一种调强放疗计划复杂度特征空间收缩的质量控制方法与流程

1.本发明涉及肿瘤放疗技术领域和质量控制领域，特别是涉及一种调强放疗计划复杂度特征空间收缩的质量控制方法。


背景技术：

2.调强放射治疗(imrt)包括容积调强弧形治疗(vmat)同时调节多叶准直器(mlc)、铅门、剂量率或机架速度，对机器和放疗计划系统(tps)提出了很高的要求。构成放疗计划的所有机器参数的调制称为计划复杂度，复杂的计划涉及更小和更不规则的射束孔径、更长的出束时间及更复杂mlc的运动则会影响剂量的计算和治疗实施的准确性，从而影响治疗安全和患者受益。
3.根据患者解剖结构、靶区勾画、剂量限值、优化算法和放疗机器的不同，计划复杂度指标是可变的，其提供优化过程和计划属性基本信息，可用于计划外部审查。但是，一方面放疗计划高度复杂性不一定是计划负面特征，而可能是靶区和oar几何位置关系的需要；另一方面更为复杂计划不一定会产生更好的剂量分布，复杂性通常由不切实际或相互矛盾的优化目标以及逆向计划过程中不断增加的优化迭代或连续优化而导致的，通过较少调制或较窄射束可以实现类似的计划质量，因而有必要通过复杂度特征识别高度调制计划以便于专家下一步审核处理。然而，单一指标不能度量计划复杂性的所有方面，选择不同指标的结论也不同，有些指标高度相关使得计划复杂性的评估变得更加困难。
4.因此，目前亟需一种调强放疗计划复杂度特征空间收缩技术，使之有效辅助临床决策。主成分分析(pca)通过探索变量间的相关性来降低数据维数，消除冗余信息，有助于识别数据中的潜在模式，其通过奇异值分解寻找一组相互正交由原始变量线性组合而成主成分(pc)使方差最大化，pc数量等于原始变量数量，pc方差按照顺序排列，可通过总方差截止值决定保留主成分个数从而达到数据降维目的。


技术实现要素：

5.本发明目的在于通过pca计算一个融入多个复杂度指标特性的复杂性分数，以单一复杂性分数指标来评价调强放疗计划的复杂程度，便于为放疗计划质量控制设立容差及干预限值。
6.为实现上述目的，本发明通过以下具体技术措施实现：
7.一种调强放疗计划复杂度特征空间收缩的质量控制方法，包括以下步骤：
8.(1)从临床计划系统导出调强放疗dicom-rt plan文件，提取dicom-rt plan文件全部控制点信息；
9.每个控制点包括加速器监测输出mu信息、铅门信息、机架信息及mlc信息；所述控制点执行时有时间和方向顺序；
10.(2)将步骤(1)提取的控制点信息加权计算得到计划复杂度特征；
11.所述复杂度特征均执行标准化处理；
12.(3)将步骤(2)计算的计划复杂度特征进行主成分分析(pca)转化为相互正交的特征向量，以总方差90％作为截止值决定保留正交主成分个数；
13.(4)将步骤(3)中保留的主成分计算加权平均值并执行归一化得到复杂性分数；
14.(5)计算步骤(4)复杂性分数的平均值和标准差作为调强放疗计划质量控制设立容差和干预限值。
15.进一步，步骤(1)所述的mu信息包括控制点mu跳数、控制点所在射野mu跳数、放疗计划mu总跳数、当前控制点mu占放疗计划总mu的权重；
16.步骤(1)所述的铅门信息包括铅门位置信息，以及铅门离轴或跨轴距离；
17.步骤(1)所述的机架信息包含控制点机架角度、vmat计划机架旋转角度和方向、vmat机架旋转速度和加速度，或imrt射野角度和个数；
18.步骤(1)所述的mlc信息包括mlc叶片位置、mlc运动距离、mlc离轴或跨轴距离、mlc运动方向、mlc运动速度、mlc运动加速度、mlc与铅门相对位置。
19.进一步，所述铅门位置信息、mlc叶片位置以及mlc与铅门相对位置均以符合iec 61217dicom rt标准坐标记录。
20.进一步，步骤(2)中计算得到的计划复杂度特征具体包括以下特征：计划mu、边缘指标、计划面积、计划不规则性、计划调制、调制复杂度分数、小野评分、平均射野面积、平均不对称距离、孔径面积与铅门面积比值、孔径子区域、叶片跨轴评分、叶片关闭评分、平均叶片间距、叶片运动距离、转换孔径指标、叶片速度分数、叶片速度、叶片加速度分数、叶片加速度和站参数优化放疗调制指数。
