三維靜態(tài)調強放射治療技術研究

1、三維靜態(tài)調強放射治療技術研究 課題來源.三維靜態(tài)調強放射治療系統(tǒng)研究”,廣東省科技攻關項目業(yè)專 名 稱生物醫(yī)學工程學位申請人 陳超敏指 教導 師 陳光杰教授答辯委員會主席 岑人經教授答辯委員會成員 陳仲本教授林意群教授李偉鵬教授周凌宏教授論文評閱人陳武凡教授岑人經教授陳仲本教授年月日廣州瘤病人需要進行放射治療。調強放射治療是在三維適形放射治療基礎上新近發(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各點輸出劑量率按要求的方式調整,優(yōu)化配置射野內各線束的權重,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

2、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,已成為世紀的放射治療的主流發(fā)展方向。但是,目前在國內臨床上應用的系統(tǒng)僅被國外幾家大公司的產品所壟斷,無論是 回旋加速器的直接調強方式,還是以電動多葉準,.和靜態(tài)技直器為代表的動態(tài)技術術.,.的間接調強方式,前者約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)有的國產直線加速器和舊型進口加速器都無法滿足,此外其電動及計劃系統(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,技術難以廣泛進入我國的臨床放射治療,數以萬計的腫

3、瘤患者得不到最佳的治療。所以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摘要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)院接受的新型系統(tǒng)已成為國內外研究的熱點。本論文綜述了國內外的研究現(xiàn)狀,分析了目前在臨床應用的系統(tǒng)兩種主要方式靜態(tài)和動態(tài)調強的特點和不足;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)有的實際物質條件和技術力量、經濟水平,利用已經掌握的靶區(qū)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)調強放射系統(tǒng),為此,所做的主要

4、工作如下:、靜態(tài)調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)?.改進了原.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。模擬定位放射治療系統(tǒng)是近年來迅速發(fā)展的一

5、種定位方法,在本課題中我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)中擴展模擬定位功能奠定了基礎。最后緊跟目前調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叫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。、靜態(tài)調強放射治療計劃系統(tǒng)及優(yōu)化技術的研究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,尤其是治療計劃設計目前尚有許多問題需要解決:如選擇合適的劑博士學位論文量計算模型和逆向計劃優(yōu)化方法等。隨著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引起了廣泛關注,

6、越來越多的科研人員加入到此項課題的研究行列中來。在治療計劃設計中,需要優(yōu)化的參數很多,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,用卷積的方法和快速傅立葉變換實現(xiàn)了精確劑量計算;用遺傳算對法對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。最后我們用酣成功開發(fā)了“./基于遺傳算法的調強放射治療計劃系統(tǒng)并獲得國家計算機軟件著作登記。

7、研究與實驗結果表明,遺傳算法是一種有效的筆射束權重優(yōu)化方法,能夠在一個臨床可接受的計算時間內得到較高適形度的劑量分布,在射野參數優(yōu)化中具有廣闊的應用前景。、靜態(tài)調強放射治療實現(xiàn)方法和設備的研究目前在臨床上實現(xiàn)調強放射治療的方法主要有應用 回旋加速器法和利用多葉準直器法靜態(tài)和動態(tài)。對于應用回旋加速器實現(xiàn),顯然與我國各級醫(yī)院的經濟實力不符,而無論是應用公司的系統(tǒng),還是應用各種進口動態(tài)多葉準直器.,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)院接受的新型系統(tǒng)也已成為我

8、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,遠不能滿足調強放射治療的臨床實際應用。由此根據我國現(xiàn)狀和經濟水平,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摘要實現(xiàn)靜態(tài)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)調強放射治療發(fā)明申請?zhí)?的方法,并對此開展了實驗和研究。、靜態(tài)調強放射治療系統(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

9、格昂貴。目前國內各大醫(yī)院根據臨床實際應用需要,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)?.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

10、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)的綜合治療精度的檢驗;后者主要包括絕對劑量驗證和相對劑量驗證。關鍵詞調強放射治療精確定位系統(tǒng) 異機圖像融合圖像引導動態(tài)跟蹤遺傳算法筆射束權重優(yōu)化逆向治療計劃 多葉準直器切片法: .:. %?% .?, , ,., ,., .;博士學位論文 , ? , . :, ., .,. , ”:., , , .,./ ., . ,., ., , .?.舞.帶.”/ ”, ., ,.博士學位論文. . . ?.?,., ?. . .,.”,”

11、 :, . . . ., ., ., , .:., ,. , ,:., .; ; ; ; ;博士學位論文目 錄摘 要.。第章 緒論.研究背景.調強放射治療的發(fā)展歷史.調強放射治療系統(tǒng)組成及實現(xiàn)方法?.調強放射治療的技術原理.調強放射治療系統(tǒng)的組成與實施過程?.靜態(tài)、動態(tài)調強放射治療技術?.調強放射治療的國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向?.本課題的研究意義.本文內容安排.第章靜態(tài)調強放射治療精確定位技術的研究.體部精確定位技術及設備的研究?.技術領域及研究背景?.存在的問題.研究方案和創(chuàng)新設計?.材料與加工方法?.研究的特點與意義.頭頸部精確定位技術及設備的研究?。.技術領域和研究背景?.材料與方法?。

