本发明涉及宫颈癌近距离放射治疗，具体为基于鲸鱼算法的宫颈癌放射治疗优化系统。
背景技术：
1、宫颈癌是一种临床上较为常见的妇科恶性肿瘤。中晚期宫颈癌一般采用放射治疗，其中包括两种治疗手段，外照射放疗和近距离放疗。近距离放疗是让放射源在驱动钢丝的引导下，通过中空的施源器针/管内部进入到肿瘤组织中，将放射源直接作用于肿瘤局部，从而实现对肿瘤的有效治疗。相比于其他放疗方式，近距离放疗具有精准度高、疗效好的优势，被广泛应用于临床实践中。
2、然而，在近距离放疗的治疗计划中存在一些关键问题；其中之一是针道放置问题，另一个关键问题是剂量规划问题；
3、剂量规划问题是肿瘤近距离放射治疗一个重要问题，肿瘤组织所受到的剂量等于每个放射源在肿瘤中的剂量分布率与该放射源在针道中驻留时间的乘积之和。因为放射源的剂量分布率可以根据tg-43协议计算得到，所以剂量规划主要是优化在针道中每个放射源的驻留时间，从而使肿瘤器官达到放疗处方剂量，同时尽量减少正常组织(如：子宫前方的膀胱和后方的直肠)所受到放疗剂量。目前剂量规划主要靠医生对肿瘤ct图像进行三维重建后运用软件进行辅助，是一个经验性的过程；
4、另一个关键问题是针道规划，即使用多少个针道、在具体什么部位、以何种角度植入等。针道的数量与其位置方向直接决定放射治疗的效果。目前，针道的放置依赖于医生的经验和直觉进行规划，主观性非常强，这种主观的规划方式导致了不同医生给出的布针方案必然存在较大差异，且在操作前难以明确预判优劣。
5、为此，我们提供基于鲸鱼算法的宫颈癌放射治疗优化系统。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供基于鲸鱼算法的宫颈癌放射治疗优化系统，通过对针道位置和方向以及驻留时间进行预计划，针对近距离放疗的适形度指标进行优化；同时在模型中加入针道稀疏优化，尽量减少布针数量和放射源驻留点数量，减少医生的工作量，减少患者的组织损伤及伴随而来的疼痛，采用改进的鲸鱼优化算法快速求解逆向优化问题，具体方法为首先建立近距离放疗逆向优化的优化模型，并进行离散化求解，计算出三维剂量分布；以解决上述背景技术中提出的问题。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于鲸鱼算法的宫颈癌放射治疗优化系统，包括以下步骤：
3、s1.定义针道位置和方向：
4、如果在一次近距离放疗中使用n根针，在模型中，假设第i个针道长度为li，放射源在针道中以间隔距离d依次驻留，则有个的驻留位置；第i根针道的位置和方向可以由一个点和一个方向矢量vi＝[αi，βi，γi]t加以表示；一旦针道的位置和方向确定，则放射源在针道上的驻留位置坐标也可被确定；第i根导管上的第j个驻留位置的驻留时间用tij来表示；设和分别是由pi和vi组成的矩阵；而是驻留时间矩阵，其中没有相应驻留时间数据的元素被替换为零；
5、s2.建立辅助治疗规划的最优控制模型：
6、本发明包含加权的适形度指标和危及器官剂量学指标，同时加入减少针道中放射源驻留位置数的目标函数；在一定约束函数条件下，通过调整针道的点p和方向矢量v，以及驻留时间矩阵t，寻找使目标函数最小化的最优解
7、
8、在问题(1)中，coin为适形度指标的定义为
9、
10、其中为针道所有可行位置的集合，为针道所有可行方向的集合，tmax为放射源点在一个位置的最大驻留时间，s0为所有危及器官的集合；为表示目标靶区受到处方剂量的p的覆盖率，ptvref是目标靶区受到处方剂量的体积，totref为目标靶区和危及器官受到处方剂量的总体积，为第s个危及器官受到处方剂量的p的覆盖率，这个取值介于[0，1]之间，为n个危及器官受到处方剂量p的覆盖率的平均值；为实现放疗放射源稀疏优化，将时间tij组成的二阶矩阵转换成二阶矩阵表达式如下：
11、
12、对于一个尺寸为n1×n2的二阶矩阵其范数定义如下：
13、
14、s3.设计改进的鲸鱼优化算法求解：
15、每次迭代时，通过随机数p的取值和系数向量a的模来决定每头鲸鱼的位置更新策略(包围猎物、攻击猎物和搜寻猎物)；随着迭代的进行，鲸鱼种群不断向最优解靠拢；假设是一个d维的鲸鱼种群，其中每一个向量表示第iter次迭代时第i个鲸鱼的位置；
16、鲸鱼优化算法每次迭代需要计算每只鲸鱼的个体适应度f，在本发明中，个体适应值的值由目标函数计算得出；搜寻最优解的过程主要通过在每次迭代次数中，在种群中搜寻更小的适应度的鲸鱼，寻找到当前种群中最小的个体适应度fbest，更新当前迭代次数时的最优鲸鱼位置，以接近最优解；通过迭代itermax次，找到最优位置xbest，和最小个体适应度(目标函数最小值)；
17、s4.将高适形逆向优化方法应用于宫颈癌，并进行仿真实验：
18、以一个宫颈癌患者的真实数据为例，将前文所述的宫颈癌近距离放射治疗优化模型应用于宫颈癌近距离放射治疗计划上，进行仿真实验，验证所提出算法的可行性和优越性，收集并绘制实验数据。
