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基于优化参数树搜索算法的直肠癌调强放疗自动计划

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中华放射医学与防护杂志 2021年第1期41卷 66-73页

作者：王翰林刘嘉城姚凯宁王若曦张健岳海振张艺宝吴昊北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室100142

目的针对调强放疗(IMRT)计划大量耗费人工及计划质量高度依赖物理师临床经验且差异较大等问题,探讨一种可实现无监督调强放疗自动计划的方案。方法采用Varian Eclipse 15.6治疗计划系统(TPS)自带的脚本应用程序接口(ESAPI)和优化参数树... 详细信息

目的针对调强放疗(IMRT)计划大量耗费人工及计划质量高度依赖物理师临床经验且差异较大等问题,探讨一种可实现无监督调强放疗自动计划的方案。方法采用Varian Eclipse 15.6治疗计划系统(TPS)自带的脚本应用程序接口(ESAPI)和优化参数树搜索算法(OPTSA)模拟,实现整个计划设计过程。通过ESAPI进行交互,自动输入输出相关参数;利用OPTSA对靶区和危及器官(OAR)的剂量学参数进行评估,并迭代调整优化目标参数来逐步改善,最终获得满足临床需求的IMRT计划。为验证自动计划的有效性,从临床数据库中选取20例既往已完成治疗的直肠癌病例,比较基于OPTSA算法的自动计划和临床人工计划在剂量分布和特定剂量学参数上的差异。结果所有的自动计划均满足临床要求。90%的自动计划质量超过既往人工计划,10%的自动计划则与人工计划质量基本一致。PTV平均适形指数(CI)在自动计划和人工计划中分别为0.88和0.80。与人工计划相比,自动计划OAR剂量学指标平均降低11%。自动计划和人工计划平均运行时间分别为(28.15±3.61)和(36.7±4.6)min。结论利用ESAPI所创建的OPTSA自动计划质量不劣于人工计划。在保证计划质量和一致性的情况下,OPTSA自动计划可缩短计划设计中所耗费的人力时间。

关键词：自动IMRT 直肠癌脚本应用程序接口优化参数树搜索算法

基于结构相似性指数评估放疗计划质量的可行性研究

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中华放射医学与防护杂志 2021年第11期41卷 824-829页

作者：王清莹刘嘉城王翰林姚凯宁尤静李小凡王若曦马超琼吴昊北京大学医学部医学技术研究院 100191 北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室 100142

目的利用结构相似性指数(structural similarity index,SSIM)对放疗计划的三维剂量分布进行评价,比较SSIM相对现有常用质量评价指数的优缺点,同时构建以SSIM为基础的多处方剂量计划的评估方法。方法引入SSIM来分析实际与理想三维剂量数... 详细信息

目的利用结构相似性指数(structural similarity index,SSIM)对放疗计划的三维剂量分布进行评价,比较SSIM相对现有常用质量评价指数的优缺点,同时构建以SSIM为基础的多处方剂量计划的评估方法。方法引入SSIM来分析实际与理想三维剂量数据并结合其空间位置信息给出各体素质量评分,进而计算感兴趣区域(ROI)内的平均值作为该区域的质量评分。选取2018年1月至2020年5月北京大学肿瘤医院既往已实施治疗的53例临床同步推量放疗计划,抽取两例计划分别引入两种质量缺陷(局部高量、剂量跌落)与正常计划进行对比实验来表征SSIM指数的响应,展示SSIM指数评价结果的图像模式。分析53例放疗计划各ROI的均匀性指数(HI)、适形性指数(CI)与SSIM的相关性,评估SSIM反映均匀性和适形性的能力。结果SSIM指数的图像模式能够反馈剂量分布存在质量缺陷的位置信息。HI与SSIM在转移与可疑淋巴结(PGTVnd)中由于HI敏感性降低导致未表现出相关性,在计划靶区(PTV)去除PGTVnd后的区域中存在显著负相关(R=-0.86,P<0.01),CI与SSIM指数在PGTVnd中存在显著正相关(R=0.83,P<0.01)。结论SSIM指数在改善以往评价参数缺陷的基础上,能够结合均匀性与适形性对计划进行质量评价,同时精准反馈存在质量缺陷的空间位置。

