本發(fā)明涉及放射治療技術(shù)，具體涉及一種自適應(yīng)放射治療劑量?jī)?yōu)化方法、裝置及存儲(chǔ)介質(zhì)。該方法應(yīng)用于放射治療過(guò)程中，旨在通過(guò)優(yōu)化放療劑量分布，提高腫瘤治療效果，同時(shí)最大限度地保護(hù)正常組織，尤其在自適應(yīng)放射治療中，能夠?qū)崟r(shí)應(yīng)對(duì)患者解剖結(jié)構(gòu)的變化，提升治療的精確性和安全性。

背景技術(shù)：

1、放射治療(radiation?therapy)作為治療癌癥的重要手段之一，利用高能射線精準(zhǔn)地照射腫瘤區(qū)域，以達(dá)到殺滅腫瘤細(xì)胞并抑制腫瘤生長(zhǎng)的目的。為了確保治療效果和減少對(duì)正常組織的輻射損傷，放射治療過(guò)程中必須精確地進(jìn)行劑量?jī)?yōu)化。劑量?jī)?yōu)化的目標(biāo)是最大限度地將輻射劑量集中于腫瘤區(qū)域，并將周圍正常組織的劑量控制在安全范圍內(nèi)。現(xiàn)有技術(shù)包括

2、現(xiàn)有的放射治療劑量?jī)?yōu)化方法主要依賴于傳統(tǒng)的優(yōu)化算法，包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、梯度下降法，這些方法在處理復(fù)雜劑量分布時(shí)存在計(jì)算效率低、局部最優(yōu)解問(wèn)題等缺陷。此外，啟發(fā)式算法(包括遺傳算法、粒子群優(yōu)化)盡管能夠有效避免局部最優(yōu)問(wèn)題，但由于計(jì)算資源消耗大、收斂速度慢和參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜問(wèn)題，難以滿足臨床治療中的實(shí)時(shí)性要求。在自適應(yīng)放射治療中，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法及時(shí)適應(yīng)患者解剖變化，無(wú)法在治療過(guò)程中快速更新劑量分布。

3、現(xiàn)有技術(shù)在放射治療中面臨諸多挑戰(zhàn)，包括計(jì)算效率低、無(wú)法保證全局最優(yōu)解、難以適應(yīng)患者解剖結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化等問(wèn)題。隨著自適應(yīng)放射治療的發(fā)展，實(shí)時(shí)調(diào)整治療計(jì)劃的需求變得更加迫切。為了解決這些問(wèn)題，亟需一種能夠結(jié)合多種優(yōu)化策略的混合優(yōu)化算法，既能提升計(jì)算效率，又能在治療過(guò)程中實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)患者解剖變化，提供全局最優(yōu)的劑量分布，從而提高治療效果并降低副作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)放射治療劑量?jī)?yōu)化方法、裝置及存儲(chǔ)介質(zhì)，旨在解決現(xiàn)有放射治療劑量?jī)?yōu)化技術(shù)中的計(jì)算效率低、難以保證全局最優(yōu)解及解剖結(jié)構(gòu)變化適應(yīng)性差等問(wèn)題。本發(fā)明提供了一種高效、精準(zhǔn)的劑量規(guī)劃方法，能夠結(jié)合多種優(yōu)化策略，在保證治療效果的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整。

2、為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案：一種自適應(yīng)放射治療劑量?jī)?yōu)化方法，所述方法包括：

3、s1、采集患者的多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像；

4、s2、利用深度學(xué)習(xí)算法，融合多模態(tài)圖像，并提取腫瘤區(qū)域及周圍正常組織的解剖特征，為后續(xù)的劑量?jī)?yōu)化提供基礎(chǔ)信息；

5、s3、基于患者解剖結(jié)構(gòu)關(guān)鍵特征和腫瘤位置，使用線性規(guī)劃生成初步劑量分布d0；

6、s4、采取混合優(yōu)化策略對(duì)初步劑量分布優(yōu)化；：

7、s5、最終生成優(yōu)化后的劑量分布，輸出治療計(jì)劃供臨床醫(yī)生參考，確保腫瘤區(qū)域的劑量最大化，同時(shí)保護(hù)健康組織。

8、進(jìn)一步的，所述多模態(tài)圖像包括計(jì)算機(jī)斷層掃描(ct)、磁共振成像(mri)和錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描(cbct)影像；

9、所述提取腫瘤區(qū)域及周圍正常組織的解剖特征過(guò)程為：

10、s21、對(duì)原始影像進(jìn)行均值濾波去噪聲處理，以消除由于掃描過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲，提升原始影像質(zhì)量，具體公式為：