12、.臨床應用。.改進與討論.模擬放射治療系統(tǒng)的激光定位系統(tǒng)的研究?.技術背景?.模擬定位放射治療系統(tǒng)的組成和治療過程.模擬定位放射治療系統(tǒng)中的激光定位系統(tǒng).激光定位系統(tǒng)電路設計?.討論.目錄./圖像異機融合技術在腫瘤精確放射治療中的應用研究.問題的提出.技術背景與研究意義.研究目標與主要內容?.初步研究工作?。.基于圖像引導的動態(tài)跟蹤精確定位技術研究?.問題的提出.國內外研究現(xiàn)狀.研究目標和主要內容.動態(tài)跟蹤系統(tǒng)組成及實旌步驟?.討論.第章靜態(tài)調強放射治療計劃系統(tǒng)及優(yōu)化技術的研究?.研究背景.放射治療計劃系統(tǒng).計劃系統(tǒng)的關鍵技術.研究目的和意義?.本研究的主要內容?。.基于遺傳算法的子野權重優(yōu)化

13、技術的研究?.遺傳算法理論.三維光子卷積劑量計算模型的建立.遺傳算法算例測試.基于遺傳算法的子野權重優(yōu)化的實現(xiàn)。.系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境?.系統(tǒng)主要功能模塊設計。.系統(tǒng)評估方法與結果?.第章靜態(tài)調強放射治療實現(xiàn)方法和設備的研究?.手動多葉光柵的研制。.技術背景.設計要求與方案.多葉光柵系統(tǒng)總圖與說明?.系統(tǒng)性能測量方法與結果.討論?.應用切片法制作三維靜態(tài)調強器鉛擋塊的研究。博士學位論文.技術背景。 .材料與方法.可行性驗證實驗 .三維熔鉛器設計.討論?.?.第章靜態(tài)調強放射治療系統(tǒng)實驗驗證及測試設備研究?.新型劑量測量水箱的研制.技術背景。.材料與方法?.設計圖紙與改進.討論?.定位系統(tǒng)定位精度的實驗

14、驗證.實驗目的.測試方法.實驗工具和設備。.測試步驟。.測試結果.討論?.基于模體的劑量實驗驗證與評估.技術背景.實驗目的.實驗用設備儀器.驗證內容與方法.實驗結果.討論?.第章總結與展望.論文總結。.工作展望參考文獻博士期間發(fā)表的論文及取得的成果致謝?.學位論文原創(chuàng)性聲明?。目錄博士學位論文第章緒論.研究背景放射治療主要用于惡性腫瘤,它與手術治療和化學藥物治療一起,組成了腫瘤的三大治療手段。國內外數字統(tǒng)計表明,約有%的癌癥患者需要不同程度單純放射治療或與手術、藥物配合治療地接受放射治療。目前,隨著三大治療技術的不斷改進和發(fā)展,經治療后的腫瘤患者的五年生存率已經達到%以上,即約有半數的腫瘤患者

15、可以被治愈。放射治療與手術治療一樣,是一種局部治療手段,約有%的腫瘤治愈率是局部治療手段的貢獻【。原發(fā)腫瘤的局部控制是腫瘤治愈的先決條件。局部控制失敗,會導致腫瘤的局部復發(fā)和遠地轉移。已經有證據表明,通過采用新的或改進的治療方法,使腫瘤患者的原發(fā)局部腫瘤的控制率得到更有效地控制,就可以得到較高的治愈率。放射治療不僅是腫瘤局部治療的有效手段,而且它能夠不同程度地保留器官的功能,改進患者治愈后的生存質量。放射治療的根本目標是,最大限度地將放射線的劑量集中照射到病灶靶區(qū)內,殺滅腫瘤細胞,同時使周圍的正常組織 和關鍵器官.,免受或盡可能少受不必要的照射。從放射生物學角度來講,就是最大限度地增加腫瘤的局

16、部控制率,同時盡可能地減低周圍正常組織和關鍵器官的放射并發(fā)癥概率。大量的臨床報告已經證吲明,高劑量照射會提高腫瘤的局部控制率和無瘤生存率。而且病灶的體積越大,需要的腫瘤控制劑量一般越高。但對于目前的常規(guī)放療,由于擴大了周圍正常組織的照射范圍,所以就限制了腫瘤劑量的提高。而三維適形放療可望改善和解決腫瘤的局部控制率問題。三維適形放療 .作為一種治療技術,可以使得高劑量區(qū)計量分布的形狀在三維上與靶區(qū)的形狀一致。第章緒論常規(guī)的.只能實現(xiàn)在照射野方向上達到照射野形狀與靶區(qū)投影一致。而現(xiàn)在的調強適形放射治療.簡稱調強放療則除了滿足前面的條件外,還可以通過調整射野的輸出強度分布而使得高劑量分布在三維上與靶

