调强放疗中危及器官平均剂量的预测方法及其应用
【专利摘要】本发明公开了一种调强放疗中危及器官平均剂量的预测方法，包括以下步骤：1）获得Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式，其中，Vx为危及器官的体积、Vox为危及器官与计划靶区的相交体积、Dp为处方剂量、Dmx为危及器官的平均剂量；2）通过该函数关系公式预测危及器官的平均剂量。该预测方法的具体应用包括以下步骤，A）确定Dp；B）根据预测方法所得Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式，从而获得相关危及器官的平均剂量Dmx1；C）进行模拟调强优化，得平均剂量Dmx2；D）比较Dmx1的和Dmx2；E）当Dmx2≤Dmx1时，符合标准；Dmx2＞Dmx1，继续调强优化。本发明易于采集数据，方便建立适合相应科室治疗计划系统和设备的危及器官预测模型，减少放疗计划优化过程中主观因素造成影响。
【专利说明】
调强放疗中危及器官平均剂量的预测方法及其应用
技术领域
[0001] 本发明涉及医用放射治疗技术领域，具体是指调强放疗中危及器官平均剂量的预 测方法以及该预测方法的具体应用。
【背景技术】
[0002] 目前，恶性肿瘤的最主要的治疗手段包括外科手术治疗、化学类治疗和放射类治 疗，尤其对与中晚期癌症患者，放射类治疗所占比例较大；而在放射类治疗手段中，近二十 年国内外应用最为广泛的一种治疗方法为调强放疗。
[0003] 调强放疗即调强适形放射治疗是三维适形放疗的一种，要求辐射野内剂量强度按 一定要求进行调节，简称调强放疗。它是在各处辐射野与靶区外形一致的条件下，针对靶区 三维形状和要害器官与靶区的具体解剖关系对束强度进行调节，单个辐射野内剂量分布是 不均匀的但是整个靶区体积内剂量分布比三维适形治疗更均匀。
[0004] 经过多年的临床实践，大量文献报道结果显示调强放疗技术不仅提高了患者的疗 效，而且有效地改善了患者治疗后的生活质量。使靶区剂量尽量高，危及器官剂量尽量低， 是放疗的最根本原则。但实际调强优化过程中，受优化方法、手段以及人为等因素影响，大 多数放疗中心虽然危及器官控制在限定范围内，但由于缺少有效的预测手段，危及器官的 最终吸收剂量更多地依赖于各放疗单位的经验，因此主观因素对放疗计划优化过程非常 大。
[0005] 现有的预测方法，是通过提取治疗计划中危及器官每个采样点的剂量信息，建立 调强放疗的预测模型，过该模型在制作调强放疗计划前提前预测危及器官的剂量体积曲 线，以保证调强计划的质量，但该预测方法较为复杂，对相关仪器设备要求较高，在调强放 疗计划制作中难以得到广泛具体的应用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种易于采集数据，方便建立适合相应科室治疗计划系统 和设备的危及器官预测模型，减少放疗计划优化过程中主观因素造成影响的调强放疗中危 及器官平均剂量的预测方法。
[0007] 本发明的另一个目的在于提供该预测方法的具体应用。
[0008] 本发明通过下述技术方案实现：调强放疗中危及器官平均剂量的预测方法，包括 以下步骤：
[0009] (1)获得Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式，其中，Vx为危及器官的体积、Vox为 危及器官与计划靶区的相交体积、Dp为处方剂量、Dmx为危及器官的平均剂量；
[0010] (2)在已知危及器官的体积Vx、危及器官与计划靶区的相交体积Vox、以及处方剂 量Dp的情况下，通过Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式预测危及器官的平均剂量Dmx。
[0011] 本预测方法的工作原理为，通过大量临床数据研究发现危及器官与计划靶区的相 交体积Vox与危及器官体积Vx的比值与其平均剂量Dmx和处方剂量Dp比值之间存在着显著 的正相关性。