21.进一步，步骤(2)中计算计划复杂度特征的各个特征的步骤包括：
22.计划mu计算公式为：
[0023][0024]
其中pmu为计划mu；d为计划分次剂量，mu为计划机器跳数；
[0025]
边缘指标的计算公式为：
[0026][0027]
其中em为边缘指标；x为叶片端，y为叶片边，aai为子野面积，c为权重因子，n为控制点个数；
[0028]
平均射野面积的计算公式为：
[0029][0030]
其中mfa为平均射野面积；mui为第i个控制点mu跳数；
[0031]
计划面积的计算公式为：
[0032]
[0033][0034]
其中pa为计划面积；m为射野总数，muj为第j个射野mu跳数，射野面积ba为每个控制点mlc子野面积加权控制点mu；
[0035]
计划不规则性的计算公式为：
[0036][0037][0038][0039]
其中pi为计划不规则性，api为子野周长，ai为子野非圆度，射野不规性bi为每个控制点mlc子野非圆度加权控制点mu；
[0040]
计划调制的计算公式为：
[0041][0042][0043]
其中pm为计划调制；u(aaj)为射野j所有子野面积并集，bm考虑子野面积与射野面积关系；
[0044]
调制复杂性分数的计算公式为：
[0045][0046][0047][0048]
其中mcs为调制复杂性分数；p为mlc叶片位置；
[0049]
小野评分的计算公式为：
[0050][0051]
其中sas(x)为小野评分；a为mlc叶片对面积；
[0052]
平均不对称距离的计算公式为：
[0053][0054]
其中mad为平均不对称距离；mk为mlc第k对开放叶片中心与射束中心轴的偏移。
[0055]
叶片跨轴评分的计算公式为：
[0056][0057]
其中cas为叶片跨轴评分；m为叶片对中心与射束中心轴偏移；
[0058]
叶片关闭评分的计算公式为：
[0059][0060]
其中cls为叶片关闭评分；
[0061]
孔径面积与铅门面积比值的计算公式为：
[0062][0063]
其中aarja为孔径面积与铅门面积比值；jai为控制点铅门面积；
[0064]
孔径子区域的计算公式为：
[0065][0066]
其中asr为孔径子区域；subai为射束孔径子野个数；
[0067]
平均叶片间距计算公式为：
[0068][0069]
其中lg为平均叶片间距；
[0070]
叶片运动距离的计算公式为：
[0071][0072]
转换孔径指标的计算公式为：
[0073][0074]
g(x)＝1-e-x
[0075]
其中cami为转换孔径指标；aa
eq
为子野等效方野，d
l
为子野叶片边长；
[0076]
叶片速度和叶片加速度的计算公式分别为：
[0077][0078][0079]
其中lsi为叶片速度；lai为叶片加速度；ti为控制点时间；
[0080]
站参数优化放疗调制指数对于考虑临近2s个控制点mlc位置、mu和机架角度时的计算公式为：
[0081][0082]
其中sporti为站参数优化放疗调制指数；gi为第i个控制点机架角度。
[0083]
进一步，所有计划复杂度特征均以原数值减去平均值除以标准差做标准化处理。
[0084]
进一步，步骤(4)中所述的复杂性分数计算公式为：
[0085][0086]
其中csi为复杂性分数；n为总方差累积百分比大于90％保留最小主成分数，v为保留的主成分总方差累积百分比，vj为第j个主成分方差百分比，pc
i,j
为第i个病人第j个主成分数值，mincs为所有计划中最小的复杂性分数，maxcs为所有计划中最大的复杂性分数。
[0087]