17、區(qū)達到一致。的出現(xiàn)是放射腫瘤學史上的一次變革,它目前正逐步成為本世紀放射治療技術的主流【。與常規(guī)放射治療相比,存在很多的優(yōu)勢:采用了精確定位和重復固定技術,大大提高了靶區(qū)的定位和照射精度;采用了精確治療計劃即逆向計劃,實現(xiàn)了治療計劃的自動設計和優(yōu)化;采用了精確照射,即能夠優(yōu)化配置射野內各射束的權重,使靶區(qū)形狀和高劑量區(qū)分布的形狀在三維方向上與靶區(qū)的實際形狀一致,并可以使計劃靶區(qū)的劑量分布更均勻,同時可以在邊緣形成更陡的劑量梯度。采用精確定位、精確計劃、精確治療的“三精方式,其結果可以達到放射治療“四最”要求。即靶區(qū)受照射劑量最大、周圍下常組織受照射劑量最小、靶區(qū)的定位和照射最準確、靶區(qū)內劑量分

18、布最均勻。總之,腫瘤放射治療從早期的常規(guī)治療到適形放射治療,發(fā)展到現(xiàn)在的調強放療,經歷了一個并不算太長的過程。而且隨著計算機技術和電子技術等的迅猛發(fā)展,放療技術目前正進行著日新月異的變革。的實現(xiàn)從早期的以楔形板、補償器和正向計劃為基礎的初級階段,發(fā)展到現(xiàn)在的以多葉準直器.和逆向計劃為特點的現(xiàn)代,新技術、新方法層出不窮,治療效果也在不斷提高。下面我們首先簡單介紹調強放射治療的歷史發(fā)展,然后對調強放射治療的國內外研究現(xiàn)狀進行綜述。最后對本文的研究意義和要解決的問題進行闡述。.調強放射治療的發(fā)展歷史適形放射治療概念的提出和臨床研究最早開始于年。日本的及其同事一起,用自行設計的機械控制系統(tǒng)控制多葉準直

19、器的開口形博士學位論文狀與射野方向上的靶區(qū)投影形狀一致,圍繞患者進行旋轉適形治療。幾乎與此同時,及其同事獨立地提出了同步擋塊旋轉照射方法。其做法是,將特殊設計的鉛擋塊安裝在患者和機頭準直器之間,并能隨著機架或患者的旋轉作同步運動,保證鉛擋塊的形狀隨時與照射的靶區(qū)的投影形狀保持一致。這種方法由于懸掛的鉛塊比較笨重,而且制作困難,不易推廣。于年提出了循跡掃描 的原理,并建立了這種系統(tǒng)的機器和計劃設計的方法。它依靠治療機和治療床的配合運動,使得靶區(qū)每個截面中心總是位于機器的旋轉中心上,而射野的形狀和大小靠準直器的葉片運動和床的縱向運動得到。循跡掃描目前已經被步進式如的系統(tǒng)和螺旋掃描式如調強掃描技術所

20、替代。和分別在.和東芝.型直線加速器上用來調節(jié)射野的形狀。從最初的手動控制到后來的微機控制,從而得到動態(tài)的適合腫瘤形狀的劑量分布。提供了一種非常實用的適形放療方法。現(xiàn)代意義上的最初由和及其同事于二十世紀年代提出來的。但限于當時的計算機技術和劑量計算模型條件,無法在臨床得以實現(xiàn)。而及其計算機控制系統(tǒng)的建立與發(fā)展,則為的應用和發(fā)展起到了硬件上的保證作用。而逆向技術的出現(xiàn)則從軟件上促進了的普及和推廣。年,公司在世界上率先利用準直器和自己設計的以模擬退火算法為基礎的逆向治療計劃系統(tǒng),實現(xiàn)了調強放射治療【。之后,、和等公司都相繼推出了各具特色的放療計劃系統(tǒng)。目前,已經進入了一個飛速發(fā)展的時期。表列出了發(fā)

21、展過程中的一些標志性的事件。笫章緒論表 發(fā)展過程中的里程碑事件相關事件時間以前 用鉛擋塊、楔形板和補償器等實現(xiàn)最原始的治療等人提出了同步擋塊旋轉照射技術等人用楔形板/補償器得到的調強野來生成均勻的環(huán)形劑量分布提出了逆向計劃的概念提出了基于模擬退火方法的逆向優(yōu)化技術基于子野的靜態(tài)技術的提出/提出了動態(tài)調強技術治療系統(tǒng)的出現(xiàn)提出了螺旋式的斷層治療技術和首次完成了靜態(tài)調強治療至今 調強治療技術的理論上的進一步完善技術的完善;開始進入商業(yè)領域.調強放射治療系統(tǒng)組成及實現(xiàn)方法.調強放射治療的技術原理所謂調強就是通過調節(jié)多個照射野內的射線強度分布,可以得到高度適形的靶區(qū)的三維劑量分布,從而在不增加甚至減少