[0012]本预测方法分别拟合出在不损失靶区处方剂量Dp时，不同危及器官的Vox/Vx和 Dmx/Dp之间的函数关系公式。在给定处方剂量Dp的条件下通过算出Vox/Vx，便能在日常优 化放疗调强计划前通过Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式计算出不同危及器官的平均 剂量 Dmx，以该危及器官的平均剂量Dmx作为调强计划验收的标准，从而减少放疗计划优化 过程中主观因素造成的影响。
[0013] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤⑴中，获得Vox/Vx和Dmx/Dp 之间的函数关系公式的方法包括以下步骤：
[0014] (2.1)以至少一组肿瘤患者的病历为模板，同一组肿瘤患者的病历均显示同一类 型肿瘤；
[0015] (2.2)收集同一组肿瘤患者的病历中同一危及器官的体积Vx数据；以及同一组肿 瘤患者的病历中该危及器官与计划靶区的相交体积Vox数据；
[0016] (2.3)根据调强放疗计划，获得每份病历中的平均剂量Dmx和处方剂量Dp的数据；
[0017] (2.4)构建直角坐标系，以Vox/Vx的数据为横坐标，Dmx/Dp的数据为纵坐标，以每 份病历中的数据为基础，在坐标系中标出坐标点，获得所有患者数据的离散点图；
[0018] (2.5)根据各离散点进行方程的拟合，即获得Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公 式。
[0019] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(2.2)中，肿瘤患者的病历中 危及器官的体积Vx，以及危及器官与计划靶区的相交体积Vox均是通过放疗计划软件来进 行。
[0020] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述放疗计划软件为Pinnacle，通过 Pinnacle放疗计划软件获取危及器官的体积Vx，以及危及器官与计划靶区的相交体积Vox 的具体过程包括以下步骤：
[0021 ] (2.2.1)通过CT机扫描出患者相应部位的横断面图像；
[0022] (2.2.2)通过Pinnacle放疗计划软件在各CT横断面图像上勾画出各个危及器官与 计划靶区；
[0023] (2.2.3)Pinnacle放疗计划软件根据勾画出的各个危及器官与计划靶区，自动生 成危及器官与计划靶区的三维图像，并直接计算出该危及器官与计划靶区的体积大小，即 得危及器官的体积Vx;
[0024] (2.2.4)最后，通过Pinnacle放疗计划软件将危及器官与计划靶区的相交体积创 建一个新的器官，并计算出危及器官与计划靶区的相交体积的大小，即得危及器官与计划 革巴区的相交体积Vox。
[0025] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(2.5)中，各离散点主要是通 过商业数学软件进行方程拟合。
[0026]为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述商业数学软件为mat lab软件，通过 matlab软件拟合各离散点构成的平滑曲线的过程，包括以下步骤：
[0027 ] (2.5.1)将Vo x/Vx的数据作为横坐标X，Dmx/Dp的数据作为纵坐标y，输入ma 11 ab软 件；
[0028] (2.5.2)选择matlab软件中的拟合类型，便能通过matlab软件得到不同拟合类型 的拟合公式；
[0029] (2.5.3)根据拟合公式生成的曲线与各离散点之间的关系，选择与离散点重合最 多的曲线的方程作为Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式。
[0030] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公 式为：
[0031] y = pi*x3+p2*x2+p3*x+P4;
[0032] 其中，^、风^^为不同类型肿瘤的不同危及器官的权重系数参数；
[0033] y = Dmx/Dp ,x = Vox/Vx；