进一步，步骤(5)中调强放疗计划质量设立容差为同类型疾病、同类型加速器设备及同类型治疗计划系统的复杂性分数的统计平均值与其标准差的和；干预限值为同类型疾病、同类型加速器设备及同类型治疗计划系统的复杂性分数的统计平均值与其2倍标准差的和。
[0088]
实验结果表明，本发明提供的调强放疗计划质量控制方法能够通过单一指标评价计划复杂程序，易于为质量控制设立容差及干预限值，识别计划优化过程中调制异常计划，提高剂量计算和计划实施准确性，为临床物理师(剂量师)的计划质量保障提供了非常有价值的参考。
[0089]
显然，根据本发明上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，如复杂度特征计算方式，复杂度特征数目，数据降维技术。
[0090]
以下通过实例具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题范围仅限于以下实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明范围。
附图说明
[0091]
利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
[0092]
图1是本发明实施例1调强放疗计划复杂度空间收缩的质量控制技术路线图。
[0093]
图2是本发明实施例1调强放疗计划复杂度空间收缩的质量控制结果图。
具体实施方式
[0094]
所有调强放疗计划均由monaco或eclipse治疗计划系统导出的标准dicom-rt plan文件，可在医科达公司infinity、synergy和versahd加速器系统配备agility多叶准直器或瓦里安vitalbeam和truebeam加速器系统配备millennium多叶准直器及edge加速器系统配备高分辨率多叶准直器系统上执行。monaco计划系统算法为x射线体积元蒙特卡洛(xvmc)，eclipse计划系统算法为解析各向异性(aaa)。
[0095]
本实施例解析dicom-rt plan文件，提取控制点信息环境为windows操作系统及python编程语言。
[0096]
实施例1
[0097]
本发明方法基于计划复杂度分数的质量控制方法包括过程1～3：
[0098]
1.由eclipse治疗计划系统创建vmat计划并导出dicom-rt plan文件；
[0099]
2.将dicom-rt plan文件导入本发明方法中，通过以下方法进行复杂度分数计算：
[0100]
上述过程包括以下步骤：
[0101]
(1)从临床计划系统导出调强放疗dicom-rt plan文件，提取dicom-rt plan文件全部控制点信息，每个控制点包括加速器监测输出mu信息、铅门信息、机架信息及mlc信息；所述控制点执行时有时间和方向顺序。
[0102]
具体地，在步骤(1)中，所述的mu信息包括控制点mu跳数、控制点所在射野mu跳数、放疗计划mu总跳数、当前控制点mu占放疗计划总mu的权重。
[0103]
步骤(1)所述的铅门信息包括铅门位置信息，以及铅门离轴或跨轴距离。
[0104]
步骤(1)所述的机架信息包含控制点机架角度、vmat计划机架旋转角度和方向、vmat机架旋转速度和加速度，或imrt射野角度和个数。
[0105]
步骤(1)所述的mlc信息包括mlc叶片位置、mlc运动距离、mlc离轴或跨轴距离、mlc运动方向、mlc运动速度、mlc运动加速度、mlc与铅门相对位置。
[0106]
在步骤(1)中的所有位置信息，即铅门位置信息、mlc叶片位置以及mlc与铅门相对位置均以符合iec 61217dicom rt标准坐标记录。
[0107]
(2)将步骤(1)提取的控制点信息加权计算得到计划复杂度特征；所述复杂度特征均执行标准化处理。
[0108]
具体地，在步骤(2)中，计算得到的计划复杂度特征具体包括以下特征：计划mu、边缘指标、计划面积、计划不规则性、计划调制、调制复杂度分数、小野评分、平均射野面积、平均不对称距离、孔径面积与铅门面积比值、孔径子区域、叶片跨轴评分、叶片关闭评分、平均叶片间距、叶片运动距离、转换孔径指标、叶片速度分数、叶片速度、叶片加速度分数、叶片加速度和站参数优化放疗调制指数。