22、周圍正常組織受照劑量的前提下,到達增加靶區(qū)劑量,提高治療增益比的目的。如圖.所示,常規(guī)放療、適形放療和調強放療的區(qū)別。調強放射治療實現(xiàn)的基本思維來自于掃描。假設體內有一個不規(guī)則的腫瘤,若放射治療機也和一樣做一個旋轉照射,在每個相應部位都給與腫瘤形態(tài)和密度相適應的不均勻照射,經旋轉一周后,就能獲得與腫瘤形態(tài)基本一致的高劑量區(qū)。為達到劑量分布的三維適形,必須滿足下述的必要條件:在照射方向上,照射野的形狀必須與病變靶區(qū)的形狀一致;要使靶區(qū)內及博士學位論文表面劑量處處相等,必須要求每一個射野內諸點的輸出劑量率能按要求的方式進行調整。滿足上述兩個必要條件的第一個條件的三維適形治療稱之為經典適形治療.;同

23、時滿足上述兩個條件的三維適形治療稱之為調強適形放射治療。一一 一一一 一:二托瓤。 二二托,觚鉗遮擋 囂扳霧黧蓍黔瓣回硝囂回膳器艄敝 射境量度一度? 如秒 口 、常規(guī)放療 、適形放療 、調強放療圖常規(guī)放療、適形放療和調強放療的區(qū)別圖等劑量分布的三維控制示意圖射野內任意一點的劑量大小為個照射野在該點的劑量率如和照射如。越智”.時間缸的乘積之和:而各野在該點的劑量率如由下列因素確定:射線能量、源皮距離、射野大小、組織深度、離軸距離和組織不均勻等。由于這些因素的影響,使得如隨位第章緒論置而變化。根據適形放療的定義,靶區(qū)內及靶區(qū)表面的劑量應相等,則各野到達點的劑量率如和照射時間的乘積之和應為常數,即:

24、善如錫,;? ;【,.顯然有兩種控制辦法,使式為常量此常量應等于靶劑量:調節(jié)各射野到達點的劑量率的如大小;或者調整各射野照射點的時間他。無論是改變劑量率%還是調整時間馘,最終是改變了照射野內,射線光子的能量注量或電子、質子等的粒子注量,即改變射線的強度故調整。根據改變對象的不同,實現(xiàn)調強的方法主過程稱為調強要有以下幾種:一維物理楔形板組織補償器調整劑量率靠:劑量補償器棋盤準直器動態(tài)楔形板一維獨立準直器動態(tài)掃描多葉準直器靜態(tài)調強多葉準直器四動態(tài)調強調整照射時間他:斷層治療豢蓑妻直接調整射線能量如電子回旋加速器或質子治療.調強放射治療系統(tǒng)的組成與實施過程調強放射治療全過程包括病變靶區(qū)和重要器官及組

25、織的空間定位、治療計劃設計、治療方案的模擬及治療方案的實施四個階段。所以調強放射治療系統(tǒng)和傳統(tǒng)的常規(guī)放射治療、三維適形放射治療系統(tǒng)一樣均由軟件系統(tǒng)治療計劃系統(tǒng).和硬件系統(tǒng)定位及治療系統(tǒng)兩大部分組成。博士學位論文在治療計劃系統(tǒng)中,逆向計劃是的特點和核心,我們這罩將用對比的形式對其本質進行介紹。圖.給出了逆向計劃與傳統(tǒng)正向計劃在制作流程上的主要差別。傳統(tǒng)的治療計劃的制作過程是,計劃制作者根據治療方案的要求,根據自己的經驗選擇射線類型、射線能量、射野個數及入射方向、射野劑量權重、外加射野擋塊或楔形板等,由計算機計算體內的劑量分布,然后利用劑量學四原則對計劃進行評估,最后確定治療方案。盡管目前治療計劃

26、系統(tǒng)中帶有多種治療計劃的設計工具和計劃評估工具,但正向設計的計劃往往只是可接受的,而不是最優(yōu)的。而且這個計劃制作過程常常需要反復調整幾次,是一個典型嘗試性.的工作模式。而逆向計劃則正好相反。它是根據醫(yī)生確定的治療要求,由計算機通過逆向優(yōu)化算法來自動尋找出符合要求的最佳治療方案。圖.形象地給出了逆向計劃與傳統(tǒng)正向計劃的本質差別所在。當然,由于影響治療效果的因素太多,而且有些因素仍在探索之中。因此,任何一個優(yōu)化的治療方案都是有條件的。另一方面,優(yōu)化的方案必須與治療實施的可能性結合起來。所以,根據實際情況求得一個相對完美的治療計劃才是治療優(yōu)化的真正含義。圖正向計劃與逆向計劃的制作流程第章緒論圖?正向