[0034] Vox-肿瘤计划靶区与危及器官的相交体积；
[0035] Vx-危及器官体积；
[0036] Dmx-危及器官的平均剂量；
[0037] Dp-肿瘤计划靶区的处方剂量。
[0038]上述的调强放疗中危及器官平均剂量预测方法的具体应用，包括以下步骤：
[0039] (A)给定确定的处方剂量Dp;
[0040] (B)通过预测方法获得相关危及器官的Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式，并 根据已知的处方剂量Dp、肿瘤计划靶区与危及器官的相交体积Vox，危及器官体积Vx，计算 获得相关危及器官的平均剂量Dmx 1;
[0041] (C)进行模拟调强优化，优化得出相关危及器官的平均剂量Dmx2;
[0042] (D)将Dmxi的Dmx2进行比较；
[0043] (E)当Dmx2<Dmxi时，符合标准，则该模拟调强优化达标；当Dmx2>Dmxi时，则继续 进行模拟调强优化，直至符合标准。
[0044] 本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0045] (1)本发明通过寻找Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式，能够在进行放疗计划 之前，预测出相关危机器官的平均剂量，以预测的平均剂量作为调强计划验收的标准，从而 减少放疗计划优化过程中主观因素造成的影响；
[0046] (2)本发明方法简单，数据易于采集，绝大多数放疗单位能够在现有治疗计划系统 的基础上利用该方法建立适合自己科室治疗计划系统和危及器官的预测模型，适宜广泛推 广应用。
【附图说明】
[0047]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、 目的和优点将会变得更为明显：
[0048] 图1为本发明中内耳和肿瘤计划靶区的相交体积Voe与内耳体积Ve的比值与与内 耳的平均剂量Dme和处方剂量Dp比值的散点图；
[0049] 图2为本发明中口腔和肿瘤计划靶区的相交体积Voo与口腔体积Vo的比值与口腔 的平均剂量Dmo和处方剂量Dp比值的散点图；
[0050] 图3为本发明中腮腺和肿瘤计划靶区的相交体积Vop与腮腺体积Ve的比值与与腮 腺的平均剂量Dme和处方剂量Dp比值的散点图；
[0051 ]图4为本发明中声门喉和肿瘤计划靶区的相交体积Vo 1与声门喉体积VI的比值与 与声门喉的平均剂量Dml和处方剂量Dp比值的散点图；
[0052]图5为本发明中环后区咽和肿瘤计划靶区的相交体积Voph与环后区咽体积Vph的 比值与与环后区咽的平均剂量Dmph和处方剂量Dp比值的散点图；
[0053]图6为本发明中食管和肿瘤计划靶区的相交体积Voes与食管体积Ves的比值与与 食管的平均剂量Dmes和处方剂量Dp比值的散点图；
[0054]图7为本发明中膀胱和肿瘤计划靶区的相交体积Vob与膀胱体积Vb的比值与与膀 胱的平均剂量Dmb和处方剂量Dp比值的散点图；
[0055]图8为本发明中直肠和肿瘤计划靶区的相交体积Vor与直肠体积Vr的比值与与直 肠的平均剂量Dmr和处方剂量Dp比值的散点图；
[0056]图9为本发明使用时的流程图。
【具体实施方式】
[0057]下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此， 在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替 换和变更，均应包括在本发明的范围内。
[0058] 实施例1:
[0059] 本实施例中选取两组鼻咽癌调强患者的病历和宫颈癌患者的病历，每组各50份， 并分别选择鼻咽癌调强患者的内耳、口腔、腮腺、声门喉、环后区咽、食管六个危机器官，以 及宫颈癌患者的膀胱、直肠两个危及器官作为模板。
[0060] 首先，收集选定的危及器官的体积，以及危及器官与计划靶区相交体积的数据，具 体收集过程如下：
