一种在线放疗计划质量控制系统及其控制方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910420775.7
(22)申请日 2019.05.20
(71)申请人 李宝生
地址 250117 山东省济南市槐荫区济兖路
440号
申请人 梁月强
(72)发明人 李宝生　马长升　陈进琥　朱健　
刘晓萌　梁月强　
(51)Int.Cl.
A61N 5/10(2006.01)
(54)发明名称一种在线放疗计划质量控制系统及其控制方法(57)摘要本申请涉及一种在线放疗计划质量控制系统及其控制方法，所述控制系统包括：数据输入输出模块、自适应计划模块、在线勾画修改工具；并进一步包括计划评价指标限值模板设定模块、计划评价指标参考值模板设定模块、放疗计划评价指标限值设定模块和放疗计划评价指标参考值设定模块。

本申请中的控制系统能够同时自动计算多种在线调整方法的结果，并对每种调整方法的结构进行评价，根据评价结果进行在线调整方法的推荐，整个过程基本实现自动化，只需要医生对勾画进行确认和修改，减少了医生的工作量，从而缩短时间，
提高效率。

权利要求书1页 说明书13页CN 110180092 A 2019.08.30
C N 110180092
A
1.一种在线放疗计划质量控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1）获取原始放疗计划、原始勾画、原始图像；获取在线图像；
2）将在线图像与原始图像进行图像配准，生成融合图像以及在线勾画，根据用户设定计算不同的在线调整方法对应的剂量分布和评价指标，并对比显示；
3）用户确认所述在线勾画是否同在线图像的轮廓一致；如是，则直接进入下一步；如否，则由用户对在线勾画进行修改，使其准确反映在线图像的轮廓信息，并根据新的在线勾画更新不同在线调整方法对应的剂量分布和评价指标，并对比显示；
4）用户根据所述对比显示的结果，选择相应的在线调整方法进行放疗。

2.根据权利要求1所述的一种在线放疗计划质量控制方法，其特征在于，所述评价指标包括DVH评价指标、适形度评价指标、生物效应评价指标。

3.根据权利要求1所述的一种在线放疗计划质量控制方法，其特征在于，所述步骤2）、步骤3）中进行对比显示的同时还可对超出限值的对应在线调整方法和/或评价指标进行警示，并对不同的在线调整方法进行评价和推荐。

4.根据权利要求4所述的一种在线放疗计划质量控制方法，其特征在于，用户根据评价和推荐的结果，选择接受推荐的在线调整方法或选择其它的在线调整方法进行放疗。

5.根据权利要求4所述的一种在线放疗计划质量控制方法，其特征在于，所述限值为评价指标的限值。

6.一种在线放疗计划质量控制系统，其特征在于，所述在线放疗计划质量控制系统能够实现如下质量控制方法：
1）获取原始放疗计划、原始勾画、原始图像；获取在线图像；
2）将在线图像与原始图像进行图像配准，生成融合图像以及在线勾画，根据用户设定计算不同的在线调整方法对应的剂量分布和评价指标，并对比显示；
3）用户确认所述在线勾画是否同在线图像的轮廓一致；如是，则直接进入下一步；如否，则由用户对所述在线勾画进行修改，使其准确反映在线图像的轮廓信息，并由所述在线放疗计划质量控制系统根据新的在线勾画更新不同在线调整方法对应的剂量分布和评价指标，并对比显示；
4）用户根据所述对比显示的结果，选择相应的在线调整方法进行放疗。

7.一种在线放疗计划质量控制系统，其特征在于，所述系统包括：数据输入输出模块、自适应计划模块、在线勾画修改工具。

8.根据权利要求8所述的一种在线放疗计划质量控制系统，其特征在于，所述系统还包括：计划评价指标限值模板设定模块和放疗计划评价指标限值设定模块。

9.根据权利要求9所述的一种在线放疗计划质量控制系统，其特征在于，所述系统还包括：计划评价指标参考值模板设定模块和放疗计划评价指标参考值设定模块。

权　利　要　求　书1/1页CN 110180092 A
一种在线放疗计划质量控制系统及其控制方法
技术领域
[0001]本发明属于医学放射治疗质量控制领域，尤其涉及一种在线放疗计划质量控制系统及其控制方法。

