基于云計算的治療計劃系統及其使用方法與流程

本發明的一方面涉及一種治療計劃系統，尤其涉及一種基于云計算的治療計劃系統；本發明的另一方面涉及一種治療計劃系統的使用方法，尤其涉及一種基于云計算的治療計劃系統的使用方法。

背景技術：

隨著原子科學的發展，例如鈷六十、直線加速器、電子射束等放射線治療已成為癌癥治療的主要手段之一。然而傳統光子或電子治療受到放射線本身物理條件的限制，在殺死腫瘤細胞的同時，也會對射束途徑上大量的正常組織造成傷害；另外由于腫瘤細胞對放射線敏感程度的不同，傳統放射治療對于較具抗輻射性的惡性腫瘤(如：多行性膠質母細胞瘤(glioblastoma multiforme)、黑色素細胞瘤(melanoma))的治療成效往往不佳。

為了減少腫瘤周邊正常組織的輻射傷害，化學治療(chemotherapy)中的標靶治療概念便被應用于放射線治療中；而針對高抗輻射性的腫瘤細胞，目前也積極發展具有高相對生物效應(relative biological effectiveness,RBE)的輻射源，如質子治療、重粒子治療、中子捕獲治療等。

然而，作為這些放射線治療中重要一環的治療計劃系統很少有文獻提及。所謂治療計劃系統，是指一種通過對放射源及患者建模過程來模擬一個推薦的放射治療的設備。治療計劃系統采用一個或幾個專門的算法計算患者體內吸收劑量分布。在專用計算機系統的幫助下確定照射方式，計算出該照射方式的結果，再調整照射方式，直到滿意為止。治療計劃是放療技術特別是精確放療技術實現的中樞環節。治療計劃系統的使用需要具備專業經驗的經過特別培訓的物理師和醫生，其中醫生確定腫瘤靶區和危及器官、臨床劑量要求、評價治療方案，物理師則負責設計并修改照射方案、從劑量學角度協助醫生評價結果、輸出各種治療所需資料等其它技術工作。放射線治療計劃系統是放射線治療QA必不可少的工具。治療計劃系統的作用至少在于：1、為臨床醫生提供交互式的斷層圖像的三維構建工具；2、可以精確的確定體表、靶區及重要組織、器官的幾何描述；3、精確測量靶區，提供相應的定量數據；4、輔助醫生和物理師指定治療方案；5、計算劑量在體內組織間的空間分布并直觀顯示；6、評估和優化治療計劃方案；7、實施治療計劃的驗證，確定補救措施。

對于治療計劃系統而言，尤以用于中子捕獲治療的治療計劃系統需要的計算量大及計算種類繁多。其中，中子捕獲治療是結合放射線治療和化學治療概念，如硼中子捕獲治療，借由含硼藥物在腫瘤細胞的特異性集聚，配合精準的中子射束調控，提供比傳統放射線更好的 癌癥治療選擇。

硼中子捕獲治療(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)是利用含硼(¹⁰B)藥物對熱中子具有高捕獲截面的特性，借由¹⁰B(n,α)⁷Li中子捕獲及核分裂反應產生⁴He和⁷Li兩個重荷電粒子。參照圖1和圖2，其分別示出了硼中子捕獲反應的示意圖和¹⁰B(n,α)⁷Li中子捕獲核反應方程式，兩荷電粒子的平均能量約為2.33MeV，具有高線性轉移(Linear Energy Transfer,LET)、短射程特征，α粒子的線性能量轉移與射程分別為150keV/μm、8μm，而⁷Li重荷粒子則為175keV/μm、5μm，兩粒子的總射程約相當于一個細胞大小，因此對于生物體造成的輻射傷害能局限在細胞層級，當含硼藥物選擇性地聚集在腫瘤細胞中，搭配適當的中子射源，便能在不對正常組織造成太大傷害的前提下，達到局部殺死腫瘤細胞的目的。

用于中子捕獲治療的治療計劃系統因需要大量的計算機計算，如需要對中子、光子混合輻射場進行各種運算，現有技術中無法實現高效的運算。因此，為了大幅提高運算的效率，一方面有必要提出一種基于云計算的治療計劃系統；另一方面有必要提出一種基于云計算的治療計劃系統的使用方法。

