直方图(dose volume histogram,dvh)，再依据该预测的dvh评估真实放疗计划的质量。

4、放疗计划的评估存在以下问题：

5、第一，放疗医生给出的临床目标多参考现有的学术共识和指南，若临床计划都服从于统一的规范标准，会导致，对于几何结构较为复杂的病例，临床设定的目标往往难以达到，而针对几何结构简单的病例，临床目标极易达到，如果此时停止进一步优化，可能得到质量次优的放疗计划。

6、第二，放疗医生给出的临床目标通常只包括对靶区和关键器官的剂量或剂量-体积要求，物理师在设计出满足此临床目标的计划后，仍需要由医生进行详细的计划质量评估，若放疗医生认为不合格则需重新设计计划。此过程迭代次数取决于放疗物理师的经验丰富程度以及医生和物理师对放疗计划评估方式的一致性程度。

7、第三，根据oars与ptv之间的几何关系，模拟计算剂量衰减，从而定量计算出受照剂量的方法，在预测ptv和oars受量时只考虑射线在人体组织中辐射的物理性质，没有考虑直线加速器和光栅性能以及其它oars的相互制约性质等，所以预测的ptv和oars剂量在总体上是最理想化的结果，不能很好地符合实际情况。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于pqm优化的放疗计划评估模板生成方法及设备。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一方面，本发明公开一种基于pqm优化的放疗计划评估模板生成方法，包括：