[0061 ]通过CT机扫描出患者相应部位的横断面图像;将扫描出的CT图像传输至Pinnacle 放疗计划软件;利用Pinnacle软件中的勾画工具，在各CT横断面图像上勾画出各个危及器 官与计划革E区；此时Pinnacle软件通过横断面上危及器官与计划革E区的二维图像自动生成 某危及器官与计划靶区的三维图像，点击Volume工具，直接计算出该危及器官与计划靶区 的体积大小；通过？111的(316软件中的1?0；^1口3118；[011/(]〇111：抑(31：；[011工具，选取计划革[11区为 Source，所研究的危及器官为AvoidExterior，点击Expand，仓ij建一个新的器官，此时这个新 的器官就是计划靶区与该危及器官的相交区域，再点击Volume工具，计算出计划靶区与该 危及器官相交区域的体积大小。
[0062] 其次，分析病历中的调强治疗计划，收集每份病历数据，如下：
[0063] a.从鼻咽癌患者调强治疗计划中分别得出内耳和肿瘤计划靶区的相交体积Voe与 内耳体积Ve的比值与内耳的平均剂量Dme和Dp比值，并以Vox/Vx的数据作为横坐标x，Dmx/ Dp的数据作为纵坐标y，以每位患者病历情况，构建离散点图，如图1所示；
[0064] b.从鼻咽癌患者调强治疗计划中分别得出口腔和肿瘤计划靶区的相交体积Voo与 口腔体积Vo的比值与口腔的平均剂量Dmo和Dp比值，并以Vox/Vx的数据作为横坐标X，Dmx/ Dp的数据作为纵坐标y，以每位患者病历情况，构建离散点图，如图2所示；
[0065] c.从鼻咽癌患者调强治疗计划中分别得出腮腺和肿瘤计划靶区的相交体积Vop与 聰腺体积Vp的比值与聰腺的平均剂量Dmp和Dp比值，并以Vox/Vx的数据作为横坐标x，Dmx/ Dp的数据作为纵坐标y，以每位患者病历情况，构建离散点图，如图3所示；
[0066] d.从鼻咽癌患者调强治疗计划中分别得出声门喉和肿瘤计划靶区的相交体积Vol 与声门喉VI的比值与声门喉的平均剂量Dml和Dp比值，并以Vox/Vx的数据作为横坐标X， Dmx/Dp的数据作为纵坐标y，以每位患者病历情况，构建离散点图，如图4所示；
[0067] e.从鼻咽癌患者调强治疗计划中分别得出环后区咽和肿瘤计划靶区的相交体积 Voph与环后区咽体积Vph的比值与环后区咽的平均剂量Dmph和Dp比值，并以Vox/Vx的数据 作为横坐标X，D m X / D p的数据作为纵坐标y，以每位患者病历情况，构建离散点图，如图5所 示；
[0068] f.从鼻咽癌患者调强治疗计划中分别得出食管和肿瘤计划靶区的相交体积Voes 与食管体积Ve s的比值与食管的平均剂量Dme s和Dp比值，并以Vox/Vx的数据作为横坐标X， Dmx/Dp的数据作为纵坐标y，以每位患者病历情况，构建离散点图，如图6所示；
[0069] g.从宫颈癌患者调强治疗计划中分别得出膀胱和肿瘤计划靶区的相交体积Vob与 膀胱体积Vb的比值与膀胱的平均剂量Dmb和Dp比值，并以Vox/Vx的数据作为横坐标X，Dmx/ Dp的数据作为纵坐标y，以每位患者病历情况，构建离散点图，如图7所示；
[0070] h.从宫颈癌患者调强治疗计划中分别得出直肠和肿瘤计划靶区的相交体积Vor与 直肠体积Vr的比值与直肠的平均剂量Dmr和Dp比值，并以Vox/Vx的数据作为横坐标x，Dmx/ Dp的数据作为纵坐标y，以每位患者病历情况，构建离散点图，如图8所示。
[007?]再次，根据a~g构成数据，以及图1~图8所示，建立Vox/Vx、Dmx/Dp的数据表，如表 1所示。
[0072]表 1 Vox/Vx、Dmx/Dp 的数据表
[0073]
[0074] 将7和1的具体取值输入111&1：1&13软件，点击1]1&1：1&13软件中的3七&1'1：41'〇〇11301684 Curve Fitting-Curve Fitting Tool(cftool)-Data-X Data选择步骤 1)输入的X取值， Y Data选择步骤1)输入的y取值，Weights选取(11〇116)4设置1、7数据4点击?;[1:1:;[即4选取 拟合类型(线性拟合、多项式拟合、Power拟合等)-点击App ly，便能得出不同拟合类型的拟 合公式。
[0075]最后，通过matlab软件对图1~图8数据反复采用不同公式进行拟合，最终采用统 一的3次多项式公式，得出如下拟合公式：