技術實現要素：

本發明的一個方面在于提供一種大幅提高運算效率的基于云計算的治療計劃系統，其中：該治療計劃系統包括至少一個主控端、網絡通信模塊及云計算服務器，該網絡通信模塊與該至少一個主控端及該計算服務器通信連接，該至少一個主控端的每個主控端用來定義照射與被照體幾何、器官、腫瘤范圍、材質、照射角度及設定相關計算所需參數，該至少一個主控端的每個主控端提出計算要求并通過該網絡通信模塊將計算數據傳送至云計算服務器，該云計算服務器用來判斷計算執行優先次序并根據設定的優先次序進行輻射遷移計算或劑量計算或輻射強度分布計算，該云計算服務器通過該網絡通信模塊根據數據來源傳回對應的主控端。

作為一種優選的重要因素，有必要對治療計劃系統保護病患隱私。在此提出，該至少一個主控端的每個主控端去除病患信息只提供識別代碼并進行數據加密傳送給該云計算服務器。

為了達到更高層級的病患信息保密，有必要采取從云計算服務器中進行解密、計算并重新加密。具體地，該云計算服務器對從該至少一個主控端的每個主控端傳送來的數據進行解密并判斷計算執行病患的優先次序。該云計算服務器對從該至少一個主控端的每個主控端傳送來的數據先后經過輻射遷移計算或劑量計算或強度分布計算后對計算后的數據進行加密并將該計算后的數據傳送回各自對應的主控端。

該基于云計算的治療計劃系統用于中子捕獲治療系統以及利用蒙特卡羅法或決定論法進行該輻射遷移計算或劑量計算或強度分布計算，其中該蒙特卡羅法根據輻射與物質的作用截面，隨機地模擬輻射與發生物質各種可能的作用，并根據所發生的反應，針對二次產物進行模擬計算并對沉積在物質中的能量或強度或通量或流量進行記分，該決定論法采用經驗公式或函數庫或資料庫通過數學算法求出物質中的能量或強度或通量或流量或劑量。

本發明的另一方面提供了一種上述基于云計算的治療計劃系統的使用方法，其中：該使用方法包括該至少一個主控端的每個主控端定義照射與被照體幾何、器官、腫瘤范圍、材質、照射角度及設定相關計算所需參數的步驟；該至少一個主控端的每個主控端提出計算要求并通過該網絡通信模塊將計算數據傳送至云計算服務器的步驟；該云計算服務器判斷計算執行優先次序并根據設定的優先次序進行輻射遷移計算或劑量計算或輻射強度分布計算的步驟；以及該云計算服務器通過該網絡通信模塊根據數據來源傳回對應的主控端的步驟。

作為一種優選的重要因素，有必要對治療計劃系統的使用方法中加入保護病患隱私的步驟。在此提出，該使用方法進一步包括該至少一個主控端的每個主控端去除病患信息只提供識別代碼并進行數據加密傳送給該云計算服務器的步驟。

為了達到更高層級的病患信息保密，有必要采取從云計算服務器中進行解密、計算并重新加密的步驟。具體地，該使用方法進一步包括該云計算服務器對從該至少一個主控端的每個主控端傳送來的數據進行解密并判斷計算執行病患的優先次序的步驟；該使用方法進一步包括該云計算服務器對從該至少一個主控端的每個主控端傳送來的數據先后經過輻射遷移計算或劑量計算或強度分布計算后對計算后的數據進行加密并將該計算后的數據傳送回各自對應的主控端的步驟。

該使用方法用于中子捕獲治療系統以及利用蒙特卡羅法或決定論法進行該輻射遷移計算或劑量計算或強度分布計算，其中該蒙特卡羅法根據輻射與物質的作用截面，隨機地模擬輻射與發生物質各種可能的作用，并根據所發生的反應，針對二次產物進行模擬計算并對沉積在物質中的能量或強度或通量或流量進行記分，該決定論法采用經驗公式或函數庫或資料庫通過數學算法求出物質中的能量或強度或通量或流量或劑量。

附圖說明

圖1是硼中子捕獲反應示意圖。

圖2是¹⁰B(n,α)⁷Li中子捕獲核反應方程式。

圖3是本發明實施例中的基于云計算的治療計劃系統的人機架構示意圖。

圖4是本發明實施例中的基于云計算的治療計劃系統的設備結構示意圖。

圖5是本發明實施例中的基于云計算的治療計劃系統的邏輯框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施例做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