4、步骤s1：确定任一病种放疗计划评估所需全部可量化的指标，并确认每项指标的函数形式及权重值，形成初始pqm；

5、步骤s2：对同一病种已有病例的放疗计划进行计划质量排序；

6、步骤s3：将已有病例的放疗计划划分为训练集和测试集，并基于训练集的计划质量排序结果，优化pqm的各项指标的函数参数及权重值；

7、步骤s4：将优化后的pqm在测试集上进行评分并判断是否需要重新优化pqm；

8、步骤s5：重复步骤s3-步骤s4，直至pqm优化完成；

9、步骤s6：根据最终pqm的各项指标的函数参数及权重值，生成针对该病种的放疗计划评估模板。

10、在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：

11、作为优选的方案，步骤s2包括：

12、步骤s2.1：收集同一病种已有病例的放疗计划；

13、步骤s2.2：利用初始pqm对步骤s2.1收集的放疗计划进行评分及排序；

14、步骤s2.3：对步骤s2.1收集的放疗计划直接进行计划质量排序；

15、或，先根据步骤s2.2的排序结果对步骤s2.1的病例进行分组，且相邻组之间有部分重复数据，再进行计划质量排序。

16、作为优选的方案，步骤s3包括：

17、步骤s3.1：将已有病例的放疗计划划分为训练集和测试集；

18、步骤s3.2：训练集中随机抽取2n个数据，每两个一组，按计划质量排序结果分为winner和loser；

19、步骤s3.3：使用当前pqm对步骤s3.2中的数据进行评分，获得swinner、sloser；

20、步骤s3.4：根据swinner和sloser计算惩罚函数值；

21、步骤s3.5：基于惩罚函数值优化pqm的各项指标的函数参数及权重值；

22、步骤s3.6：判断优化迭代次数是否达到预设值；

23、若达到，则停止优化；

24、否则，重复步骤s3.2-步骤s3.6。

25、作为优选的方案，步骤s4包括：

26、步骤s4.1：利用优化后的pqm对测试集进行评分及排序；

27、步骤s4.2：判断步骤s4.1的排序结果与测试集的计划质量排序结果的一致性是否超过阈值；

28、若超过，则进入步骤s6；

29、否则，进入步骤s4.3；

30、步骤s4.3：对步骤s4.1的排序结果进行分析判断，

31、若能够接受该pqm的评分及排序结果，则进入步骤s6；

32、否则，进入步骤s4.4；

33、步骤s4.4：找出步骤s4.1的排序结果与测试集的计划质量排序结果不一致的数据，对pqm进行优化。

34、作为优选的方案，步骤s4.4包括：

35、步骤s4.4.1：找出步骤s4.1的排序结果与测试集的计划质量排序结果不一致的数据；

36、步骤s4.4.2：分析步骤s4.4.1的数据，判断是否需要添加或删减或修改当前pqm的若干指标；

37、若需要，则重新确定pqm，并确认每项指标的函数形式及权重值，进入步骤s4.4.3；

38、否则，进入步骤s4.4.3；

39、步骤s4.4.3：判断是否需要重新进行计划质量排序；

40、若是，则重新进行计划质量排序；

41、否则，不动作。

42、另一方面，本发明还公开一种基于pqm优化的放疗计划评估模板生成设备，包括：

43、初步形成模块，用于确定任一病种放疗计划评估所需全部可量化的指标，并确认每项指标的函数形式及权重值，形成初始pqm；

44、计划质量排序模块，用于对同一病种已有病例的放疗计划进行计划质量排序；

45、训练模块，用于将已有病例的放疗计划划分为训练集和测试集，并基于训练集的计划质量排序结果，优化pqm的各项指标的函数参数及权重值；

46、测试模块，用于将优化后的pqm在测试集上进行评分并判断是否需要重新优化pqm；

47、重复执行模块，用于重复执行训练模块和测试模块的方法，直至pqm优化完成；

48、放疗计划评估模板生成模块，用于根据最终pqm的各项指标的函数参数及权重值，生成针对该病种的放疗计划评估模板。

49、作为优选的方案，计划质量排序模块包括：

50、收集单元，用于收集同一病种已有病例的放疗计划；

51、评分单元，用于利用初始pqm对收集单元收集的放疗计划进行评分及排序；

52、排序单元，用于对收集单元的采集的放疗计划直接进行计划质量排序；

53、或，先根据评分单元的排序结果对收集单元的病例进行分组，且相邻组之间有部分重复数据，再进行计划质量排序。

54、作为优选的方案，训练模块包括：

55、划分单元，用于将已有病例的放疗计划划分为训练集和测试集；

56、选取单元，用于训练集中随机抽取2n个数据，每两个一组，按计划质量排序结果分为winner和loser；

57、训练评分单元，用于使用当前pqm对选取单元中的数据进行评分，获得swinner、sloser；

58、惩罚函数值计算单元，用于根据swinner和sloser计算惩罚函数值；

59、优化单元，用于基于惩罚函数值优化pqm的各项指标的函数参数及权重值；

60、训练判断单元，用于判断优化迭代次数是否达到预设值；

61、若达到，则停止优化；

62、否则，重复依次执行选取单元、训练评分单元、惩罚函数值计算单元、优化单元及训练判断单元的方法。

63、作为优选的方案，测试模块包括：

64、测试评分单元，用于利用优化后的pqm对测试集进行评分及排序；

65、第一测试判断单元，用于判断测试评分单元得到的排序结果与测试集的计划质量排序结果的一致性是否超过阈值；

66、若超过，则执行放疗计划评估模板生成模块的方法；

67、否则，则执行第二测试判断单元的方法；

68、第二测试判断单元，用于对测试评分单元得到的排序结果进行分析判断，

69、若能够接受该pqm的评分及排序结果，则执行放疗计划评估模板生成模块的方法；

70、否则，执行第三测试判断单元的方法；

71、第三测试判断单元，用于找出测试评分单元得到的排序结果与计划质量排序结果不一致的数据，对pqm进行优化。

72、作为优选的方案，第三测试判断单元包括：

73、异样数据找出单元，用于找出测试评分单元得到的排序结果与测试集的计划质量排序结果不一致的数据；

74、pqm更改单元，用于分析异样数据找出单元找到的数据，判断是否需要添加或删减或修改当前pqm的若干指标；

75、若需要，则重新确定pqm，并确认每项指标的函数形式及权重值，再执行计划质量重新排序单元的方法；

76、否则，则执行计划质量重新排序单元的方法；

77、计划质量重新排序单元，用于判断是否需要重新进行计划质量排序；

78、若是，则重新进行计划质量排序；

79、否则，不动作。

80、本发明一种基于pqm优化的放疗计划评估模板生成方法及设备，先确定任一病种放疗计划评估所需全部可量化的指标，形成初始pqm，再进行计划质量排序，并基于训练集的测试集的计划质量排序结果，优化pqm的各项指标的函数参数及权重值。

81、本发明具有以下有益效果：

82、第一，通过放疗计划评估模板对新设计的放疗计划进行评估，若评估合格，则该新设计的放疗计划满足放疗要求，实现自动评估，更节约时间。

83、第二，根据放疗计划评估模板对新设计的放疗计划的评估结果进行指导和改进，提高后续放疗计划的计划质量。

84、第三，本发明综合考虑多方面因素，所生成的放疗计划评估模板具有针对同一病不同难易程度病例的pqm，适用性更广，解决了计划评估在满足临床规范的情况下，难以满足患者个体之间差异的问题。