三維靜態(tài)調(diào)強放射治療技術的研究.pdf

1、放射治療、手術和化療是腫瘤治療的三大主要手段,估計約60％-70％的腫瘤病人需要進行放射治療。調(diào)強放射治療(IMRT-IntensityModulationRadiotherapy)是在三維適形放射治療(3DCRT-threeDimensionConformalRadiotherapy)基礎上新近發(fā)展起來的更為先進的體外三維立體照射技術,它不僅能使高劑量區(qū)的形狀在三維方向上與腫瘤的形狀一致,而且可對照射野范圍內(nèi)各點輸出劑量率按要求的方式

2、調(diào)整,優(yōu)化配置射野內(nèi)各線束的權重,從而可以較大幅度的增加腫瘤劑量和減少正常組織的受量,極大地提高腫瘤控制率和降低正常組織并發(fā)癥的發(fā)生率。由此具有重要的放射生物學意義,已成為21世紀的放射治療的主流發(fā)展方向。
　　 但是,目前在國內(nèi)臨床上應用的IMRT系統(tǒng)僅被國外幾家大公司的產(chǎn)品所壟斷,無論是ScanditronixMM50回旋加速器的直接調(diào)強方式,還是以電動多葉準直器為代表的動態(tài)MLC技術(DynamicMLC,DMLC-IMR

3、T)和靜態(tài)MIC技術(step-and-shot,SMIC-MLC)的間接調(diào)強方式,前者約800萬美元的價格令國人望而退步,后者對直線加速器的自動控制和治療床的高精度要求,使目前我國現(xiàn)有的國產(chǎn)直線加速器和舊型進口加速器都無法滿足,此外其電動MLC及計劃系統(tǒng)不菲的價格也難以為中小醫(yī)院所接受。一方面是臨床上廣泛的迫切需要和必然發(fā)展趨勢,一方面是難以改變的價格以及硬件條件的瓶頸限制,IMRT技術難以廣泛進入我國的臨床放射治療,數(shù)以萬計的腫瘤患

4、者得不到最佳的治療。所以IMRT作為一種新的精確放療技術,無論從硬件還是軟件方面目前尚有許多問題需要解決和改進。為此,研究和開發(fā)能夠為廣大醫(yī)院接受的新型IMRT系統(tǒng)已成為國內(nèi)外研究的熱點。本論文綜述了國內(nèi)外IMRT的研究現(xiàn)狀,分析了目前在臨床應用的IMRT系統(tǒng)兩種主要方式(靜態(tài)和動態(tài)調(diào)強)的特點和不足；在已掌握的適形放射治療技術以及對計算機各類優(yōu)化算法的深刻理解的基礎上,結合我國現(xiàn)有的實際物質(zhì)條件和技術力量、經(jīng)濟水平,利用已經(jīng)掌握的靶區(qū)

5、(病變)及周圍重要器官的三維空間重建和體位精確重復定位技術,研制開發(fā)出適合中國國情的、具有自主知識版權、能為廣大中小型醫(yī)院接受并應用、具有較好性能價格比的三維靜態(tài)調(diào)強放射系統(tǒng),為此,所做的主要工作如下:
　　 1、靜態(tài)調(diào)強放射治療精確定位技術的研究眾所周知,待治病灶的精確定位是放射治療的前提和關鍵。它包括利用各種影像資料的準確顯示、三維重建、勾畫、病灶中心的坐標計算和機械定位裝置精確定位等多個過程。其中機械定位裝置是貫穿整個治療

6、過程的基準和橋梁,為此我們首先對體部精確定位技術及設備進行了研究,創(chuàng)新地提出分離式精確定位系統(tǒng)(“用于放射治療的體部精確定位系統(tǒng)”實用新型專利申請?zhí)?200620054436.5)改進了原JX-200適形放射治療系統(tǒng)中的整體式定位系統(tǒng),進一步提高了系統(tǒng)定位精度,并成功地解決了原定位系統(tǒng)各種不足和缺點。在此基礎上我們設計出新型頭頸部精確定位系統(tǒng),并取得很好的臨床應用效果。CT模擬定位放射治療系統(tǒng)是近年來迅速發(fā)展的一種定位方法,在本課題中我

7、們著重對其中的激光定位系統(tǒng)開展了研究,掌握了利用步進電機和單片機準確控制激光定位的方法,為今后在精確放射治療系統(tǒng)中擴展CT模擬定位功能奠定了基礎。最后緊跟目前調(diào)強放射治療的最新發(fā)展熱點,我們開展了基于外部特征的CT/PET異機圖像融合精確定位技術和基于圖像引導的動態(tài)跟蹤精確定位技術的初步研究。
　　 2、靜態(tài)調(diào)強放射治療計劃系統(tǒng)及優(yōu)化技術的研究IMRT作為一種新的精確放療技術,由于技術的復雜性,其優(yōu)勢還遠遠沒有發(fā)揮出來,尤其是治