11、

12、其中i(i)表示第i個(gè)像素點(diǎn)的值，n為濾波器內(nèi)的像素?cái)?shù)，id表示去噪后的圖像；

13、s22、將腫瘤區(qū)域與正常組織區(qū)域分割，并提取腫瘤的邊界和輪廓，進(jìn)而確定腫瘤區(qū)域；所述分割是通過(guò)比較像素值與閾值t來(lái)分割腫瘤區(qū)域ttumor和正常組織tnormal，具體公式為：

14、

15、其中，ttumor為腫瘤區(qū)域的二值化圖像，id(x,y)是圖像id在位置(x,y)處的像素值，1表示腫瘤區(qū)域，0表示背景；

16、所述腫瘤的邊界和輪廓提取方法為使用canny算子提取腫瘤的邊界和輪廓，所述canny算子通過(guò)計(jì)算梯度和進(jìn)行非極大值抑制來(lái)提取邊緣；

17、s23、通過(guò)膨脹操作擴(kuò)展影像圖片腫瘤區(qū)域，腐蝕操作去除影像圖片背景噪聲；

18、所述膨脹操作的具體公式為：其中，⊕表示膨脹操作，b是結(jié)構(gòu)元素；

19、所述腐蝕操作的具體公式為：其中表示腐蝕操作，b是結(jié)構(gòu)元素；

20、s24、腫瘤區(qū)域形態(tài)特征提取，包括提取腫瘤區(qū)域的體積和形狀特征，

21、所述腫瘤區(qū)域的體積通過(guò)計(jì)算腫瘤區(qū)域的像素?cái)?shù)和影像的分辨率來(lái)獲得，具體公式為，

22、

23、其中，vtumor為腫瘤體積，ttumor(x，y)為腫瘤區(qū)域像素，δv是每個(gè)像素的體積；

24、所述腫瘤區(qū)域的形狀特征包括腫瘤的邊界曲率、長(zhǎng)寬比，

25、所述邊界曲率可通過(guò)計(jì)算腫瘤區(qū)域邊緣的變化率來(lái)得到，公式為：

26、

27、其中為曲率，x和y為腫瘤區(qū)域邊界上的坐標(biāo)；

28、s25、提取正常組織密度特征，所述正常組織密度特征計(jì)算具體公式為：

29、

30、其中，ρnormal為正常組織區(qū)域的平均密度，n為該區(qū)域的像素?cái)?shù)，tnormal為正常組織區(qū)域?qū)?yīng)像素的灰度值。

31、進(jìn)一步的，所述多模態(tài)圖像的融合是利用圖像配準(zhǔn)和數(shù)據(jù)融合的方法將ct、mri、pet影像融合；

32、所述圖像配準(zhǔn)的目標(biāo)是最大化mi，所述mi具體公式為：

33、

34、其中p(i1(i)，i2(j))是圖像i1和i2的聯(lián)合概率分布，p(i1(i))和p(i2(j))分別是圖像i1和i2的邊緣概率分布；

35、所述數(shù)據(jù)融合是通過(guò)加權(quán)融合法將不同模態(tài)圖像的像素值加權(quán)平均，具體操作公式為：

36、ifused(x，y)＝w1i1(x，y)+w2i2(x，y)+…+wnin(x，y)

37、其中，ifused(x，y)是融合后的圖像，i1，i2，...，in分別是不同模態(tài)的圖像，w1，w2，…,wn是對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

38、進(jìn)一步的，所述線性規(guī)劃是為實(shí)現(xiàn)腫瘤區(qū)域的劑量最大化和正常組織區(qū)域的劑量最小化，以生成初步劑量分布d0，表示如下：

39、

40、其中，di和dj分別是腫瘤和正常組織區(qū)域的劑量分布，f1和f2是腫瘤最大化和正常組織最小化的目標(biāo)函數(shù)，λ是正常組織的權(quán)重系數(shù)；

41、腫瘤區(qū)域的劑量最小值約束條件為:

42、di≥dmin?for?all?i∈tumor

43、正常組織區(qū)域的劑量最大值約束條件為:

44、dj≤dmax?for?all?j∈normal

45、腫瘤區(qū)域的劑量和正常組織區(qū)域的劑量之和不超過(guò)所設(shè)劑量閾值。

46、進(jìn)一步的，所述混合優(yōu)化策略中的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)化過(guò)程是使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)解剖結(jié)構(gòu)和劑量分布進(jìn)行建模，基于獎(jiǎng)勵(lì)反饋優(yōu)化劑量分配策略；