关键词：放射治疗计划评估结构相似性剂量分布

AAA和PDIP算法在非均整模式容积调强放射治疗剂量预测方面的差异

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中国医学物理学杂志 2020年第4期37卷 419-425页

作者：姚凯宁王若曦岳海振王美娇蒲亦晨吴昊北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室北京100142

目的:探究各项异性算法(AAA)和射野剂量图像预测(PDIP)算法在非均整模式(FFF)容积调强放射治疗计划治疗前验证γ分析中的差异以及计划复杂程度对这种差异的影响,为临床上基于电子射野影像系统(EPID)的剂量预测算法的选择提供依据。方法... 详细信息

目的:探究各项异性算法(AAA)和射野剂量图像预测(PDIP)算法在非均整模式(FFF)容积调强放射治疗计划治疗前验证γ分析中的差异以及计划复杂程度对这种差异的影响,为临床上基于电子射野影像系统(EPID)的剂量预测算法的选择提供依据。方法:选取能量为6 MV FFF的两种测试野和16例头颈部肿瘤治疗计划,利用PDIP和AAA两种算法分别生成预测数据并与EPID实测数据进行γ分析,统计两种算法在不同γ评判标准下的通过率并计算通过率差异(Deltaγ)。计算上述病例每个射野的复杂系数,分析不同标准下两种算法的Deltaγ与复杂系数的相关性;利用γmean、γsd、γ1和γ通过率共同描述γ分布,并分析其与复杂系数间的相关性。结果:当评判标准为3%/3 mm或2%/2 mm时,不同算法下测试射野的Deltaγ较小。当评判标准为1%/1 mm,不同开野的Deltaγ变化明显:射野较小时,PDIP算法的通过率低于AAA;当射野增大到(10×10)cm2时,通过率基本一致;当射野继续增大时,PDIP算法的通过率逐渐高于AAA。全部射野的通过率与评判标准的关系类似:在3%/3 mm标准下,两种算法的结果基本一致;随着标准的提高,两种算法的通过率逐渐下降,二者之间的差异也逐渐明显。复杂系数与Deltaγ、γmean、γsd和γ1为正相关,与γ通过率为负相关。结论:PDIP算法对于有机械臂支撑的EPID的剂量预测更准确;AAA则适用于无机械臂支撑的EPID或机械臂反散射影响较小的射野。当计划复杂程度或评判标准提高时,两种算法的差异也增大。计划复杂程度对FFF计划验证结果的影响是负面的。上述结果提示临床应针对性地选择计划验证工具来确保治疗的安全有效。

关键词：容积调强放射治疗非均整模式射野剂量图像预测算法各项异性算法电子射野影像系统复杂系数

直肠癌术前容积调强放射治疗计划子野形状控制参数优化研究

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中华肿瘤防治杂志 2021年第8期28卷 626-632页

作者：弓健姚凯宁王美娇张健蒋璠张艺宝吴昊岳海振北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科·恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室北京100142

目的通过对比美国Varian公司Eclipse治疗计划系统(版本号15.5)光子优化算法中子野形状控制(ASC)参数对直肠癌术前容积调强放射治疗(VMAT)计划的剂量学评价指标和治疗计划传递精度的影响,旨在探索适合该病例的优选ASC参数,从而为后期治... 详细信息