27、計劃與逆向計劃的差別治療計劃設計是放射治療過程中極其重要的一環(huán),治療計劃系統(tǒng)是放射治療的一個重要組成部分和聯(lián)系紐帶。治療計劃系統(tǒng)的主要功能是接受/輸出的圖像通過網絡、中間介質等,病變靶區(qū)及重要器官和組織輪廓的勾畫及重建,建立患者治療坐標系,制訂一個優(yōu)化的治療方案,輸出治療方案實施的細節(jié)到治療機的控制計算機,以及到為實施該治療方案所需要的治療輔助工具如擋塊、組織補償等制作器。適合二維適形放療用的計劃系統(tǒng)必須具有下述幾大特征【】:必須使用立體定位框架,確立擺位過程中患者坐標系和維持它的不變性。精確重建患者治療部位的三維圖像,和給出靶區(qū)及重要器官的三維形狀及體積。安排和設計射野時,能夠模擬常規(guī)模擬定

28、位機的射野選擇功能,包括準直器種類對稱、獨立、多葉準直器等,利用射野方向觀視功能,設置射野擋塊、葉片位置等。不僅要采用較為精確的正向劑量算法特別對散射線和電子平衡失衡的處理外,還必須有逆向算法,給出調強射野的強度分布。具有多種劑量顯示和計算評估功能,包括多平面劑量分布顯示、劑量分布顯示、圖顯示、和的計算與評估等。治療方案,特別是射野的安排,利用能與模擬定位機和治療機射野影像系統(tǒng)的射野確認片進行比較。治療方案確定后,治療條件能夠送到治療機的控制計算機中,包括機架、準直器、治療床的轉角與范圍、射野大小、方向,葉片的設置、運動范圍及速度等;治療輔助設備如擋塊、補償器的制作器上;模擬機或模博士學位論文

29、擬機的射野激光指示器上等。而硬件系統(tǒng)主要包括三大部分,一、治療靶區(qū)及關鍵組織的空間精確定位設備,如掃描定位框或/圖像融合定位框;二、重復照射時重復定位設備,如重復定位標記激光指示器、重復定位真空墊等;三、放射治療時精確定位照射設備,如加速器定位激光燈、加速器等中心定位設備;四、調強實現(xiàn)及驗證設備,如三維物理擋塊或靜態(tài)、動態(tài)、驗證設備等。這四大部分具體作用是:靶區(qū)病變及周圍重要器官的三維空間定位。世紀年代的出現(xiàn)給放射治療的腫瘤定位提供了一種較有效的和較精確的工具,特別是現(xiàn)代螺旋的出現(xiàn),為三維適形放療.提供了直接準確的病變靶區(qū)及器官的三維信息,使三維適形放療有了準確的目標。加之、等先進影像工具的毒

30、輔助和圖像融合技術的發(fā)展,使靶區(qū)的三維精確定位上升到一個更高的階段。勁像常規(guī)放療一樣,三維適形放療也需要分次照射。保證從腫瘤定位到每天重復照射時,體位的精確重復,是實施三維適形放療的根本措施。采用精確的治療體位的固定技術,不僅使適形放療具有實際的臨床意義,而且能夠進一步縮小計劃靶區(qū)的范圍,使它更加接近于臨床靶區(qū)叫。因此,與作射線立體定向治療時一樣,三維適形放療過程中,必須采用立體定向定位擺位框架。立體定向技術,是開展“線立體定向治療的首要條件。是精確治療的基本特征,也是開展適形放療首要條件之一。因為,沒有立體定位框架,就不能保證治療過程中患者坐標系的一致性;沒有患者坐標系的一致性,適形治療將變

31、得無臨床意義。治療機是實現(xiàn)精確治療的關鍵設備。醫(yī)用電子加速器主要有電子回旋加速器和電子直線加速器兩種。最新醫(yī)用電子直線加速器在功能和技術上均有顯著的進展,表現(xiàn)為:采用復合靶、復合均整塊和電子掃描系統(tǒng)改善線和電子束的劑量分布特性;采用能量開關或功率分配技術獲得能譜相同的高低兩擋第章緒論射線和實現(xiàn)射線能量的連續(xù)調節(jié);采用獨立運動準直器,實現(xiàn)非共面相鄰野的劑量銜接和產生動態(tài)虛擬楔形板。適合二維調強適形放療的電子加速器除具有上述的先進功能外,必須具有為實現(xiàn)調強治療的由計算機控制的相應調強器,如、電磁掃描束等。治療證實是適形治療被準確執(zhí)行的重要保證,包括治療前治療條件的模擬利用模擬機和常規(guī)模擬機;治療中

32、治療條件的驗證與記錄?驗證記錄系統(tǒng);照射中射野及體位的監(jiān)測?射野影像系統(tǒng);患者體內劑量監(jiān)測一活體劑量測量系統(tǒng)等。.靜態(tài)、動態(tài)調強放射治療技術目前,臨床上常用的調強方式為多葉準直器 靜態(tài)或動態(tài)調強。目前應用于調強放射治療的有兩種,一種是瓦里安公司產品,另外一種是公司生產的放療機上的光欄,它們各有其優(yōu)缺點。目前臨床上應用于適形放射治療的有兩種:一種由對或對鉛鎢合金相對平行排列而成,大小為鋤或 ,每根鉛條的移動速度為 /;其特點是能照射較大靶區(qū),但其葉片移動速度較慢,因而目前多用多野固定照射;該通過“滑動的窗口技術實現(xiàn)野內的不均勻照射。另一種光欄為公司的光欄,由 鋤的對鉛鎢合金組成,大小 ;每根鉛鎢