[0109]
所有计划复杂度特征均以原数值减去平均值除以标准差做标准化处理。
[0110]
更具体地，计划复杂度特征的各个特征的计算过程为：
[0111]
计划mu计算公式为：
[0112][0113]
其中pmu为计划mu；d为计划分次剂量，mu为计划机器跳数；
[0114]
边缘指标的计算公式为：
[0115][0116]
其中em为边缘指标；x为叶片端，y为叶片边，aai为子野面积，c为权重因子，n为控制点个数；
[0117]
平均射野面积的计算公式为：
[0118][0119]
其中mfa为平均射野面积；mui为第i个控制点mu跳数；
[0120]
计划面积的计算公式为：
[0121][0122][0123]
其中pa为计划面积；m为射野总数，muj为第j个射野mu跳数，射野面积ba为每个控制点mlc子野面积加权控制点mu；
[0124]
计划不规则性的计算公式为：
[0125][0126][0127][0128]
其中pi为计划不规则性，api为子野周长，ai为子野非圆度，射野不规性bi为每个控制点mlc子野非圆度加权控制点mu；
[0129]
计划调制的计算公式为：
[0130]
[0131][0132]
其中pm为计划调制；u(aaj)为射野j所有子野面积并集，bm考虑子野面积与射野面积关系；
[0133]
调制复杂性分数的计算公式为：
[0134][0135][0136][0137]
其中mcs为调制复杂性分数；p为mlc叶片位置；
[0138]
小野评分的计算公式为：
[0139][0140]
其中sas(x)为小野评分；a为mlc叶片对面积；
[0141]
平均不对称距离的计算公式为：
[0142][0143]
其中mad为平均不对称距离；mk为mlc第k对开放叶片中心与射束中心轴的偏移。
[0144]
叶片跨轴评分的计算公式为：
[0145][0146]
其中cas为叶片跨轴评分；m为叶片对中心与射束中心轴偏移；
[0147]
叶片关闭评分的计算公式为：
[0148][0149]
其中cls为叶片关闭评分；
[0150]
孔径面积与铅门面积比值的计算公式为：
[0151][0152]
其中aarja为孔径面积与铅门面积比值；jai为控制点铅门面积；
[0153]
孔径子区域的计算公式为：
[0154][0155]
其中asr为孔径子区域；subai为射束孔径子野个数；
[0156]
平均叶片间距计算公式为：
[0157][0158]
其中lg为平均叶片间距；
[0159]
叶片运动距离的计算公式为：
[0160][0161]
转换孔径指标的计算公式为：
[0162][0163]
g(x)＝1-e-x
[0164]
其中cami为转换孔径指标；aa
eq
为子野等效方野，d
l
为子野叶片边长；
[0165]
叶片速度和叶片加速度的计算公式分别为：
[0166][0167][0168]
其中lsi为叶片速度；lai为叶片加速度；ti为控制点时间；
[0169]
站参数优化放疗调制指数对于考虑临近2s个控制点mlc位置、mu和机架角度时的计算公式为：
[0170][0171]
其中sporti为站参数优化放疗调制指数；gi为第i个控制点机架角度。
[0172]
(3)将步骤(2)计算的计划复杂度特征进行主成分分析转化为相互正交的特征向
量，以总方差90％作为截止值决定保留正交主成分个数。
[0173]
(4)将步骤(3)中保留的主成分计算加权平均值并执行归一化得到复杂性分数；
[0174]
具体地，在步骤(4)中所述的复杂性分数计算公式为：
[0175][0176]
其中csi为复杂性分数；n为总方差累积百分比大于90％保留最小主成分数，v为保留的主成分总方差累积百分比，vj为第j个主成分方差百分比，pc