8、療計劃設計目前尚有許多問題需要解決:如選擇合適的劑量計算模型和逆向計劃優(yōu)化方法等。隨著IMRT研究的深入和逆向治療計劃的發(fā)展,放射治療中如何自動選擇射野參數(shù)引起了廣泛關注,越來越多的科研人員加入到此項課題的研究行列中來。在IMRT治療計劃設計中,需要優(yōu)化的參數(shù)很多,包括射線能量、射束權重、射野方向等。常用優(yōu)化方法有:線性規(guī)劃法、均方優(yōu)化法、梯度方法、有約束模擬退火法和遺傳算法等。在本課題的研究中,我們建立了基于筆射束的劑量計算模型,用卷

9、積的方法和快速傅立葉變換(FFT)實現(xiàn)了精確劑量計算；用遺傳算對法對IMRT逆向計劃的筆射束權重進行了優(yōu)化；優(yōu)化過程中采用了基于劑量的目標函數(shù)來計算個體適應度的大小,建立了劑量均勻性約束和組織重要程度約束；用等劑量線、三維劑量分布和劑量-體積直方圖來評估計劃的優(yōu)劣。最后我們用Visualc＃成功開發(fā)了“GA-IMRT/200基于遺傳算法的調(diào)強放射治療計劃系統(tǒng)”并獲得國家計算機軟件著作登記(2006SR02586)。研究與實驗結果表明,遺

10、傳算法是一種有效的IMRT筆射束權重優(yōu)化方法,能夠在一個臨床可接受的計算時間內(nèi)得到較高適形度的劑量分布,在IMRT射野參數(shù)優(yōu)化中具有廣闊的應用前景。
　　 3、靜態(tài)調(diào)強放射治療實現(xiàn)方法和設備的研究目前在臨床上實現(xiàn)調(diào)強放射治療的方法主要有應用ScanditronixMM50回旋加速器法和利用多葉準直器法(靜態(tài)和動態(tài)IMRT)。對于應用回旋加速器實現(xiàn)IMRT,顯然與我國各級醫(yī)院的經(jīng)濟實力不符,而無論是應用NOMOS公司的Peacoc

11、k系統(tǒng)(MIMiC),還是應用各種進口動態(tài)多葉準直器(step-and-shot,SMLC),前者其對直線加速器的自動控制和治療床的高精度要求,使目前我國現(xiàn)有的國產(chǎn)直線加速器和舊型進口加速器都不能滿足；后者其價格和使用要求也難以為中小醫(yī)院所接受。所以研究和開發(fā)能夠為廣大醫(yī)院接受的新型IMRT系統(tǒng)也已成為我們研究目標和出發(fā)點。在本課題中我們首先開展了手動多葉準直器的研究,設計并研制了手動和半自動多葉準直器。然而它們因使用過于費時和繁瑣,遠

12、不能滿足調(diào)強放射治療的臨床實際應用。由此根據(jù)我國現(xiàn)狀和經(jīng)濟水平,我們認為通過采用三維熔鉛擋塊到達適形照射區(qū)域劑量分布變化從而實現(xiàn)靜態(tài)IMRT的方法,在臨床上具有特別重要的意義。為此,我們獨創(chuàng)地提出“利用切片法研制三維鉛擋塊實現(xiàn)調(diào)強放射治療”(發(fā)明申請?zhí)?021520763)的方法,并對此開展了實驗和研究。
　　 4、靜態(tài)調(diào)強放射治療系統(tǒng)實驗驗證及測試設備的研究三維水箱掃描系統(tǒng)是用于直線加速器定量測量模擬人體模型中射線劑量分布的設

13、備,可全自動連續(xù)掃描測量輻射吸收劑量。但三維水箱掃描系統(tǒng)主要依賴進口,價格昂貴。目前國內(nèi)各大醫(yī)院根據(jù)臨床實際應用需要,采用結構簡單但能實現(xiàn)主要的功能的成本低廉的劑量測量水箱,又稱標準水箱或標準水模。標準水箱設計了一個放水閥門(水龍頭),通過控制水龍頭放水至水桶里,實現(xiàn)水深度的減少。如果需要水深度的增加,就采用水杯從水桶舀水至水箱中。在實際測量中,這種工作模式存在測量效率低、勞動強度大、水位控制不精確、對電路及機器有不安全等不足,本項目組

14、為此研制的一種新型立體定向放射治療系統(tǒng)劑量測量水箱(實用新型專利申請?zhí)?200620054436.X)成功地解決了標準水箱上述不足,它具有水泵自動平穩(wěn)控制水位、快速、安全的特點。最后,我們開展了靜態(tài)調(diào)強放射治療系統(tǒng)實驗驗證研究,主要包括系統(tǒng)定位精度的檢驗、基于人形體模和自制有機玻璃均勻等效方形體模的兩種測量相結合的的實驗驗證與評估。其目的是對靜態(tài)調(diào)強放射治療系統(tǒng)進行定位精度和劑量驗證,前者是機械定位系統(tǒng)、計劃系統(tǒng)和直線加速器治療系統(tǒng)的綜