背景技术
[0002]放疗是治疗肿瘤的一个重要的技术手段。

通常一个放疗疗程会持续几周，在这个过程中肿瘤常常会产生位移和变形，从而影响放疗的质量。

为了控制肿瘤位移和变形产生的影响，临床上通过在线获取图像的方式获得肿瘤位移和变形信息，进而采取相应的在线调整方法。

[0003]目前放疗过程中在线获取图像的方式主要有锥形束CT图像（将锥形束CT和放疗加速器集成）、扇形束CT图像（将扇形束CT机和放疗加速器集成）和磁共振图像（将磁共振设备和放疗加速器集成）。

[0004]中国专利（CN106055912B）公开了一种根据在线影像产生治疗床调整数据的计算机系统，该系统通过在线影像和原始影像进行刚体配准时，有针对性的设定用于刚体配准的感兴趣区和权重，从而产生更有意义的移床数据，对患者进行精确摆位，使放疗计划的实施更准确。

本领域称这种在线调整方法为：移床。

[0005]学术论文《A method to implement full six-degree target shift corrections for rigid body in image-guided radiotherapy》（Medical Physics，33（2006），p21-31）针对通常治疗床不能进行6个自由度的活动，从而采用旋转机架和准直器机头的方式等效完成6自由度调整。

因为机架和准直器机头旋转需要修改放疗计划，我们称这种在线调整方法为：等效6自由度移床结合计划调整。

[0006]中国专利（CN105825073B）公开了一种在线放疗计划质量控制系统，该系统包括DVH预警值模板设定界面、数据读入界面、放疗计划DVH预警值设定界面、勾画与融合界面、计划评估界面、在线调整界面、图像变形配准算法、在线计划修改算法、剂量计算算法。

此发明通过原始图像和在线图像生成融合图像以及描述靶区和危及器官轮廓的在线勾画，利用其进行剂量计算生成DVH，并与医生设定的DVH预警值进行比较，实现了放疗计划的在线评估和调整，保证了放疗计划的精准实施。

但是此发明中的放疗计划质量控制步骤太过繁琐，大大增加了放疗实施的时间。

[0007]学术论文《Gradient maintenance：A new algorithm for fast online replanning》（Medical Physics 42（2015）p2863-2876）提供了一种参考原始计划的剂量梯度进行重新优化的方法。

本领域称这种在线调整方法为：在线计划重新优化。

同样的，因为重新优化方法会修改放疗计划，这也会大大增加放疗实施的时间。

[0008]本领域公知，临床放疗计划实施的过程中，病患情况多变、多样且复杂。

上述各个文献中提出的方法，并不能覆盖所有的放疗在线调整方法。

且各种在线调整方法有各自的特点，比如移床方法实施简单，所用时间短；在线计划重新优化，可能获得更好的计划，但需要花费更多的时间。

临床上，医生也常常无法很快的判断当前的病例需要采取哪种在线调
整方法。

发明内容
[0009]为了解决上述技术问题。

本发明提出一种高度自动化的在线放疗计划质量控制系统及其控制方法，利用该放疗计划质量控制系统，可以同时计算多种在线调整方法的结果，并对每种方法进行评价，根据评价结果进行在线调整方法的推荐，尽可能减少使用者的工作量，从而缩短时间，提高效率。

具体技术方案如下。

[0010]一种在线放疗计划质量控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
获取原始放疗计划、原始勾画、原始图像；
获取在线图像；
将在线图像与原始图像进行图像配准，生成融合图像以及在线勾画，根据用户设定计算不同的在线调整方法对应的剂量分布和评价指标，并对比显示；
用户确认所述在线勾画是否同在线图像的轮廓一致；如是，则直接进入下一步；如否，则由用户对在线勾画进行修改，使其准确反映在线图像的轮廓信息，并根据新的在线勾画更新不同在线调整方法对应的剂量分布和评价指标，并对比显示；
用户根据所述对比显示的结果，选择相应的在线调整方法进行放疗。

[0011]优选的，所述方法还获取原始剂量信息。

[0012]优选的，所述评价指标包括DVH评价指标、适形度评价指标、生物效应评价指标。

[0013]优选的，所述对比显示可替换为对超出限值的对应在线调整方法和/或评价指标进行警示，并对不同的在线调整方法进行评价和推荐。

[0014]优选的，用户根据评价和推荐的结果，选择接受推荐的在线调整方法或选择其它的在线调整方法进行放疗。

[0015]优选的，所述限值为评价指标的限值。

[0016]一种在线放疗计划质量控制系统，所述在线放疗计划质量控制系统能够实现如下质量控制方法：
获取原始放疗计划、原始勾画、原始图像；
获取在线图像；
将在线图像与原始图像进行图像配准，生成融合图像以及在线勾画，根据用户设定计算不同的在线调整方法对应的剂量分布和评价指标，并对比显示；
用户确认所述在线勾画是否同在线图像的轮廓一致；如是，则直接进入下一步；如否，则由用户对所述在线勾画进行修改，使其准确反映在线图像的轮廓信息，并由所述在线放疗计划质量控制系统根据新的在线勾画更新不同在线调整方法对应的剂量分布和评价指标，并对比显示；
用户根据所述对比显示的结果，选择相应的在线调整方法进行放疗。