33、合金條由高壓氣泵推動,因而移動速度極快,進入或退出照射野僅需要萬分之一秒。由于此類光欄僅 寬,需要用一層一層的照射技術來完成一個大體積的照射。光欄葉片在計算機控制下連續(xù)形成每個放射野,通過控制不同葉片在照射野內滯留不同時間,實施束流調強。靜態(tài)調強:是將計劃要求的強度分布進行分級,利用形成多個博士學位論文子野分步照射。如圖.所示,將某個照射野分成個子野。其特點是,每一子野照射完畢后切斷照射,調到另一個子野,直到所有的子野照射完畢,所有子野的流強相加,從而實現(xiàn)計劃要求的強度分布。由于每個子野照射結束后,因加速器的射線“”、“動作,帶來了靜態(tài)調強劑量率的穩(wěn)定問題。的靜態(tài)調強技術,非常類似于物理補償技

34、術,它不需模室制作射野補償器,以及擺位時不需手工替換補償器,方便操作。由于每一子野的劑量分布可分別測量,因此易于對計劃進行驗證。但是對于復雜的調強放射治療計劃和在中經常遇到的要求照射邊緣的劑量高于中央區(qū)時,就需要子野數目相當大,因此該方法占用加速器耗時多,射線利用率低,且葉片間射線泄露量也會增加。其缺點主要有以下幾個方面:加工精度高,計算機控制復雜,價格昂貴約萬美元;葉片間有漏射線,形成的射野半影大【引。圖 靜態(tài)調強原理?擂動態(tài)調強原理圖動態(tài)調強:動態(tài)調強大致包括動態(tài)葉片、動態(tài)掃描、動態(tài)弧形調強等方法。動態(tài)葉片運動技術的特征是多葉光柵的一對相對葉片總是向一個方向運動,用計算機控制多葉準直器每一

35、對葉片形成相應形狀的縫隙中掃射靶區(qū),產生所需要的劑量分布。如圖所示。即利用葉片的相對運動,通過控制各個點的射線通過時間和長度來實現(xiàn)射野分布的調節(jié)。其特點是多葉第章緒論準直器葉片運動過程中,加速器一直處于打開照射狀態(tài),且可隨機架旋轉。其優(yōu)點在于可以實現(xiàn)連續(xù)的強度調節(jié),劑量率穩(wěn)定,可以縮短總照射時間。其缺點主要有以下幾個方面:葉片間有漏射線;質量監(jiān)控困難;對設備性能要求高【。.調強放射治療的國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向進入臨床放療僅余年,還未到達成熟的階段,存在許多待解決的問題,主要有:放療的正確性和重復性還不夠好;照射靶區(qū)和正常器官在體內的生理運動影響放療的精確性;腫瘤邊界認定的困難;計劃設計和驗證

36、的復雜性;放療的工作效率不夠高:放療質量控制和保證制度不健全;放射生物學方面的挑戰(zhàn),即在和時代,能給予腫瘤明顯高的分割劑量和總劑量,同時對大體積正常組織很低分割劑量。在這種新的劑量分割方法條件下,下述兩個重要問題有待回答:什么是控制腫瘤最佳分割劑量、總劑量、時間因素什么是各類正常組織的放射耐受劑量放射誘導第二個原發(fā)性惡性腫瘤發(fā)生率增加的可能性。世紀初腫瘤放療發(fā)展的主要方向是多維適形放療.,?。?的概念由美國的教授于年提出,他依據醫(yī)學影像學、生物學、生理學發(fā)展的最新成果在和的基礎上提出了這個新概念【。目前的和已經做到了放射物理高劑量的立體分布和腫瘤的立體形態(tài)相適合,然而這僅僅涉及到了物理劑量一個

37、方面,而沒有考慮腫瘤異質性的生物因素,即一個腫瘤內存在生物學行為不同、放射敏感性不一的許多腫瘤亞群。近年來醫(yī)學影像學已有了飛速的發(fā)展,并介入了生物學、生理學,主要包括以下幾種技術:、造影、波譜分析 ,、功能性.、單光子放射斷層掃描、正電子發(fā)射斷層掃描,和核素示蹤技術。新近發(fā)展的上述新技術不但能提供博士學位論文醫(yī)學影像的信息,即腫瘤及其周圍正常組織結構的解剖影像,還能提供腫瘤和正常組織生理和功能的信息。此外,分子影像學,結合腫瘤生物學的研究有可能提供待照射腫瘤的生物學和放射生物學等方面的特性,影響放療療效的腫瘤放射敏感性,與之有關的基因特性和表型。上述這些先進技術的應用,從而把放射靶區(qū)的定義和概