目的通过对比美国Varian公司Eclipse治疗计划系统(版本号15.5)光子优化算法中子野形状控制(ASC)参数对直肠癌术前容积调强放射治疗(VMAT)计划的剂量学评价指标和治疗计划传递精度的影响,旨在探索适合该病例的优选ASC参数,从而为后期治疗提供剂量学保障。方法选取2019-03-12-2019-08-05在北京大学肿瘤医院放疗科进行直肠癌术前VMAT治疗的20例患者资料,计划肿瘤靶区(PGTV)和计划靶区(PTV)处方剂量分别为50.6 Gy/22次和41.8 Gy/22次。治疗计划方案均采用常规单个全弧的布野方式,保持其他优化目标函数和正向剂量计算算法不变的条件下,仅修改6个ASC可选调制强度参数Off、Very low(VL)、Low(L)、Moderate(M)、High(H)和Very high(VH)后进行无监督自动优化计算并生成6组治疗计划,通过对比子野复杂性指数(ACM)、跳数、平均剂量体积直方图(MDVH)、靶区的均匀性指数(HI)、适形度指数(CI)、D_(mean)以及股骨头(FH)、膀胱(UB)的D_(mean)、D50%等剂量学评价指标,以Off组为参考,正态性检验后采用配对样本t检验或相关样本非参数检验对比分析并确定适合该病例的ASC参数设置。结果6组治疗计划获得可比拟的靶区MDVH,均可满足临床要求;FH和UB的MDVH与ASC参数调制强度呈正相关;对于HI参数,相对于Off组,HI_(PTV)的M组(t=-4.114,P=0.001)、H组(t=-3.068,P=0.006)和VH组(Z=-2.725,P=0.006)差异有统计学意义,而HI_(PGTV)除了L组以外差异均有统计学意义,t值分别为-2.199、-3.020、-3.065和-3.517,P值分别为0.040、0.007、0.006和0.002;对于CI参数,仅CIPTV数据的VH组(t=-4.057,P=0.001)、CIPGTV的M组(Z=-2.091,P=0.037)和VH组(Z=-2.165,P=0.030)差异有统计学意义;对于D_(mean)参数,PTV的M组(t=-3.549,P=0.002)和VH组(Z=-3.667,P=0.002),PGTV的M组(t=-2.645,P=0.016)、H组(t=-3.480,P=0.003)和VH组(t=-3.616,P=0.002)等强调制条件下差异有统计学意义,而除了危及器官UB的VH组(t=-2.477,P=0.023)、FH的H组(t=-2.498,P=0.022)和VH组(t=-4.379,P<0.001)之外,差异均无统计学意义,提示该调制水平对靶区和危及器官的D_(mean)比较敏感;D_(50%UB)各组数据差异均无统计学意义,而D50%FH的H组(t=-2.670,P=0.015)和VH组(t=-4.502,P<0.001)差异有统计学意义;ASC参数调制强度与ACM呈负相关且差异有统计学意义(t值分别为6.223、7.117、9.173、11.186和12.094,均P<0.001),与跳数相关性较小但相对于Off组差异均有统计学意义,Z值分别为-2.800、-2.875、-3.024、-3.621和-3.659,P值分别为0.005、0.004、0.002、<0.001和<0.001。结论对于直肠癌术前VMAT计划方案,在无监督自动优化前提条件下,6个ASC参数可获得满足临床要求的计划方案;ASC调制强度的增大虽然降低了ACM参数,但不利于FH和UB的保护。综合考虑计划质量和潜在的计划交付精度影响,本研究推荐较高的调制参数,M或H。

关键词：形状控制参数适形度指数均匀性指数子野复杂性指数

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基于贝叶斯优化的高维自动放射治疗计划

基于贝叶斯优化的高维自动放射治疗计划

剂量预测联合参数迭代优化算法的VMAT全自动计划研究

中国医学装备大会暨2023医学装备展览会

作者：王清莹刘嘉城姚凯宁王美娇北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室

目的:放射治疗计划设计可被视为一种平衡互相冲突临床目标的超参数调整迭代过程。本研究探索改进贝叶斯优化(BO)方法在高维自动计划问题上的表现。方法:回顾性选择20例已接受调强放射治疗(IMRT)的局部晚期直肠癌患者作为测试病例,其中... 详细信息

目的:放射治疗计划设计可被视为一种平衡互相冲突临床目标的超参数调整迭代过程。本研究探索改进贝叶斯优化(BO)方法在高维自动计划问题上的表现。方法:回顾性选择20例已接受调强放射治疗(IMRT)的局部晚期直肠癌患者作为测试病例,其中可调整的计划参数包含剂量目标和相应的权重。本文实现了基于BO的自动计划框架,并测试传统的BO方法(GPEI)和适用于高维问题的BO方法(SAAS-BO)的表现。另选择无梯度方法(Nelder-Mead)和随机调整方法作为基线。四种自动计划的计划质量和效率与临床计划在靶区剂量覆盖率和危及器官(OAR)保留方面进行了比较。此外,通过比较GPEI和SAAS-BO的预测模型,分析了不同BO方法的不同搜索模式。结果:对于靶区,SAAS-BO计划取得了与临床计划相当的热点控制(P=0.43)和均匀性(P=0.96),并显著优于GPEI和Nelder-Mead计划(P <0.05)。SAAS-BO和GPEI计划在适形性和剂量溢出方面都显著优于临床计划(P <0.05)。与临床计划相比,四种自动计划降低了股骨头和膀胱接受剂量。与BO计划相比,Nelder-Mead计划虽取得了类似的计划质量分数,但在靶区热点和剂量溢出的控制方面表现较差。对预测模型的分析表明,两种BO方法均识别出类似的敏感计划参数。结论:本项工作为自动治疗计划实现了一个基于BO的超参数调整框架。两种BO方法均可产生高质量的治疗计划,大大减少治疗计划者的工作负担。模型分析也证实了测试的治疗计划问题的内在低维度。