[0017]一种在线放疗计划质量控制系统，所述系统包括：数据输入输出模块、自适应计划模块、在线勾画修改工具。

[0018]优选的，所述系统还包括：计划评价指标限值模板设定模块和放疗计划评价指标限值设定模块。

[0019]优选的，所述系统还包括：计划评价指标参考值模板设定模块和放疗计划评价指
标参考值设定模块。

[0020]优选的，所述计划评价指标限值模板是根据肿瘤参数预先设定的通用模板；所述放疗计划评价指标限值设定模块中的各个评价指标限值为针对于具体放疗计划的个性化设置的数值，其初始值通过根据肿瘤参数自动匹配到对应的计划评价指标限值模板获得。

[0021]优选的，所述计划评价指标参考值模板是根据肿瘤参数预先设定的通用模板，设定评价指标参考值和对应的权重；
所述放疗计划评价指标参考值设定模块中的各个评价指标参考值和权重则针对于具体的放疗计划，其初始值通过根据肿瘤参数自动匹配到对应的计划评价指标参考值模板获得。

[0022]优选的，所述评价指标包括但不限于DVH评价指标、适形度评价指标、生物效应评价指标。

[0023]具体的，一种在线放疗计划质量控制方法，所述控制方法包括以下步骤：所述数据输入输出模块获取原始放疗计划、原始勾画、原始图像和原始剂量信息；
所述数据输入输出模块获取在线图像；
自适应计划模块将在线图像与原始图像进行图像配准，自动生成与原始图像覆盖范围相同的融合图像以及描述靶区和危及器官轮廓的在线勾画，根据用户设定计算不同的在线调整方法对应的剂量分布和评价指标，对超出限值的对应在线调整方法和指标进行警示，并对不同的在线调整方法进行评价和推荐；
用户确认自动生成的描述靶区和危及器官轮廓的勾画是否同在线图像的轮廓一致；如是，则直接进入下一步；如否，则由用户使用在线勾画修改工具对器官轮廓进行修改，使其准确反映在线的轮廓信息，自适应计划模块根据新的轮廓信息更新剂量分布和评价指标，重新进行评价和推荐；
用户接受推荐的在线调整方法或选择其它的在线调整方法进行放疗。

[0024]一种在线放疗计划质量控制系统，所述在线放疗计划质量控制系统实现如下质量控制方法：
获取原始放疗计划、原始勾画、原始图像和原始剂量信息；
获取在线图像；
将在线图像与原始图像进行图像配准，自动生成与原始图像覆盖范围相同的融合图像以及描述靶区和危及器官轮廓的在线勾画，根据用户设定计算不同的在线调整方法对应的剂量分布和评价指标，对超出限值的对应在线调整方法和指标进行警示，并对不同的在线调整方法进行评价和推荐；
用户确认自动生成的描述靶区和危及器官轮廓的勾画是否同在线图像的轮廓一致；如是，则直接进入下一步；如否，则由用户对器官轮廓进行修改，使其准确反映在线的轮廓信息，并由所述在线放疗计划质量控制系统根据新的轮廓信息更新和评价指标，重新进行评价和推荐；
用户接受推荐的在线调整方法或选择其它的在线调整方法进行放疗。

[0025]优选的，所述步骤3）中的不同的在线调整方法包括在线计划修正方法和其他在线调整方法；其中，所述其他在线调整方法包括但不限于移床、等效6自由度移床结合计划调整、在线计划重新优化。

[0026]在线计划修正方法根据肿瘤的位移和变形信息直接修改原始的放疗计划，不存在重新优化的过程，而在线计划重新优化需要重新优化放疗计划。

[0027]其中，本发明提出的一种新的在线计划修正方法包括如下步骤：
对在线图像与原始图像进行图像配准，产生对应三维变形向量场；
根据所述三维变形向量场，将在线图像生成为与原始图像覆盖范围相同的融合图像以及描述靶区和器官轮廓的在线勾画；根据设定的感兴趣区内的三维变形向量场确定所述原始放疗计划中每个射束方向上射线强度的二维变形向量场；
根据每个射束方向上射线强度的二维变形向量场对所述原始放疗计划中相应射束方向上的二维射线强度分布进行变形，产生各个射束方向上新的二维射线强度分布；
根据所述各个射束方向上新的二维射线强度分布，产生对应的光栅和钨门运动数据，即得到新的放疗计划。