i,j
为第i个病人第j个主成分数值，mincs为所有计划中最小的复杂性分数，maxcs为所有计划中最大的复杂性分数。
[0177]
(5)计算步骤(4)复杂性分数的平均值和标准差为调强放疗计划质量控制设立容差和干预限值。
[0178]
具体地，步骤(5)中调强放疗计划质量设立容差为同类型疾病、同类型加速器设备及同类型治疗计划系统的复杂性分数的统计平均值与其标准差的和；干预限值为同类型疾病、同类型加速器设备及同类型治疗计划系统的复杂性分数的统计平均值与其2倍标准差的和。
[0179]
具体流程如图1所示。
[0180]
3.根据当前计划的复杂度分数值，判断其在同类型疾病、同类型计划系统、同类型加速器设备或同类型mlc中位置，考察其是否超出临床计划质量容差或干预限值。
[0181]
具体结果如图2所示。
[0182]
综上所述，本发明提供了一种基于主成分分析技术的放疗计划复杂度特征空间收缩的质量控制方法，实现了单一复杂度分数指标来评价调强放疗计划的复杂程度，为放疗计划质量控制设立容差及干预限值，为临床专家直观简便评价放疗计划复杂程度提供非常有价值的工具，进而优化医院计划评价工作流程。

技术特征：
1.一种调强放疗计划复杂度特征空间收缩的质量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)从临床计划系统导出调强放疗dicom-rt plan文件，提取dicom-rt plan文件全部控制点信息；每个控制点包括加速器监测输出mu信息、铅门信息、机架信息及mlc信息；所述控制点执行时有时间和方向顺序；(2)将步骤(1)提取的控制点信息加权计算得到计划复杂度特征；所述复杂度特征均执行标准化处理；(3)将步骤(2)计算的计划复杂度特征进行主成分分析(pca)转化为相互正交的特征向量，以总方差90％作为截止值决定保留正交主成分个数；(4)将步骤(3)中保留的主成分计算加权平均值并执行归一化得到复杂性分数；(5)计算步骤(4)复杂性分数的平均值和标准差作为调强放疗计划质量控制设立容差和干预限值。2.根据权利要求1所述的调强放疗计划复杂度特征空间收缩的质量控制方法，其特征在于：步骤(1)所述的mu信息包括控制点mu跳数、控制点所在射野mu跳数、放疗计划mu总跳数、当前控制点mu占放疗计划总mu的权重；步骤(1)所述的铅门信息包括铅门位置信息，以及铅门离轴或跨轴距离；步骤(1)所述的机架信息包含控制点机架角度、vmat计划机架旋转角度和方向、vmat机架旋转速度和加速度，或imrt射野角度和个数；步骤(1)所述的mlc信息包括mlc叶片位置、mlc运动距离、mlc离轴或跨轴距离、mlc运动方向、mlc运动速度、mlc运动加速度、mlc与铅门相对位置。3.根据权利要求2所述的调强放疗计划复杂度特征空间收缩的质量控制方法，其特征在于：所述铅门位置信息、mlc叶片位置以及mlc与铅门相对位置均以符合iec 61217dicom rt标准坐标记录。4.根据权利要求1所述的调强放疗计划复杂度特征空间收缩的质量控制方法，其特征在于：步骤(2)中计算得到的计划复杂度特征具体包括以下特征：计划mu、边缘指标、计划面积、计划不规则性、计划调制、调制复杂度分数、小野评分、平均射野面积、平均不对称距离、孔径面积与铅门面积比值、孔径子区域、叶片跨轴评分、叶片关闭评分、平均叶片间距、叶片运动距离、转换孔径指标、叶片速度分数、叶片速度、叶片加速度分数、叶片加速度和站参数优化放疗调制指数。5.根据权利要求4所述的调强放疗计划复杂度特征空间收缩的质量控制方法，其特征在于，步骤(2)中计算计划复杂度特征的各个特征的步骤包括：计划mu计算公式为：其中pmu为计划mu；d为计划分次剂量，mu为计划机器跳数；边缘指标的计算公式为：
其中em为边缘指标；x为叶片端，y为叶片边，aa
i
为子野面积，c为权重因子，n为控制点个数；平均射野面积的计算公式为：其中mfa为平均射野面积；mu
