精確放射治療劑量計算及方案優(yōu)化方法研究.pdf

1、放射治療是治療腫瘤的主要方法之一。在放射治療系統(tǒng)中進行精確計劃是實現(xiàn)精確放射治療的重要環(huán)節(jié)，而精確的放射劑量計算方法及快速、有效的調(diào)強優(yōu)化算法是制定高質(zhì)量放療方案的前提和保障。
　　本文主要致力于筆形束劑量計算方法和方案優(yōu)化算法的研究，在總結(jié)現(xiàn)有放療劑量計算方法及方案優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上，對已有的經(jīng)典筆形束算法進行改進，增加劑量計算的精度;在調(diào)強放射治療中，將等效凸生物準則應用到方案優(yōu)化的目標函數(shù)中，保證方案優(yōu)化結(jié)果為全局生物最優(yōu)。在

2、上述工作的基礎(chǔ)上，我們進一步研究了調(diào)強放射治療中隨機幾何不確定性的校正問題以及自適應放射治療中最佳重新規(guī)劃時間和次數(shù)的問題。
　　在調(diào)強放射治療過程中，筆形束算法經(jīng)常被用來計算劑量分布。在第一部分中，提出了一種新的筆形束模型來計算非均勻介質(zhì)中的光子劑量分布。為了校正由傾斜的筆形束核所引入的計算誤差并縮短校正過程所花費的計算時間，使用不同射線源到皮膚表層距離(distancefrom source to surface，DSS)的筆

3、形束核在球殼坐標系統(tǒng)中計算劑量分布，并分別采用疊加算法和快速傅立葉變換算法計算劑量分布。為了增加疊加劑量計算方法的計算精度，通過移動射束在體模表層入射點的位置和修改對應射束筆形束核的DSS，對深度分量進行校正，從而直接使用密度拉伸算法在當前球殼上對剖面分量進行校正，而無需考慮不同深度的球殼上的密度信息。在不考慮側(cè)向非均勻介質(zhì)分布的情況下，可以在每層球殼上直接使用快速傅立葉變換算法對劑量計算進行加速，減少了劑量計算所需時間。實驗結(jié)果表明，

4、疊加劑量計算方法的精度高于經(jīng)典筆形束算法;FFTC方法的精度較低，但是相比疊加劑量計算方法，計算速度提升了近40倍。
　　正常組織并發(fā)癥概率(normal tissue complication probability, NTCP)準則與臨床治療密切相關(guān)，它可以直接估算在任何劑量分布下正常組織出現(xiàn)并發(fā)癥的概率。但是，在引入NTCP這一生物因子參與調(diào)強放療注量圖優(yōu)化的過程中，NTCP準則是關(guān)于注量分布的非線性、非凸函數(shù)。逆向計劃中，

5、直接在目標函數(shù)中使用NTCP準則增加了求解優(yōu)化問題的難度。在第二部分中，我們將等效凸NTCP準則應用到逆向方案優(yōu)化中，并與其它方案優(yōu)化算法進行了比較。在逆向計劃中，我們使用基于物理-生物準則的混合目標函數(shù)，其中等效凸NTCP準則被用來減少正常組織所接收到的劑量照射，物理準則被用來控制靶區(qū)劑量的分布?？偰繕撕瘮?shù)是基于NTCP準則的子目標函數(shù)和基于物理準則的子目標函數(shù)的加權(quán)和。采用基于梯度的優(yōu)化算法，即limited-memory Broy

6、den-Fletcher-Goldfarb-Shanno算法，來求解大規(guī)模受限最小化優(yōu)化問題。新算法還與基于劑量-體積準則的優(yōu)化算法以及其它兩種基于NTCP準則的優(yōu)化算法在10例前列腺腫瘤患者上進行了對比實驗。實驗結(jié)果表明，利用新算法可以得到臨床可接受的放射治療計劃，且相比其它兩種優(yōu)化算法，新算法所得放射治療計劃質(zhì)量更高，所需計算時間更短。
　　由于隨機誤差具有有限的反應時間及不規(guī)則的運動形式，放射治療中固有的隨機幾何不確定性不能

7、被完全消除。在第三部分中，提出一種新的反卷積算法來校正隨機幾何不確定性。新算法由序列展開方法和巴特沃斯濾波器構(gòu)成。為了抑制反卷積結(jié)果中的高頻分量，只取序列展開式的前4項。根據(jù)不同的隨機幾何不確定性的概率密度函數(shù)調(diào)整巴特沃斯濾波器的參數(shù)，進一步濾除反卷積結(jié)果中的高頻分量來縮小靜態(tài)注量圖和卷積后注量圖的差異，特別是在射野的邊緣位置處。為了減少靶區(qū)外正常組織接收到的劑量照射，魯棒注量圖在射野外的注量分布被置為零。實驗結(jié)果表明，新算法提升了放射

8、治療的質(zhì)量且滿足臨床放射治療的要求。
　　放射治療過程通常持續(xù)一個月之久，期間需要根據(jù)患者及腫瘤變化情況重新制定放射治療方案。完全重新規(guī)劃的工作量非常大，包括重新進行CT掃描、器官勾畫和計劃設(shè)計等。由于醫(yī)療資源有限，不可能為每個病人在每次分次照射之前進行重新規(guī)劃。但是，可以使用有限次數(shù)的重新規(guī)劃，最大程度地改善病人的放射治療質(zhì)量。在第四部分中，主要研究了離線自適應放射治療算法，提出了一種確定離線自適應放射治療中最佳重新規(guī)劃時間及次