关键词：放射治疗自动计划贝叶斯优化 IMRT

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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中华放射医学与防护杂志 2021年第11期41卷 830-835页

作者：刘嘉城王翰林王清莹姚凯宁王美娇岳海振王若曦杜乙吴昊北京大学医学部医学技术研究院 100191 北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室100142

目的设计一种联合深度学习剂量预测和参数迭代优化算法的容积调强放射治疗(VMAT)全自动计划方法。方法选取2018年6月至2021年1月北京大学肿瘤医院既往165例直肠癌患者的VMAT计划开展研究,其中145例用于训练和验证深度学习模型,该模型用... 详细信息

目的设计一种联合深度学习剂量预测和参数迭代优化算法的容积调强放射治疗(VMAT)全自动计划方法。方法选取2018年6月至2021年1月北京大学肿瘤医院既往165例直肠癌患者的VMAT计划开展研究,其中145例用于训练和验证深度学习模型,该模型用于预测危及器官的剂量,20例用于研究比对自动计划和人工计划的质量。该方法从危及器官的预测剂量分布中提取关键的剂量体积直方图(DVH)值作为初始优化参数(IOPs),利用治疗计划系统可编程接口自动创建VMAT计划,通过设计迭代优化算法自动调节优化参数(OPs)。结果剂量预测模型训练后能有效预测出20例测试计划危及器官的关键DVH值,与参考值相比差异均无统计学意义(P>0.05)。20例VMAT自动计划均能满足临床处方剂量要求,对于PTV和PGTV的适形性指数(CI),人工计划与自动计划比较差异均无统计学意义(P>0.05);而PGTV的D1和均匀性指数(HI),自动计划均高于人工计划,分别为0.6 Gy和0.01,两者比较差异均有统计学意义(t=-7.05、-6.92,P<0.05)。自动计划比人工计划的膀胱平均V_(30)下降2.7%(t=3.37,P<0.05),股骨头和危及器官辅助结构(Avoidance)的平均V_(20)分别下降8.37%和15.95%(t=5.65、11.24,P<0.05),并且膀胱、股骨头、Avoidance的平均剂量分别降低了1.91、4.01和3.88 Gy(t=9.29、2.80、10.23,P<0.05)。测试的20例直肠癌患者病例的自动计划平均时间为(71.82±25.48)min。结论本研究利用直肠癌病例验证了一种联合剂量预测和参数迭代优化算法的VMAT自动计划方法的可行性。相比于人工计划,VMAT自动计划无需人工干预,在提高计划设计效率、计划质量和临床资源利用率等方面有很大的应用潜力。

关键词：自动计划参数迭代优化算法剂量预测深度学习直肠癌

Machine Performance Check束流均匀性改变对Portal Dosimetry计划剂量验证的影响

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中国医学物理学杂志 2022年第4期39卷 397-403页

作者：姚凯宁王若曦吴昊弓健刘卓伦张健冯仲苏杜乙北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科/恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室北京100142

目的:探究Machine Performance Check(MPC)系统束流均匀性变化对Portal Dosimetry(PD)计划验证的影响,为临床MPC均匀性的阈值设定和电子影像系统(EPID)的校准频率提供参考。方法:选取本中心EDGE加速器上首次治疗患者26例和10 cm×10 cm... 详细信息