作為一種優選地，以用于中子捕獲治療的基于云計算的治療計劃系統為本發明的實施例。下面簡單介紹一下中子捕獲治療。

中子捕獲治療作為一種有效的治療癌癥的手段近年來的應用逐漸增加，其中以硼中子捕 獲治療最為常見，供應硼中子捕獲治療的中子可以由核反應堆或加速器供應。本發明的實施例以加速器硼中子捕獲治療為例，加速器硼中子捕獲治療的基本組件通常包括用于對帶電粒子(如質子、氘核等)進行加速的加速器、靶材與熱移除系統和射束整形體，其中加速帶電粒子與金屬靶材作用產生中子，依據所需的中子產率與能量、可提供的加速帶電粒子能量與電流大小、金屬靶材的物化性等特性來挑選合適的核反應，常被討論的核反應有⁷Li(p,n)⁷Be及⁹Be(p,n)⁹B，這兩種反應皆為吸熱反應。兩種核反應的能量閥值分別為1.881MeV和2.055MeV，由于硼中子捕獲治療的理想中子源為keV能量等級的超熱中子，理論上若使用能量僅稍高于閥值的質子轟擊金屬鋰靶材，可產生相對低能的中子，不須太多的緩速處理便可用于臨床，然而鋰金屬(Li)和鈹金屬(Be)兩種靶材與閥值能量的質子作用截面不高，為產生足夠大的中子通量，通常選用較高能量的質子來引發核反應。

中子捕獲治療系統通常為中子和光子的混合輻射場，相對于一般的重粒子治療系統，中子輻射源對于材料的要求要更加精確，天然材質中不同的同位素與中子作用之后的差異有可能是巨大的，而與光子作用之后的差異有可能很小。這就導致在設置用于中子捕獲治療系統的基于云計算的治療計劃系統時，需要對各種材質的定義和計算要非常精確。

不論是決定論或是蒙特卡羅模擬類型的治療計劃系統，皆須仰賴大量的計算機運算資源，而目前治療計劃系統的執行主機多架設于治療設施周邊。隨著云計算技術的發展，現已可使用超級計算機或叢集系統建置云計算服務器，而透過網絡連接的方式，可以輕易地達成呼叫、運算、傳回結果的工作。因此，本發明人構想一種基于云計算的治療計劃系統，其架構包含多個治療設施端的主控端(控制主機)、一個高能云計算服務器及加密通信網絡布局。治療設施端的控制主機，主要負擔定義照射、定義幾何、定義材質、設定處理優先權、圈選ROI、計算數據處理與展示及輸出報表等治療計劃相關工作(除遷移計算工作)，而云計算服務器則負責接受及執行計算要求，同時并可以根據要求中的優先權重，予以排定計算次序。此外，為保障病人隱私及醫療信息安全，控制主機與云計算服務器的連接皆經過加密。大致連接結構為:主控端提出計算要求->進行數據加密->計算云接受要求并解密->判斷優先權->排隊并完成計算->完成計算并輸出結果->進行數據加密->主控端接受計算結果并解密。

下面請參照附圖3-5，將具體闡述本發明實施例中的基于云計算的治療計劃系統及其使用方法。

該治療計劃系統包括至少一個主控端(附圖作為一種優選地顯示了主控端#1對應于醫生#1和物理師#2，主控端#2對應于醫生#2和物理師#2，主控端#n對應于醫生#n和物理師#n)、網絡通信模塊及云計算服務器，該網絡通信模塊與該至少一個主控端及該計算服務器通信連接，該至少一個主控端的每個主控端用來定義照射與被照體幾何、器官、腫瘤范圍、材質、 照射角度、優先權重及設定相關計算所需參數，該至少一個主控端的每個主控端提出計算要求并通過該網絡通信模塊將計算數據傳送至云計算服務器，該云計算服務器用來判斷計算執行優先次序并根據設定的優先次序進行輻射遷移計算或劑量計算或輻射強度分布計算，該云計算服務器通過該網絡通信模塊根據數據來源傳回對應的主控端。

本領域技術人員熟知的，每個主控端對應有一名醫生和一名物理師。當然，也可以對應多名醫生和多名物理師，這些可以根據實際情況進行調整。主控端包含至少一個控制主機，而其他個數也很容易根據計算量的大小進行調整。

作為一種優選的重要因素，有必要對治療計劃系統保護病患隱私。在此提出，該至少一個主控端的每個主控端去除病患信息只提供識別代碼并進行數據加密傳送給該云計算服務器。

為了達到更高層級的病患信息保密，有必要采取從云計算服務器中進行解密、計算并重新加密。具體地，該云計算服務器對從該至少一個主控端的每個主控端傳送來的數據進行解密并判斷計算執行病患的優先次序。該云計算服務器對從該至少一個主控端的每個主控端傳送來的數據先后經過輻射遷移計算或劑量計算或強度分布計算后對計算后的數據進行加密并將該計算后的數據傳送回各自對應的主控端。