19、优选的，所述搜寻规则主要由下列三种搜索规则组成：
20、(1)包围猎物规则是种群中鲸鱼在捕食猎物时会向最佳鲸鱼位置靠近，新的鲸鱼位置由(4)式进行更新
21、
22、
23、其中为第iter次迭代位置最优的鲸鱼，为第i个鲸鱼的位置；
24、(2)攻击猎物规则是鲸鱼特有的吐气泡捕食方法，鲸鱼会以螺旋更新的方式向最优位置的鲸鱼靠近。新的鲸鱼位置由(5)式进行更新
25、
26、
27、其中为第iter次迭代位置最优的鲸鱼，为第i个鲸鱼的位置；
28、(3)搜寻猎物规则是鲸鱼在捕食的时候，当前鲸鱼个体不会向最优位置鲸鱼靠近，而是随机选择一条鲸鱼靠近，在此方法可能会使得鲸鱼个体偏离最优解，但可以增加整个鲸鱼种群的全局搜索能力；在算法中，此规则可以增加算法对解空间的搜索能力，避免陷入局部最优解；新的鲸鱼位置由(6)式进行更新
29、
30、
31、其中为第iter次迭代时种群中随机一只鲸鱼的位置，为第i个鲸鱼的位置；
32、与为鲸鱼优化算法中两个参数，本算法和中，参数的迭代公式如下：
33、
34、
35、其中rand为(0，1)区间随机数，cmax＝2.2，cmin＝0.1，
36、itermax为最大迭代次数。
37、优选的，所述和搜寻猎物规则鲸鱼位置的迭代公式，采用非线性更新策略更新中的参数a，具体公式如下：
38、
39、其中amax为a的上界，amin为a的下界。
40、优选的，所述搜索规则中的包围猎物规则中加入随机差分变异防止过早收敛
41、
42、其中r1，r2为(0，1)区间随机数，为第i次迭代时随机一只鲸鱼的位置。
43、优选的，所述优化模型中，将矩阵p，v，t矢量化为一个高维列向量，并作为鲸鱼优化算法中每个鲸鱼位置变量x，具体表示为：
44、根据基于鲸鱼算法的宫颈癌放射治疗优化系统，所述改进鲸鱼优化算法如下所示：
45、步骤1，定义输入参数，包括鲸鱼的总数量i，鲸鱼的位置变量维数d，最大迭代次数itermax，参数c的最大值与最小值cmax，cmin；
46、步骤2，初始化i只鲸鱼，对于每只鲸鱼i，随机初始化位置向量xi，个体最佳适应度初始化为正无穷；
47、步骤3，初始化鲸鱼种群最佳位置xbest为空向量，鲸鱼种群最佳适应度fbest初始化为正无穷；
48、步骤4，进行迭代，直到达到最大迭代次数itermax；在每轮迭代中执行如下操作：
49、4.1对于每只鲸鱼k，检查鲸鱼位置xi是否满足约束条件，如果不满足，则将xk设置为满足约束条件的最近位置(上界或下界)；
50、4.2更新惯性参数aiter，citer，更新权重ωiter；
51、4.3通过目标函数评估当前鲸鱼位置xi的适应度值f；
52、4.4如果f小于个体最佳适应度fbest，则更新fbest为f，xbest为xi；
53、4.5根据搜索规则更新第i只鲸鱼位置；
54、4.5.1如果生成的随机数且运用包围猎物规则更新第i只鲸鱼位置；
55、4.5.2如果生成的随机数运用搜寻猎物规则更新第i只鲸鱼位置；
56、4.5.3如果生成的随机数运用攻击猎物规则更新第i只鲸鱼位置；
57、步骤5，结束迭代后返回群体最佳位置xbest；
58、通过该算法输出的鲸鱼种群最佳位置xbest，可以得到满足优化模型的约束条件并最小化目标函数的最佳的导管定点矩阵p和方向矩阵v，以及驻留时间矩阵t。
59、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
60、本发明可对患者进行精确的近距离放射治疗，解决插植针放置和剂量规划问题；同时，使用改进的鲸鱼优化算法来求解，提高了计算目标函数的效率；通过优化导管位置和角度以及驻留时间，并考虑规划靶区的适形度指标和危及器官的剂量学指标，实现了高精度的治疗效果；且有效降低了治疗过程中对危及器官的辐射损伤，最大程度地减少对周围健康组织的伤害，提高了治疗的安全性和疗效。
1.基于鲸鱼算法的宫颈癌放射治疗优化系统，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于鲸鱼算法的宫颈癌放射治疗优化系统，其特征在于：所述搜寻规则主要由下列三种搜索规则组成：
3.根据权利要求2所述的基于鲸鱼算法的宫颈癌放射治疗优化系统，其特征在于：所述和搜寻猎物规则鲸鱼位置的迭代公式，采用非线性更新策略更新中的参数a，具体公式如下：
4.根据权利要求3所述的基于鲸鱼算法的宫颈癌放射治疗优化系统，其特征在于：所述搜索规则中的包围猎物规则中加入随机差分变异防止过早收敛
5.根据权利要求4所述的基于鲸鱼算法的宫颈癌放射治疗优化系统，其特征在于：所述优化模型中，将矩阵p，v，t矢量化为一个高维列向量，并作为算法中每个鲸鱼的位置变量x，具体表示为：
6.根据权利要求5所述的基于鲸鱼算法的宫颈癌放射治疗优化系统，其特征在于所述改进鲸鱼优化算法如下所示：