目的:探究Machine Performance Check(MPC)系统束流均匀性变化对Portal Dosimetry(PD)计划验证的影响,为临床MPC均匀性的阈值设定和电子影像系统(EPID)的校准频率提供参考。方法:选取本中心EDGE加速器上首次治疗患者26例和10 cm×10 cm方野1例,制定治疗计划和验证计划。在MPC束流均匀性偏差增大的情况下,分别在EPID校准前和校准后执行验证计划,并在计划系统PD模块中分析,统计对比图像剂量和γ通过率。本研究还列出EDGE加速器一年间MPC束流均匀性的结果。结果:MPC 1年的统计结果显示束流均匀性偏差的升高趋势明显并且速度加快,表明EPID存在设备老化现象。EPID校准前后验证计划的图像剂量和γ通过率的对比结果表明不同能量方野计划在影像板中心附近的剂量差异为1%~2%,临床射野计划由于复杂性提高,剂量差异最大可以达到10%。EPID校准后的γ通过率高于校准前。结论:EPID探测器的一致性改变对PD计划剂量验证有一定影响,提示临床MPC均匀性阈值为2%时能够对PD计划剂量验证起到预警作用,EPID应在MPC重新采集基线之前校准,以保证验证计划的质量,保证患者放疗的安全性。

关键词：计划剂量验证束流均匀性 Machine Performance Check 电子射野影像系统 Portal Dosimetry

瓦里安Portal Dosimetry和PTW 1500矩阵在Halcyon^TM治疗计划剂量验证的对比研究

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中华放射医学与防护杂志 2019年第1期39卷 58-62页

作者：胡俏俏蒋璠王美娇张艺宝姚凯宁弓健吴昊岳海振北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室100142

目的比较Portal Dosimetry(PD)和PTW OCTAVIUS 1500矩阵结合Octagonal模体(Oct1500)两种剂量验证方式在Halcyon^TM加速器治疗计划剂量验证中的表现。方法选取在Halcyon^TM做临床试验的20例入组患者,包括22个IMRT/VMAT治疗计划和74个辐射野,分别采用两种验证方式和多种γ2D评估策略进行剂量验证,对比验证方式及评估策略之间的验证结果,为Halcyon^TM治疗计划验证方式和评价策略的选择提供数据支持。结果Oct1500方式74个辐射野和22个治疗计划γ2D通过率分别为95.26±3.59、95.01±3.62(局部剂量)、99.05±1.35、98.57±1.96(最大剂量),两种评估策略之间差异有统计学意义(Z=-7.220、-4.108,P<0.05);PD方式为84.11±1.35(1mm/1%)、99.07±1.35(2mm/2%)、99.86±1.35(3mm/3%),3种评估策略之间差异有统计学意义(Z=-7.475、-7.475、-6.906,P<0.05);74个辐射野全局剂量、3mm/3%的评价策略两种验证方式之间差异有统计学意义(Z=-5.072,P<0.05)。结论两种剂量验证方式均可用于Halcyon^TM治疗计划剂量验证;PD方式在验证效率和由空间分辨率所致的剂量验证精度方面优于Oct1500。推荐使用2mm/2%(PD)和全局剂量、3mm/3%(Oct1500)评估策略。

关键词： Halcyon^TM加速器剂量 γ2D分析电子射野影像系统

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基于共享经济视角下环保袋的应用探讨

市场周刊 2019年第10期32卷 149-150页

作者：姚凯宁岑庆微刘宇航潘红梅上海电机学院上海电机学院商学院

由于全球对环境污染的重视与解决共同塑料危机的迫切,带动了环保经济的实施与发展,而塑料袋因为价廉、质好、方便等被广泛使用,但其难以降解并会危及生物生命,成了全世界难以解决的大问题.在倡导环保生活的今天,基于共享经济的社会大环... 详细信息

由于全球对环境污染的重视与解决共同塑料危机的迫切,带动了环保经济的实施与发展,而塑料袋因为价廉、质好、方便等被广泛使用,但其难以降解并会危及生物生命,成了全世界难以解决的大问题.在倡导环保生活的今天,基于共享经济的社会大环境,该项目推出了共享环保购物袋的循环利用模式.本文从塑料污染的现状及其危害、社会共享经济的发展对环保袋的影响以及该项目为此设想的解决方案等方面具体阐述.

关键词：共享经济共享环保袋循环