[0076] y = pi*x3+p2*x2+p3*x+P4;
[0077] 其中，？1、？2、？3、？4为不同类型肿瘤的不同危及器官的权重系数参数；
[0078] y = Dmx/Dp ,x = Vox/Vx；
[0079] Vox-肿瘤计划靶区与危及器官的相交体积；
[0080] Vx-危及器官体积；
[0081] Dmx-危及器官的平均剂量；
[0082] Dp-肿瘤计划靶区的处方剂量。
[0083] P1、P2、P3、P4的权重系数参数表，如表2所不：
[0084]表2权重系数参数表 [0085]
[0087] 如表2可知，以鼻咽癌患者的危及器官--内耳为例，且Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函 数关系公式为：
[0088] y = 2.391x3-3.649x2+2.051x+0.5207 ；
[0089] 当对患有鼻咽癌的患者进行调强放疗计划是，根据患者内耳体积Ve，内耳与计划 靶区相交体积Voe，并给定计划靶区的处方剂量Dp，便能通过上式得出鼻咽癌患者的危及器 官一一内耳的平均剂量Dme，该内耳的平均剂量Dme即为预测的危及器官的平均剂量。
[0090] 对于其余不同类型的肿瘤及邻近危及器官均使用该方法寻找各自Vox/Vx与各自 Dmx/Dp之间的函数关系公式，并通过该函数关系公式预测相应危及器官的平均剂量Dmx。
[0091] 实施例2:
[0092] 本实施例以上述实施例所述的调强放疗中危及器官平均剂量预测方法为基础，提 供了该预测方法的具体应用方法，预测所得相关危及器官的平局剂量作为调强计划的验收 标准，调强计划中的优化所得的平均剂量均不大于预测所得平均剂量，因此减少放疗计划 优化过程中主观因素造成的影响。
[0093] 具体步骤如图9所示，包括以下步骤：
[0094] (A)给定确定的处方剂量Dp;
[0095] (B)通过预测方法获得相关危及器官的Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式，并 根据已知的处方剂量Dp、肿瘤计划靶区与危及器官的相交体积Vox，危及器官体积Vx，计算 获得相关危及器官的平均剂量Dmxl;
[0096] (C)进行模拟调强优化，优化得出相关危及器官的平均剂量Dmx2;
[0097] (D)将Dmxl的和Dmx2进行比较；
[0098] (E)当Dmx2<Dmxl时，符合标准，则该模拟调强优化达标，如果Dmx2>Dmxl时，则继 续进行模拟调强优化，直至符合标准。
[0099]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不 脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的 范围由权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1. 调强放疗中危及器官平均剂量的预测方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 获得Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式，其中，Vx为危及器官的体积、Vox为危及 器官与计划靶区的相交体积、Dp为处方剂量、Dmx为危及器官的平均剂量； (2) 在已知危及器官的体积Vx、危及器官与计划靶区的相交体积Vox、以及处方剂量Dp的 情况下，通过Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式预测危及器官的平均剂量Dmx。2. 