基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法及系统
本发明涉及多叶光栅路径规划，具体涉及一种基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法、一种基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划系统、一种计算机设备、一种计算机可读存储介质及一种计算机程序产品。
背景技术：
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
2、目前，放射治疗已进入精确放疗时代，由于精确放疗单次剂量高、治疗分次少，所以要求更加精细地控制定位精度和靶区动度。在这种背景下，影像引导技术经历了革命性的发展：从光学进化到电子成像，从平面扩展到立体成像，从静态转向动态成像，从辐射到无辐射成像，以及从单一模式发展到复合模式成像。影像成像阶段也由治疗前成像演变为全程治疗实时成像。
3、多叶光栅(multi-leave collimators，mlc)是放射治疗中重要的设备之一，用于替代手工制作的不规则铅挡块。通过调整mlc各个叶片的位置，可以形成临床所需的各种不规则形状的射野，用于照射肿瘤区域。随着适形治疗技术的发展，mlc的性能不断提高，推动了放射治疗技术的进步，使mlc成为现代医用直线加速器中必不可少的关键器件。精确放疗要求尽可能将射线剂量集中于肿瘤靶区，同时保护器官和正常组织。在影像引导放疗系统中，mlc需要能够准确描绘肿瘤边界的形状，以实现射线治疗与肿瘤形态的高度匹配，从而最大限度地提高治疗的精确性和有效性。
4、调整多叶光栅叶片的位置是提高放射治疗效率并保护危及器官和正常组织的关键步骤。为实现这一目标，需要开发一种多叶光栅路径规划方法。专利号cn115416077a提供了一种智能放疗电子线挡铅自动切割系统以及方法，其能够电子线靶区的图像快速高精分割及提取、曲线拼接、挡块自动精准切割，但是无法有效的对多叶光栅叶片的路径进行优化以最好地匹配患者靶区的形状，也无法实现对周围正常组织损伤的最小化。
技术实现思路
1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法及系统，通过调整叶片的位置来塑造放射束，使其最好地匹配患者靶区的形状，并同时最小化对周围正常组织的损伤，通过调整叶片的位置，可以使放射束集中照射于患者的靶区，同时避免照射到周围的正常组织，优化后的放射束能够通过叶片的精确调整，遮挡不需要照射的正常组织区域，确保靶区得到充分的放射治疗，从而提高治疗效果并减少对周围组织的损伤。
2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、第一方面，本发明提供了一种基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法。
4、一种基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法，包括以下过程：
5、随机生成一个初始的叶片位置组合作为起点；
6、根据所述起点，以肿瘤区域的剂量最大化以及正常组织的剂量最小化为目标，在当前温度下进行模拟退火算法的等温迭代；
7、如果在当前温度下进行等温迭代后满足终止条件，则直接得到最优的叶片位置组合，等温迭代设定次数后如果不满足终止条件，则在当前温度的基础上降低温度后重新开始迭代，直至得到最优的叶片位置组合。
8、作为本发明第一方面进一步的限定，以肿瘤区域的剂量最大化以及正常组织的剂量最小化为目标，包括：以正常组织剂量与权重参数的乘积，再减去肿瘤区域的剂量作为目标函数，以目标函数最小化作为目标。
9、作为本发明第一方面进一步的限定，所述终止条件为：达到终止温度的阈值，或者当降低设定次温度后，搜索到的最优解连续保持不变。
10、作为本发明第一方面进一步的限定，在当前温度的基础上降低温度，包括：采用降温函数进行降温，降低后的温度为温度衰减比例与当前温度的乘积，且随着温度的逐渐降低，温度衰减比例的数值逐渐升高。
11、作为本发明第一方面进一步的限定，在当前温度的基础上降低温度后重新开始迭代，直至得到最优的叶片位置组合，包括：
12、在当前温度的基础上降低温度后重新开始迭代，生成当前迭代的叶片位置组合，在当前迭代的叶片位置组合附近的邻域内搜索可能的改进叶片位置组合，如果改进叶片位置组合优于当前迭代的叶片位置组合，则接受改进叶片位置组合，否则，以概率p接受改进叶片位置组合；
13、以接受的改进叶片位置组合为新的当前迭代的叶片位置组合，下一轮迭代再次搜索可能的改进叶片位置组合，直至到达设定的迭代次数；
14、当到达设定的迭代次数，且满足终止条件时，得到最优的叶片位置组合；当到达设定的迭代次数，且不满足终止条件时，再次在当前温度的基础上降低温度后重新开始迭代。
15、作为本发明第一方面更进一步的限定，如果改进叶片位置组合优于当前迭代的叶片位置组合，则接受改进叶片位置组合，否则，以概率p接受改进叶片位置组合，包括：
16、计算改进叶片位置组合的目标值f'以及当前迭代的叶片位置组合的目标值f，δf＝f'-f，当f'<f时，则接受改进叶片位置组合，如果f'≥f，则以概率p接受改进叶片位置组合；
17、所述以概率p接受改进叶片位置组合，包括：
18、随机生成一个0～1之间的数r，如果r≤p，此时随机数小于等于接受概率，则接受改进叶片位置组合；如果r>p，此时随机数大于接受概率，则不接受改进叶片位置组合。
19、作为本发明第一方面更进一步的限定，在当前迭代的叶片位置组合附近的邻域内搜索可能的改进叶片位置组合，包括：
20、沿着目标函数减小的方向对当前迭代的叶片位置组合进行变换来生成可能的改进叶片位置组合。
21、第二方面，本发明提供了一种基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划系统。