47、啟發(fā)式算法優(yōu)化通過(guò)粒子群優(yōu)化算法，調(diào)整劑量分布，確保全局最優(yōu)解。

48、進(jìn)一步的，所述混合優(yōu)化策略的具體步驟為：

49、s41、對(duì)初步劑量分布d0進(jìn)行深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)化；使用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體，根據(jù)患者解剖結(jié)構(gòu)和腫瘤區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化，通過(guò)不斷調(diào)整劑量分布來(lái)優(yōu)化腫瘤區(qū)域的劑量分配，并根據(jù)反向獎(jiǎng)勵(lì)進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)化；

50、使用深度q網(wǎng)絡(luò)(dqn)用于訓(xùn)練智能體，更新q值的公式為：

51、

52、其中，st是當(dāng)前狀態(tài)，at是當(dāng)前選擇的劑量分配行動(dòng)，rt+1是當(dāng)前行動(dòng)后的獎(jiǎng)勵(lì)，α是學(xué)習(xí)率，γ是折扣因子；

53、s42、對(duì)初步劑量分布d0進(jìn)行啟發(fā)式算法優(yōu)化；結(jié)合粒子群優(yōu)化(pso)算法，對(duì)初步劑量分布進(jìn)行全局優(yōu)化，避免局部最優(yōu)解，進(jìn)一步優(yōu)化劑量分布，確保全局最優(yōu)。粒子群優(yōu)化的更新公式為：

54、vi(t+1)＝wvi(t)+c1r1(pbest-xi(t))+c2r2(gbest-xi(t))

55、xi(t+1)＝xi(t)+vi(t+1)

56、其中vi(t)是粒子i在時(shí)刻t的速度，xi(t)是粒子的位置，pbest和gbest分別是粒子的個(gè)人最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置，r1,r2是隨機(jī)數(shù)，c1,c2是學(xué)習(xí)因子；

57、s43、根據(jù)患者在治療過(guò)程中的反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整優(yōu)化策略，確保治療方案的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。調(diào)整的反饋公式為：

58、dadjusted＝dcurrent+β(rfeedback-dcurrent)

59、其中，dadjusted是經(jīng)過(guò)反饋調(diào)整后的劑量分布，dcurrent是當(dāng)前劑量分布，rfeedback是治療反饋信息，β是調(diào)整因子。

60、一種自適應(yīng)放射治療劑量?jī)?yōu)化裝置，所述裝置包括：

61、數(shù)據(jù)輸入模塊：用于接收患者圖像，并傳輸至處理模塊；

62、數(shù)據(jù)處理模塊：包括深度學(xué)習(xí)算法模塊和啟發(fā)式優(yōu)化算法模塊，分別用于數(shù)據(jù)的特征提取、劑量計(jì)算及優(yōu)化；

63、優(yōu)化計(jì)算模塊：結(jié)合深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)和啟發(fā)式算法，對(duì)初步劑量分布進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，生成最優(yōu)的劑量分布方案；

64、反饋模塊：用于根據(jù)實(shí)時(shí)圖像和患者解剖變化，反饋調(diào)整優(yōu)化結(jié)果；

65、輸出模塊：用于生成最終的治療計(jì)劃并輸出，供放療設(shè)備執(zhí)行。

66、一種自適應(yīng)放射治療劑量?jī)?yōu)化設(shè)備，所述設(shè)備包括處理器和存儲(chǔ)器：

67、所述存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序代碼，并將所述程序代碼傳輸給所述處理器；

68、所述處理器用于根據(jù)所述程序代碼中的指令執(zhí)行所述的自適應(yīng)放射治療劑量?jī)?yōu)化方法。

69、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)用于存儲(chǔ)程序代碼，所述程序代碼用于執(zhí)行所述的自適應(yīng)放射治療劑量?jī)?yōu)化方法。

70、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

71、本發(fā)明通過(guò)將深度學(xué)習(xí)和啟發(fā)式優(yōu)化算法相結(jié)合，能夠提高劑量規(guī)劃的計(jì)算效率，避免了傳統(tǒng)方法中計(jì)算量過(guò)大和局部最優(yōu)解的問(wèn)題。該方法能在患者解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整治療計(jì)劃，還能提供全局最優(yōu)的劑量分布。此外，通過(guò)實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，能夠根據(jù)患者的實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整治療計(jì)劃，為專業(yè)醫(yī)護(hù)人員提供指導(dǎo)意見(jiàn)。