該基于云計算的治療計劃系統用于中子捕獲治療系統以及利用蒙特卡羅法或決定論法進行該輻射遷移計算或劑量計算或強度分布計算，其中該蒙特卡羅法根據輻射與物質的作用截面，隨機地模擬輻射與發生物質各種可能的作用，并根據所發生的反應，針對二次產物進行模擬計算并對沉積在物質中的能量或強度或通量或流量進行記分，該決定論法采用經驗公式或函數庫或資料庫通過數學算法求出物質中的能量或強度或通量或流量。

為了縮短云計算服務器的讀取時間，在主控端中顯示的影像被轉換成特定的占用存儲空間較小的二進制碼或文字碼然后傳送給云計算服務器，這樣云計算服務器就不需要讀取占用存儲空間很大的影像，從而大大的縮短了云計算服務器的讀取時間。當然，本領域技術人員熟知的，也可以采用其他非影像的編碼。這種存儲空間縮小了幾十至上百倍，時間上的優勢可想而知，并且仍然可以將二進制碼或文字碼進行壓縮后加密傳送給云計算服務器，從而進一步縮小存儲空間。

與上述基于云計算的治療計劃系統相對應的，本實施例提供一種上述基于云計算的治療計劃系統的使用方法，其中：該使用方法包括該至少一個主控端的每個主控端定義照射與被照體幾何、器官、腫瘤范圍、材質、照射角度、優先權重及設定相關計算所需參數的步驟；該至少一個主控端的每個主控端提出計算要求并通過該網絡通信模塊將計算數據傳送至云計算服務器的步驟；該云計算服務器判斷計算執行優先次序并根據設定的優先次序進行輻射遷移計算或劑量計算或輻射強度分布計算的步驟；以及該云計算服務器通過該網絡通信模塊根據數據來源傳回對應的主控端的步驟。

作為一種優選的重要因素，有必要對治療計劃系統的使用方法中加入保護病患隱私的步驟。在此提出，該使用方法進一步包括該至少一個主控端的每個主控端去除病患信息只提供識別代碼并進行數據加密傳送給該云計算服務器的步驟。

為了達到更高層級的病患信息保密，有必要采取從云計算服務器中進行解密、計算并重新加密的步驟。具體地，該使用方法進一步包括該云計算服務器對從該至少一個主控端的每個主控端傳送來的數據進行解密并判斷計算執行病患的優先次序的步驟；該使用方法進一步包括該云計算服務器對從該至少一個主控端的每個主控端傳送來的數據先后經過輻射遷移計算或劑量計算或強度分布計算后對計算后的數據進行加密并將該計算后的數據傳送回各自對應的主控端的步驟。

該使用方法用于中子捕獲治療系統以及利用蒙特卡羅法或決定論法進行該輻射遷移計算或劑量計算或強度分布計算，其中該蒙特卡羅法根據輻射與物質的作用截面，隨機地模擬輻射與發生物質各種可能的作用，并根據所發生的反應，針對二次產物進行模擬計算并對沉積在物質中的能量或強度或通量或流量進行記分，該決定論法采用經驗公式或函數庫或資料庫通過數學算法求出物質中的能量或強度或通量或流量。

為了縮短云計算服務器的讀取時間，在主控端中顯示的影像被轉換成特定的占用存儲空間較小的二進制碼或文字碼然后傳送給云計算服務器，這樣云計算服務器就不需要讀取占用存儲空間很大的影像，從而大大的縮短了云計算服務器的讀取時間。當然，本領域技術人員熟知的，也可以采用其他非影像的編碼。也就是說，有必要在基于云計算的治療計劃系統的使用方法中進一步包括將主控端的影像轉換為二進制碼或文字碼后傳送給云計算服務器。當然，本領域技術人員熟知的，也可以采用其他非影像的編碼，這樣便可以進一步有效地提高運算的效率。這種存儲空間縮小了幾十至上百倍，時間上的優勢可想而知，并且使用方法仍然可以包括將二進制碼或文字碼進行壓縮后加密傳送給云計算服務器的步驟，從而進一步縮小存儲空間。

本發明揭示的基于云計算的治療計劃系統及其使用方法并不局限于以上實施例所述的內容以及附圖所表示的結構。在本發明的基礎上對其中構件的材料、形狀及位置所做的顯而易見地改變、替代或者修改，都在本發明要求保護的范圍之內。