i
为第i个控制点mu跳数；计划面积的计算公式为：计划面积的计算公式为：其中pa为计划面积；m为射野总数，mu
j
为第j个射野mu跳数，射野面积ba为每个控制点mlc子野面积加权控制点mu；计划不规则性的计算公式为：计划不规则性的计算公式为：计划不规则性的计算公式为：其中pi为计划不规则性，ap
i
为子野周长，ai为子野非圆度，射野不规性bi为每个控制点mlc子野非圆度加权控制点mu；计划调制的计算公式为：计划调制的计算公式为：其中pm为计划调制；u(aa
j
)为射野j所有子野面积并集，bm考虑子野面积与射野面积关系；调制复杂性分数的计算公式为：
其中mcs为调制复杂性分数；p为mlc叶片位置；小野评分的计算公式为：其中sas(x)为小野评分；a为mlc叶片对面积；平均不对称距离的计算公式为：其中mad为平均不对称距离；m
k
为mlc第k对开放叶片中心与射束中心轴的偏移。叶片跨轴评分的计算公式为：其中cas为叶片跨轴评分；m为叶片对中心与射束中心轴偏移；叶片关闭评分的计算公式为：其中cls为叶片关闭评分；孔径面积与铅门面积比值的计算公式为：其中aarja为孔径面积与铅门面积比值；ja
i
为控制点铅门面积；孔径子区域的计算公式为：其中asr为孔径子区域；suba
i
为射束孔径子野个数；平均叶片间距计算公式为：
其中lg为平均叶片间距；叶片运动距离的计算公式为：转换孔径指标的计算公式为：g(x)＝1-e-x
其中cam
i
为转换孔径指标；aa
eq
为子野等效方野，d
l
为子野叶片边长；叶片速度和叶片加速度的计算公式分别为：叶片速度和叶片加速度的计算公式分别为：其中ls
i
为叶片速度；la
i
为叶片加速度；t
i
为控制点时间；站参数优化放疗调制指数对于考虑临近2s个控制点mlc位置、mu和机架角度时的计算公式为：其中sport
i
为站参数优化放疗调制指数；g
i
为第i个控制点机架角度。6.根据权利要求5所述的调强放疗计划复杂度特征空间收缩的质量控制方法，其特征在于：所有计划复杂度特征均以原数值减去平均值除以标准差做标准化处理。7.根据权利要求1所述的调强放疗计划复杂度特征空间收缩的质量控制方法，其特征在于：步骤(4)中所述的复杂性分数计算公式为：其中cs
i
为复杂性分数；n为总方差累积百分比大于90％保留最小主成分数，v为保留的主成分总方差累积百分比，v
j
为第j个主成分方差百分比，pc
i,j
为第i个病人第j个主成分数值，mincs为所有计划中最小的复杂性分数，maxcs为所有计划中最大的复杂性分数。
8.根据权利要求1所述的调强放疗计划复杂度特征空间收缩的质量控制方法，其特征在于：步骤(5)中调强放疗计划质量设立容差为同类型疾病、同类型加速器设备及同类型治疗计划系统的复杂性分数的统计平均值与其标准差的和；干预限值为同类型疾病、同类型加速器设备及同类型治疗计划系统的复杂性分数的统计平均值与其2倍标准差的和。

技术总结
本发明提供了一种调强放疗计划复杂度特征空间收缩的质量控制方法，包括从调强放疗计划提取的MU信息、MLC信息、机架旋转信息和射束信息共30个复杂度特征，通过主成分分析探索这些复杂度特征之间相关性将特征空间降维至总方差90％截止值所保留的主成分，对所选主成分计算一个加权平均值命名为复杂度分数，实现了以单一的复杂度分数指标评价调强放疗计划复杂程度的方法。本发明方法实现的数据降维技术，可以大大降低计划复杂度特征空间冗余程度，有助于识别数据中隐藏模式和特征可视化，方便为放疗计划质量控制设立容差及干预限值，提高了计划剂量计算和实施的准确性，为临床物理师计划质量保障提供了非常有价值的参考。理师计划质量保障提供了非常有价值的参考。理师计划质量保障提供了非常有价值的参考。


技术研发人员：胡金炎 何秋山
受保护的技术使用者：深圳市龙华区人民医院
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/7/12