38、念得以擴展,在空間物理的靶區(qū)基礎上加入有關腫瘤的生物學特性的信息,即成生物靶區(qū)體積 ,。因而可以對一個腫瘤內不同放射敏感性的腫瘤細胞亞群給予不同的劑量,也即從生物學方面也達到適形。因而在物理劑量的三維適形基礎上再加上生物適形,所以稱為多維適形放療。.本課題的研究意義正如前面所述,調強放射治療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,已成為世紀的放射治療的主流方向,被譽為是放射腫瘤學歷史上的一次變革。國外已有數家公司正在開發(fā)和研制各種系統(tǒng),目前進入臨床的有美國公司的系統(tǒng)、 回旋加速器和通過電動多葉光柵實現(xiàn)動態(tài)調強放射治療。國內也有數家公司開

39、展通過手動多葉光柵進行靜態(tài)調強放射治療的研究。對于應用回旋加速器實現(xiàn)顯然與我國各級醫(yī)院的經濟實力不符,而應用公司的系統(tǒng),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)有的國產直線加速器和舊型進口加速器都不能達到,對于通過電動多葉光柵實現(xiàn)動態(tài)調強放射治療其價格也難以為中小醫(yī)院所接受。而通過手動多葉光柵進行靜態(tài)調強放射治療對存在子野分割、片間泄漏、過中有限、適形度降低、治療時間過長等諸多問題。所以一方面是臨床上廣泛的迫切需要和必然趨勢,一方面是難以改變的價格以及硬件條件的瓶頸限制,技術還難以廣泛進入我國的臨床放射治療,第章緒論數以萬計的腫瘤患者得不到最佳的治療。本課題特色是獨創(chuàng)地提出“

40、立體一平面一立體地思想,創(chuàng)新地運用切片技術實現(xiàn)了將復雜的三維劑量模型轉變成可以制作的多個二維平面模型,再將多個二維模型疊加,成為所需要三維模型,從而實現(xiàn)利用已有低熔點鉛擋塊制作設備,制作出經濟實用、性能可靠的三維靜態(tài)調強器,由此實現(xiàn)靜態(tài)調強放射治療“運用切片法制作三維調強器實現(xiàn)靜態(tài)調強放射治療已申請國家發(fā)明專利:.。該方法適合各類直線加速器,且成本低廉,可廣泛推廣并將創(chuàng)造出可觀的經濟和社會效益。在放射計劃治療系統(tǒng)研究方面,由于計算機技術、放射物理學、放射生物學、分子生物學和影象學等學科的有力支持,以及多邊緣學科的有機結合,放射治療技術己經取得了革命性的進步。經典的三維適形放射治療技術已經無法滿

41、足復雜病灶結構,特別是對于非凸形靶區(qū)和靶區(qū)周圍危及器官.,比較多時的治療要求。而技術的出現(xiàn)則為解決這些問題提供了一個極好的工具。但鑒于問題的復雜性,的優(yōu)勢還遠沒有在臨床應用中完全發(fā)揮出來。特別是國內的理論研究和臨床應用基本上都還處于起步階段。治療計劃作為調強放療的核心和基礎,其中尚有許多急需解決的問題,比如常規(guī)優(yōu)化效果的提高、自動選擇射野方向、減少優(yōu)化時間、縮短治療時間,以及專家知識庫的開發(fā)應用等等。這些問題中有的離臨床需求尚有一定的距離,有的基本上還處于實驗室研究階段。對于這些問題的研究和改進具有理論和實際應用兩方面的積極推動意義。本課題以實現(xiàn)和完善常規(guī)的優(yōu)化技術為基礎,圍繞筆射束權重優(yōu)化、

42、提高優(yōu)化速度、縮短治療時間等方面的問題展開深入、細致和創(chuàng)造性地研究。希望通過算法研究和臨床需求的緊密結合,在優(yōu)化算法上有所創(chuàng)新和突破,真正可為臨床應用解決若干重要和迫切的問題。.本文內容安排本文首先在第一章的概述中對調強放射治療的基礎知識和技術原理、國內外的研究現(xiàn)狀及本文的研究意義和工作內容進行綜述和介紹。博士學位論文第二章到第五章是本論文的重點。在第二章中我們首先對精確定位技術及設備進行了研究。研究的內容主要分五個方面:體部精確定位技術及設備的研究;頭頸部精確定位系統(tǒng)的研究;模擬定位放射治療系統(tǒng)中激光定位控制技術的研究;基于外部特征的/圖像融合精確定位技術的研究;基于圖像引導的動態(tài)跟蹤精確定

43、位技術的研究。在第三章中,我們首先對治療計劃系統(tǒng)研究的關鍵技術展開分析,探討目前研究的各種方法的優(yōu)點和不足,并在詳細介紹了劑量模型、目標函數和遺傳算法原理的基礎上,進行了以下有意義的探索和嘗試:通過建立基于筆射束的三維光子劑量計算模型,用卷積的方法和快速傅立葉變換實現(xiàn)了精確劑量計算;用遺傳算對法對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來計算個體適應度的大小,在靶區(qū)的周圍勾畫了輔助器官,建立了靶區(qū)內劑量均勻性約束、危險器官與輔助器官的最高劑量約束以及組織重要程度約束;建立了治療計劃優(yōu)化結果的評估手段,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;基于.

