放射治疗计划的自动优化及再优化关键技术研究

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1、南方医科大学2011级博士学位论文放射治疗计划的自动优化及再优化关键技术研究ResearchofRe-optimizationforAdaptiveRadiotherapyandAutomatedTreatmentPlanning课题来源：国家自然科学基金面上项目(30970866)广东省战略性新兴产业核心技术攻关(2011A081402003)学位申请导师姓专业名培养类培养层袄柱聿人李楠名周凌宏称生物医学工程型学术型次博士研究生院生物医学工程学院答辩委员会主席答辩委员会委员邓小武刘小伟张书旭吕庆文田联房2014年4月30日广州I博士学位论文放射治疗计划的自动优化及再优化关键技术研究

2、博士研究生：李楠指导教师：周凌宏摘要放射治疗是恶性肿瘤的主要治疗手段之一，有超过50％的恶性肿瘤患者需要接受放射治疗，因而促进放射治疗技术的发展，研究如何提高放射治疗的质量有着重要的意义。放射治疗的目的是在杀死肿瘤细胞的同时尽可能少地影响正常细胞，即最大限度的将放射线的剂量集中到病变(靶区)内，杀灭肿瘤细胞，从而使周围正常组织和器官少受或免受不必要的照射。当前临床上最常用的放射治疗技术主要包括常规的三维适形放射治疗(Thl℃e．DimensionalConformalRadiationTherapy,3DCRT)和调强放射治疗(IntensityModulatedRadiationT

3、herapy,瓜tRT)。3DCRT采用多个方向的均匀强度照射野，并在照射野方向上保证照射野形状与靶区投影相一致。而IMRT则除了满足前面的条件外，还可以通过在射束剖面上产生非均匀的辐射强度分布，达到剂量分布的三维适形，同时使剂量强度在肿瘤部位均匀分布，并且周边的非靶区组织能够尽可能地避免不必要的辐射，明显提高治疗精度。相比3DCRT，IMRT的最大特点是在计划靶区(PlanningTargetVolume，PTV)边缘剂量陡峭下降，从而能够有效的保护与PTV近邻的危及器官(OrganAt黜Sl【，OAR)，具有靶区内照射剂量大、分布均匀：靶区外周围正常组织受照射剂量小：靶区的定位和

4、照射准确等优点。虽然IMRT能使剂量分布在靶区边缘陡峭下降，形成较高剂量梯度，在理论上提高了肿瘤的处方剂量，同时减少关键正常器官的受照剂量。但是，该高剂中文摘要量梯度也使IMRT对摆位误差、呼吸运动和器官变形等因素更加敏感，较小的器官运动或者变形将会导致靶区遗漏，或使关键器官卷入高剂量区，导致肿瘤局部未控或是关键器官受到过量照射。近年来，锥形束CT(ConeBeamCT,CBCT)技术广泛应用于图像引导放射治疗(ImageGuidedRadiotherapyTreatment，IGRT)的病人摆位校正过程中，该方法在一定程度上可以提高放射治疗的准确性。但是，由于在传统的肿瘤放射治疗过

5、程中，通常采用分次治疗方式，而治疗计划的模拟引导设计是基于肿瘤患者治疗前的解剖影像完成的，并在随后的分次治疗过程中使用同一个治疗计划。随着治疗过程的进行，患者的解剖结构和靶区位置形状会发生变化，与治疗前不再一致，这样必定会影响治疗计划的质量。为了解决这一问题，越来越多的科研人员开始研究自适应放射治疗(AdaptiveRadiationTherapy,ART)。ART的概念由美国Yan等，于1997年首次提出，它是以放射治疗机和各种成像设备的结合为基础发展起来的，在治疗前，甚至治疗整个治疗过程中采集患者的有关的图像信息，得到治疗靶区和危及器官的位置、运动和形变情况，在需要时根据病人当前

6、的解剖影像对初始计划进行重新优化或修改，生成新的计划再对病人实施放疗。由此可见，ART较好的弥补了传统放疗的局限性，大大提高了放疗实施的准确性和精确性。当前ART的实现方式可分为离线ART和在线ART，对于两种实现方式，放射治疗计划的修改或再优化都是其中最重要的组成部分。传统的放射治疗计划的逆向设计是一个多目标优化问题，即需要对靶区高剂量，关键器官和正常组织低剂量进行合理权衡。当前常用的解决方法是通过线性加权使其变成单目标优化问题，即在优化之前给各目标函数以相应的权重因子来表示计划者对其重要程度的权衡。由于权重因子在治疗前的未知性，使得治疗计划的优化成为一个需要计划制定者参与的反复迭

7、代试错的过程，因而传统治疗计划的优化设计是一个相当耗时耗力的过程。对于在线ART，由于患者躺在治疗床上等待治疗的进行，治疗计划必须实时的完成修改或再优化，从而使当前治疗计划的优化设计方法不再适用。另外，虽然离线ART对治疗计划的再优化的速度没有如Ⅱ博士学位论文此严格的限制，但在实际应用中若采用当前治疗计划的优化方法必然会影响效率，阻碍ART的临床实践。因而，如何快速的进行治疗计划的自动重新优化，成为了ART用于临床的关键所在。由以上分析可以看出，虽然IMR