[0028]优选的，所述在线放疗计划质量控制系统对不同的在线调整方法进行评价和推荐是通过在线评价方法实现的，所述在线评价方法具体为：
根据多个计划评价指标计算一个表示当前在线调整效果的指数，具体公式如下：
其中，N表示计算过程中需要和原始计划对比的指标个数；M表示计算过程中需要考虑的计划指标限值的个数；表示在线调整后的第i个评价指标值；表示原始放疗计划中第i个评价指标值；表示第j个评价指标限值；是范数运算符；
、分别代表第i个相对于参考计划评价指标对应项的权重；、分别代表第j个相对于计划评价指标限值对应项的权重。

[0029]当评价指标值效果差于时，进行第一项
的计算，不会进行第二项的计算。

[0030]当评价指标值效果好于时，则不会进行第一项
的计算，会进行第二项的计算。

[0031]当评价指标值效果差于时，会进行第一项
的计算，不会进行第二项的计算。

[0032]当评价指标值效果好于时，不会进行第一项
的计算，会进行第二项的计算。

[0033]所述系统根据上述在线评价方法对用户设定的各个在线调整方法分别进行评价，
并把值最小的在线调整方法推荐给用户。

[0034]可替代的，所述在线评价方法还可以为如下步骤，具体为：
第一步挑选出满足评价指标限值的在线调整方法，若第一步不能挑选出满足靶区评价指标限值的计划，则不进行推荐，提示所有在线调整方法都不满足靶区评价指标限值，由用户指定在线调整方法或停止治疗；
第二步在满足评价指标限值的在线调整方法中，再根据在线调整方法相对于原始放疗计划评价指标的变化情况进行评价和推荐。

其中，对在线调整方法相对于原始放疗计划评
价指标的变化情况进行评价的公式如下：
其中，N表示计算过程中需要和原始计划对比的指标个数；表示在线调整后的第i个评价指标值；表示原始放疗计划中第i个评价指标值；是范数运算符。

[0035]当评价指标值差于时，进行的求和计
算；当评价指标值优于时，则这个评价指标不参与求和计算。

[0036]所述系统根据上述在线评价方法对满足第一步的所有在线调整方法分别进行评
价，并把值最小的在线调整方法推荐给用户。

[0037]可替代的，所述在线评价方法还可以为如下步骤，具体为：
第一步挑选出满足评价指标限值的在线调整方法，若第一步不能挑选出满足靶区评价指标限值的计划，则不进行推荐，提示所有在线调整方法都不满足评价指标限值，由用户指定在线调整方法或停止治疗；
第二步在满足评价指标限值的在线调整方法中，则根据在线调整方法相对于放疗计划评价指标参考值的满足情况进行评价和推荐。

[0038]其中，对在线调整方法相对于放疗计划评价指标参考值的满足情况进行评价的公式如下：
其中，N表示计算过程中需要和原始计划对比的指标个数；表示在线调整后的第i个评价指标值；表示第i个评价指标参考值；代表第i个评价指标参考值对应的权重。

[0039]若优于或满足，则参与求和运算；反之若差于或不满足
，则不参与求和运算。

[0040]所述系统根据上述在线评价方法对满足第一步的所有在线调整方法分别进行评价，并把值最大的推荐给用户。

[0041]第三步，若上述得到的值最大的在线调整方法不止一个，则按照实施时间短
风险小的原则，优先推荐移床，其次推荐等效6自由度移床结合计划调整，再次推荐在线计划修正。

[0042]本申请中的控制系统能够同时自动计算多种在线调整方法的结果，并对每种调整方法的结构进行评价，根据评价结果进行在线调整方法的推荐，整个过程基本实现完全自动化，不需要人工介入，只需要医生对勾画进行确认和修改，减少了医生的工作量，从而缩短时间，提高效率。

具体实施方式
[0043]下面将通过实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

[0044]可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。

在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

[0045]实施例1
一种在线放疗计划质量控制系统，所述系统包括：数据输入输出模块、自适应计划模块、在线勾画修改工具。

[0046]所述在线放疗计划质量控制系统需要用到的方法包括：图像变形配准方法、在线调整方法、剂量计算方法。

[0047]其中，
所述数据输入输出模块负责系统的对外通信。

[0048]所述在线勾画修改工具能够对在线靶区和危及器官轮廓进行在线修改。

[0049]进一步，一种在线放疗计划质量控制方法，所述方法包括以下步骤：1）所述数据输入输出模块获取原始放疗计划、原始勾画、原始图像；
其中，
所述原始放疗计划、原始勾画和原始图像可以是第一次治疗前获取的图像、制定的放疗计划、勾画，也可以是前一次放疗的放疗计划、勾画和图像。