根据权利要求1所述的调强放疗中危及器官平均剂量的预测方法，其特征在于，所述 步骤(1)中，获得Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式的方法包括以下步骤： (2.1) 以至少一组肿瘤患者的病历为模板，同一组肿瘤患者的病历均显示同一类型肿 瘤； (2.2) 收集同一组肿瘤患者的病历中同一危及器官的体积Vx数据；以及同一组肿瘤患 者的病历中该危及器官与计划靶区的相交体积Vox数据； (2.3) 根据调强放疗计划，获得每份病历中的平均剂量Dmx和处方剂量Dp的数据； (2.4) 构建直角坐标系，以Vox/Vx的数据为横坐标，Dmx/Dp的数据为纵坐标，以每份病 历中的数据为基础，在坐标系中标出坐标点，获得所有患者数据的离散点图； (2.5) 根据各离散点进行方程的拟合，即获得Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式。3. 根据权利要求2所述的调强放疗中危及器官平均剂量的预测方法，其特征在于，所述 步骤(2.2)中，肿瘤患者的病历中危及器官的体积Vx，以及危及器官与计划靶区的相交体积 Vox均是通过放疗计划软件来进行。4. 根据权利要求3所述的调强放疗中危及器官平均剂量的预测方法，其特征在于，所述 放疗计划软件为Pinnacle，通过Pinnacle放疗计划软件获取危及器官的体积Vx，以及危及 器官与计划靶区的相交体积Vox的具体过程包括以下步骤： (2.2.1) 通过CT机扫描出患者相应部位的横断面图像； (2.2.2) 通过Pinnacle放疗计划软件在各CT横断面图像上勾画出各个危及器官与计划 靶区； (2.2.3) Pinnacle放疗计划软件根据勾画出的各个危及器官与计划靶区，自动生成危 及器官与计划靶区的三维图像，并直接计算出该危及器官与计划靶区的体积大小，即得危 及器官的体积Vx; (2.2.4) 最后，通过Pinnacle放疗计划软件将危及器官与计划靶区的相交体积创建一 个新的器官，并计算出危及器官与计划靶区的相交体积的大小，即得危及器官与计划靶区 的相交体积Vox。5. 根据权利要求2~4任一项所述的调强放疗中危及器官平均剂量的预测方法，其特征 在于，所述步骤(2.5)中，各离散点主要是通过商业数学软件进行方程拟合。6. 根据权利要求5所述的调强放疗中危及器官平均剂量的预测方法，其特征在于，所述 商业数学软件为matlab软件，通过matlab软件拟合各离散点构成的平滑曲线的过程，包括 以下步骤： (2.5.1) 将Vox/Vx的数据作为横坐标X，Dmx/Dp的数据作为纵坐标y，输入matlab软件； (2.5.2) 选择mat lab软件中的拟合类型，即通过mat lab软件得到不同拟合类型的拟合 公式； (2.5.3) 根据拟合公式生成的曲线与各离散点之间的关系，选择与离散点重合最多的 曲线的方程作为Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式。7. 根据权利要求6所述的调强放疗中危及器官平均剂量的预测方法，其特征在于，所述 Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式为： y = ρι*χ3+ρ2*χ2+ρ3*χ+ρ4 ； 其中，？1、？2、？3、？4为不同类型肿瘤的不同危及器官的权重系数参数； y = Dmx/Dp, x = Vox/Vx； Vox-肿瘤计划靶区与危及器官的相交体积； Vx 一危及器官体积； Dmx一平均剂量； Dp-处方剂量。8. 根据上述权利要求所述的调强放疗中危及器官平均剂量预测方法的应用，其特征在 于，包括以下步骤： (A) 给定确定的处方剂量Dp; (B) 通过预测方法获得相关危及器官的Vox/Vx和Dmx/Dp之间的函数关系公式，并根据 已知的处方剂量Dp、肿瘤计划靶区与危及器官的相交体积Vox，危及器官体积Vx，计算获得 相关危及器官的平均剂量Dmx 1; (C) 进行模拟调强优化，优化得出相关危及器官的平均剂量Dmx2; (D) 将Dmxi的和Dmx2进行比较； (E) 当Dmx2<Dmxi时，符合标准，则该模拟调强优化达标;当Dmx2>Dmxi时，则继续进行模 拟调强优化，直至符合标准。
【文档编号】A61N5/10GK106039599SQ201610527428
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】孙小杨, 庞皓文, 杨波
【申请人】西南医科大学附属医院