[發明專利]針對射程不確定性的質子重離子調強放療魯棒優化方法

有效

• 申請號: 201710707207.6
• 申請日: 2017-08-17
• 公開（公告）號: CN107551411B
• 公開（公告）日: 2019-12-17
• 發明（設計）人: 裴曦;徐榭
• 申請（專利權）人: 裴曦
• 主分類號: A61N5/10
• 分類號: A61N5/10
• 代理公司: 11390 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 胡劍輝

本發明公開了一種針對射程不確定性的質子重離子調強放療魯棒優化方法，首先導入質子重離子調強放療計劃的基本信息和準備計算的數據，然后根據均值和方差的魯棒性度量方法構建基于最優性和魯棒性相結合的射程不確定性數學模型，最后采用基于濾波算法的自適應粒子群魯棒優化得到魯棒最優解。本發明不僅可以準確地建立魯棒優化問題的射程不確定性模型，而且具有求解速度快、算法穩定、魯棒性強等特點，使用戶可以通過魯棒最優解來減小射程誤差對放射治療計劃帶來的影響。

技術領域

本發明屬于放射治療的優化方法領域，涉及一種針對射程不確定性的質子重離子調強放療魯棒優化方法。

背景技術

質子重離子放療技術作為最先進的放療手段之一，在精準殺滅腫瘤細胞的同時，能夠有效保護正常組織(較高的治療增益比)，是腫瘤治療的“利器”。質子重離子放療技術到達腫瘤病灶時瞬間釋放大量能量殺滅腫瘤細胞，隨后能量迅速衰減，在劑量學上叫做“布拉格峰”，峰前劑量約為峰值的20％。質子重離子調強放射治療通過優化質子重離子掃描束的能量和強度得到靶區和危及器官的預期劑量目標，是質子重離子放療主要的模式，其精度受射程、呼吸運動等影響較大。質子重離子放療猶如“立體定向爆破”，具有有效殺滅腫瘤而不產生明顯毒副作用的特點。因此，與光子放療相比，質子重離子放療在治療兒童腫瘤和臨近重要器官的腫瘤(脊索瘤、軟骨肉瘤等)時更具優勢，能明顯減少二次原發腫瘤發生機率。

質子重離子調強放療的治療精度高，因此誤差管理非常重要。質子重離子調強放療中多個環節都可能存在誤差(即不確定性)，并且誤差無法消除只能減小。如果質子重離子束布拉格峰深度低于或高于預期，那么腫瘤附近的危及器官可能會受到高劑量照射，引起放療并發癥，甚至危及生命。不同于光子放療，質子重離子調強放療難以通過腫瘤靶區(GTV)外擴形成計劃靶區(PTV)的方式降低不確定性的影響。雖然質子重離子調強放療可以產生比光子放療更優的劑量分布，但如果不能有效控制不確定性，則很難進一步提高療效。

研究普遍認為影響質子調強放療精度的主要因素之一是射程不確定性。專家學者提出了質子調強放療不確定性兩種主要來源：一是由CT偽影、菲爾德單位轉換、解剖結構變化等引起的射程不確定性；二是由于患者位置偏差或組織密度不均勻導致的患者建模不確定性。有專家認為質子射程不確定性有多種來源，主要源于患者幾何解剖結構變化，另外治療物理量和計算也會導致射程不確定性。

雖然質子重離子調強放療射程不確定性無法避免，但仍可通過魯棒優化射程不確定性模型降低其負面影響。目前質子重離子調強放療射程不確定性模型主要包括兩類：極大極小模型和最差劑量分布模型。極大極小模型公式如下：

min_x{max_A'∈R{f(g(x,A'))},x≥0} (5)

其中x∈Rⁿ表示掃描點的強度向量，A'∈R表示不確定性解集，R＝{A₁,A₂,…,A_n}是劑量貢獻矩陣不確定性解集。函數g表示器官上所有體素點的劑量，g(x,A')＝A'x。f是一個罰函數，表示優化劑量和期望劑量之間的偏差。質子重離子束的射程被認為是隨機變量。因此，照射劑量和目標函數值也是隨機變量。通過引入不確定性解集概率p(A')來建立一般隨機性模型，如：

min_x{max{∑_A'∈Rp(A')·f(g(x,A'))},x≥0} (6)

其中p(A')∈R^|R|，∑_A'∈Rp(A')＝1，根據經驗來定義p(A')。從公式(6)中可以看出，極大極小模型是在射程不確定性解集中找出“最差”解，再通過優化使其最小化。

最差劑量分布模型中需要統計射程不確定區間中腫瘤靶區劑量的最小值和危及器官劑量的最大值。雖然最差劑量分布模型在物理學上不成立，但提供了一個保守的下限。模型公式如下：