imrt多目标逆向计划系统平台的设计与可行性分析

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1、浙江工业大学硕士学位论文第1章绪论1．1概述癌症是危害人类健康的重大疾病之一。据世界卫生组织预测⋯，当前每年大约有1100万人被诊断为癌症患者。到2020年，世界每年大约会有1600万新发癌症患者。目前我国的癌症患者数量大概是310万，每年新增发病的人数大概是220万，每年的死亡人数是160万【21。放射治疗主要用于恶性肿瘤的治疗，它与手术治疗(外科肿瘤学)、化学治疗(内科肿瘤学)组成了恶性肿瘤治疗的三大治疗手段。国内外的数字统计表明，约有70％左右的癌症患者需要不同程度(单纯放疗或与手术、药物配合治疗)地接受放射治疗‘

2、31。放射治疗的根本目的是尽力提高放射治疗的增益比，即最大限度地杀灭肿瘤细胞并使周围的正常组织和重要器官得到有效保护。放射治疗的基本原理是当射线达到一定剂量时，射线照射对病变细胞有抑制和杀伤作用，射线通过直接效应和间接效应置癌细胞于死地【3J。随着计算机技术、放射物理学、放射生物学、数字图像处理等技术的发展，放射治疗也从最初的常规放射治疗到三维适形放射治疗，发展到今天的调强放射治疗。1．2调强放射治疗1．2．1调强放射治疗概述调强放射治疗(IntensnyModulatedRadiationnlerapy，IMI盯)是在

3、三维适形放射治疗的基础上发展起来的一种更加精确的放射治疗技术。通过对照射野射束剂量的调节使高剂量区的形状与肿瘤的实际形状在三维方向上一致，同时尽可能的减少对肿瘤周围正常组织‘(NonllalTissue，NT)及危及器官(O曜aIlatrisk，OAR)的照射剂量。’剂量分布的三维适形性有以下两点要求：(1)、在照射方向上，照射野的形状必须与靶区的形状一致；(2)、要使靶区内及表面的剂量处处相等。只满足第一项要求的称为三维适形放射治疗(3DConfonIlallⅫiation浙江工业大学硕士学位论文111er印y，3D—

4、CRT)，IMRT必须同时满足上述两点要求。IMRT的出现是放射肿瘤学史上的一次变革，它目前正逐步成为本世纪放射治疗技术的主流f3，4l。1．2．2调强放射治疗的发展历史20世纪70年代Bjarngard，Kijewski及其同事于首先提出调强适形放射治疗(IMRT)的概念【5’8】。由于当时的剂量计算模型和计算机技术、控制技术等条件的限制，IMRT还不能在临床上实现。随着多叶准直器(MultileafCollhacor，MLC)和计算机控制系统的建立和发展，为调强放射治疗的发展提供了硬件支持和保证【引。1982年，Br

5、ahme等采用挡块和楔形板实现了一维调强，获得了均匀的环形剂量分布【10】。1988年，B瞄lnle在其论文中首次提出了逆向计划优化调强照射束，从而为IMI玎的普及和推广提供了软件上的支持l¨l，此后，调强放射治疗进入了一个飞速发展的阶段。1989年，w．ebb首次将模拟退火算法引入逆向计划优化中112】。1990年，Bortfeld等将快速梯度算法引入到逆向优化中f13】。1994年，Bortfeld和Boyer实现了世界上第一个IMI玎系统，同年Nomos公司利用MIMIC准直器和模拟退火算法开发出第一个商用的调强放

6、射治疗逆向计划系统111．m垮】。之后，VA对AN，SIEMENS，CMS和ToPSLANE等公司相继推出了各具特色的IMRT放疗计划系统。目前，IMI玎已经进入了一个飞速发展的时期。1．2．3调强放射治疗的逆向计划放射治疗计划分为正向和逆向两种，正向计划和逆向计划的对比如图卜1所示。逆向计划正向计划根据要达到的治疗效果设置目标函数、／优化射柬参数(方向、强度分布等)～t计算硬件参数图卜1正向计划与逆向计划对比图2浙江工业大学硕士学位论文正向计划中，医生或计划制定者按治疗的要求，凭经验选择射线种类、射线能量、射野形状、方

7、向、射野剂量权重、外加挡块或楔形板等，通过模拟计算出相应的剂量分布，并人为地对计划结果进行评估，如果不满足要求，则对以上参数进行调节，反复进行，直到满足设计着要求，治疗方案确定。因此正向计划是一种尝试性的工作模式，在此模式下计划制定者的经验占主导因素，找到可接受的治疗方案的过程可能很困难。逆向计划的过程根据靶区(P1籼ing伢getVolumePTV)的预定剂量分布和周围危及器官、正常组织的剂量限定(称为目标函数)，利用优化算法，自动寻找最好的布野方式和强度分布，使其最大可能地接近预期目标【l引。这种方式是正向计划的逆过

8、程，所以称为逆向计划。在进行逆向计划的过程中，由于涉及的目标函数多、变量个数多、计算量大，所以这是一个大规模的优化问题，能完成这样的计划过程的系统称为逆向计划系统(InVerSePl猢ingSystem)。1．2．4调强放射治疗的实现方式调强放射治疗的实现方式主要有以下几种类型f3】：(1)二维物理补偿器；(2)多叶