[0050]优选的，所述数据输入输出模块还可同时获取原始剂量信息。

[0051]2）所述数据输入输出模块获取在线图像；其中，
所述在线图像指新获取的能够反映解剖结构变化的CT图像、MR图像、PET图像或超声图像。

[0052]3）自适应计划模块将在线图像与原始图像进行图像配准，自动生成融合图像以及在线勾画，根据用户设定计算不同的在线调整方法对应的剂量分布、DVH和其它评价指标，并对比显示；
图像配准包括先后两个步骤：第一步为对在线图像与原始图像进行图像刚体配准；第二步为在上述基础上进行图像变形配准。

[0053]优选的，所述自动生成融合图像的覆盖范围与原始图像的覆盖范围相同。

[0054]优选的，所述自动生成在线勾画的覆盖范围与原始勾画的覆盖范围相同。

[0055]自动生成与原始图像覆盖范围相同的融合图像以及描述靶区和危及器官轮廓的在线勾画；图像配准过程由先进行的刚体配准和在刚体配准结果基础上的变形配准两步构成。

由于原始图像通常具有更大的扫描范围，因此原始图像到在线图像的变形配准常常是局部的，而刚体配准则是可以作用在整个原始图像上的。

图像配准的结果是一个变形向量场。

在线图像范围内的变形向量场是先刚体再变形配准产生的，而在线图像范围外的变形向量场则只是刚体配准产生的。

通过对与变形配准变形向量场衔接处的刚体配准变形向量场进行插值处理，来使整个变形向量场覆盖整个原始图像，且有一定的连续性。

从而使对应的融合图像具有和原始图像相同的覆盖范围，图像也保持一定的连续性。

同样的在线勾画也具有与原始勾画相同的覆盖范围。

[0056]优选的，所述不同的在线调整方法包括但不限于移床、等效6自由度移床结合计划调整、在线计划修正、在线计划重新优化。

[0057]4）用户确认自动生成的所述在线勾画是否同在线图像的轮廓一致；如是，则直接进入下一步；如否，则由用户使用在线勾画修改工具对器官轮廓进行修改，使其准确反映在线的轮廓信息，自适应计划模块根据新的轮廓信息更新剂量分布、DVH和其它评价指标，重新进行对比显示；
5）用户根据所述对比显示的结果，选择相应的在线调整方法进行放疗。

[0058]通过实施例可以看出步骤1）2）3）可实现完全自动化，不需要人工介入，只在步骤4需要对在线勾画进行确认和修改，步骤5对在线调整方法进行选择。

[0059]实施例2
在实施例1的基础上，为了进一步提高在线放疗计划质量控制系统的自动化程度，进一步节约医生劳动力，本实施例进一步对系统进行适应性改进，与实施例1相同之处不予赘述，具体如下。

[0060]一种在线放疗计划质量控制系统，所述系统包括：计划评价指标限值模板设定模块、数据输入输出模块、放疗计划评价指标限值设定模块、自适应计划模块、在线勾画修改工具。

[0061]所述在线放疗计划质量控制系统需要用到的方法包括：图像变形配准方法、在线调整方法、剂量计算方法、在线评价方法。

[0062]其中，
所述计划评价指标限值模板设定模块用于设定计划评价指标限值模板，所述计划评价指标限值模板是根据肿瘤部位、类型等预先设定的通用模板；所述评价指标包括但不限于DVH评价指标、适形度评价指标（包括但不限于靶区适形度指数）、生物效应评价指标（包括但不限于肿瘤局部控制率、正常器官并发症概率）。

[0063]值得注意的是，DVH指标作为最重要和最常见的评价指标，在本发明的实施例中，所述评价指标被选择为：DVH和其它评价指标。

[0064]所述放疗计划评价指标限值设定模块用于设定放疗计划评价指标限值模板，所述放疗计划评价指标限值模板中各个评价指标限值针对于具体的放疗计划，其初始值是根据肿瘤部位、类型自动匹配到对应的计划评价指标限值模板获得。

若用户希望对个体患者某一个设定特殊的评价指标限值，则在所述放疗计划评价指标限值设定模块中进行适应性修改。