22、一种基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划系统，包括以下过程：
23、起点确定单元，被配置为：随机生成一个初始的叶片位置组合作为起点；
24、等温迭代单元，被配置为：根据所述起点，以肿瘤区域的剂量最大化以及正常组织的剂量最小化为目标，在当前温度下进行模拟退火算法的等温迭代；
25、降温迭代单元，被配置为：如果在当前温度下进行等温迭代后满足终止条件，则直接得到最优的叶片位置组合，等温迭代设定次数后如果不满足终止条件，则在当前温度的基础上降低温度后重新开始迭代，直至得到最优的叶片位置组合。
26、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括：处理器和计算机可读存储介质；
27、处理器，适于执行计算机程序；
28、计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如本发明第一方面所述的基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法。
29、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序适于被处理器加载并执行如本发明第一方面所述的基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法。
30、第五方面，本发明提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如本发明第一方面所述的基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法。
31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
32、1、本发明具有较高的灵活性和可调性，本发明所采用的算法可以通过调整参数(如初始温度、降温速度等)来灵活控制算法的搜索过程和收敛性，这种可调性使得算法能够根据患者的病变情况去适应不同复杂度和要求的多叶光栅路径规划问题，并找到最优的调节参数以达到最佳效果。
33、2、本发明具有较强的全局搜索能力，在多叶光栅路径规划中，本发明所用的算法通过接受一定概率的劣质解，能够避免陷入局部最优解，具有较强的全局搜索能力，这意味着在叶片位置变动时，算法可以探索更广泛的解空间，有助于找到更优的放射束配置方案，有效改善治疗效果。
34、3、本发明能够适应实时调整，在放射治疗中，病人的肿瘤形状和位置可能会发生变化，需要实时调整治疗方案，本发明所用的算法具有一定的适应性和实时性，可以根据新的信息和条件进行调整，快速重新优化治疗方案，提高治疗的精确性和有效性。
35、4、本发明所述的算法通过不断迭代逐步优化路径的搜索过程，在不断调整和改进当前解的基础上，寻找更优的多叶光栅路径规划方案，这种迭代优化过程有效地提高了路径的质量，使得所规划的路径更加合理和高效，通过这种迭代调整，可以最大化覆盖肿瘤区域，同时尽量减少对周围正常组织的损伤，从而提高治疗的精确性和安全性。
36、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
技术特征：
1.一种基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法，其特征在于，包括以下过程：
2.如权利要求1所述的基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法，其特征在于，
3.如权利要求1所述的基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法，其特征在于，
4.如权利要求1所述的基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法，其特征在于，
5.如权利要求4所述的基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法，其特征在于，
6.如权利要求4或5所述的基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法，其特征在于，
7.一种基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划系统，其特征在于，包括以下过程：
8.一种计算机设备，其特征在于，包括：处理器和计算机可读存储介质；
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序适于被处理器加载并执行如权利要求1-6任一项所述的基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法。
10.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6任一项所述的基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法。
技术总结
本发明提供了一种基于模拟退火算法的多叶光栅路径规划方法及系统，随机生成一个初始的叶片位置组合作为起点；根据所述起点，以肿瘤区域的剂量最大化以及正常组织的剂量最小化为目标，在当前温度下进行模拟退火算法的等温迭代；如果在当前温度下进行等温迭代后满足终止条件，则直接得到最优的叶片位置组合，等温迭代设定次数后如果不满足终止条件，则在当前温度的基础上降低温度后重新开始迭代，直至得到最优的叶片位置组合；本发明通过调整叶片的位置来塑造放射束，使其最好地匹配患者靶区的形状，确保了靶区得到充分的放射治疗，从而提高了治疗效果并减少对周围组织的损伤。
技术研发人员：周军,赵方欣,皇攀凌,车永新,任旗,马宗国,韩潇晓,李建强,周忠正,张盟,刘道龙,高欣扬
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23