44、.平臺,用 群. 初步完成了治療計劃系統(tǒng)的開發(fā)。第四章我們首先介紹手動和半自動多葉光柵的研究和設計,并分析了應用兩者進行靜態(tài)調強放射治療的可能性和缺陷?；谖覈壳案骷壷行♂t(yī)院的實際情況,我們獨創(chuàng)地提出“利用切片法研制三維鉛擋塊實現(xiàn)調強放射治療的方法,并對此開展了實驗和研究。通過實驗可以證明該方法為一種實現(xiàn)照射野不規(guī)則有效形狀和在照射野范圍內照射強度變化的簡單、可行且有效的方法,具有廣泛的臨床應用前景。第五章我們介紹了靜態(tài)調強放射治療系統(tǒng)實驗驗證及測試設備的研究。首先詳細論述了一種新型劑量測量水箱的設計和研制;然后介紹了應用同心圓法測量靜態(tài)調強放射治療系統(tǒng)定位精度的實驗和結果,它是機械定位系統(tǒng)

45、、計劃系統(tǒng)和直線加速器治療系統(tǒng)的綜合治療精度的體現(xiàn)。最后,介紹了本課題中為第章緒論驗證系統(tǒng)絕對劑量和相對劑量的準確性,我們進行的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綜合實驗驗證與評估的結果。第六章對論文的工作進行了總結與展望。博士學位論文第章靜態(tài)調強放射治療精確定位技術的研究.體部精確定位技術及設備的研究.技術領域及研究背景本項研究是用于體部立體定向精確放射治療的新型定位系統(tǒng)設計及改進。定位系統(tǒng)是體部立體定向精確放射治療系統(tǒng)中的一個重要設備,它主要用于體部立體定向精確放射治療包括體部刀中掃描定位、照射治療時照射靶心定位和再次照射時重復定位,以保障病人的病變區(qū)域在放射治療

46、時得到準確而適量的照射,從而獲得最佳的治療效果。無論是體部刀、 還是精確放射治療技術,都充分體現(xiàn)了當今技術潮流即所謂三精原則:精確定位、精確計劃和精確治療、,而精確定位是首要因素,因此都需要設計特殊的機械定位系統(tǒng)來保證其體部病灶中心的定位精確,這是保證整個治療精確性的基礎。本研究所涉及到的立體定向精確放射治療定位系統(tǒng)就是為體部刀、等精確放射治療提供準確定位的一套機械系統(tǒng)。圖運用原體部精確放射治療定位系統(tǒng)進行體部刀治療第章靜態(tài)調強放射治療精確定位技術的研究如圖所示為原設計的.體部立體定向精確放射治療定位系統(tǒng),它主要由體位定位框、兩側坐標尺、弓形和坐標尺、呼吸限制與重復定位標記器等組成。體位定位框

47、呈形固定結構如圖.所示,由底板和左右兩側板組成。坐標尺固定安裝在體位定位框左右兩側板上,為定位系統(tǒng)提供坐標,同時作為弓形和盯坐標尺的安裝基準和前后方向滑動導軌,在其上水平方向和垂直方向分別刻有刻度,為定位系統(tǒng)訂和坐標。呼吸限制與重復定位標記器同弓形和坐標尺一樣安裝在坐標上,并可以在其上前后滑動和從中移出。圖.原設計的.體部立體定向精確放射治療定位系統(tǒng)其特點是采用整體結構,形定位標記桿如圖.、圖.所示埋制在體位定位框的底板和左右兩側板內,加工定位與裝配精度要求高。形定位標記桿呈三段布置,其上面兩不等長直線段作為長度方向上分區(qū)標記,即第一段掃描時,截面定位標記為點,第二段掃描時,截面定位標記為點,

48、第一段掃描時,截面定位標記為點,這樣通過這些標記點就可以通過程序計算靶點中心的三維坐標。然后通過兩側長度坐標尺、弓形高度和寬度坐標尺可以確定靶點中心的空間位置。博士學位論文圖原.體部立體定向精確放射治療定位系統(tǒng)裝配圖圖原體部精確放射治療定位系統(tǒng)定位桿位置圖.存在的問題原定位系統(tǒng)由于采用將形定位桿固定安裝在型體部定位框的底部和左右兩側板上的整體設計方案,造成型體部定位框兩側過高。由此在實際臨床治療時存在以下問題:、由于原來型體部定位框兩側過高,對于一些肥胖的病人,當其躺進型體部定位框時,兩肩及四肢都會產生空間位置不足,病人難以忍受,造成定位困難。、由于原來型體部定位框兩側過高,在放射治療時,加速

49、器機頭適配器第章靜態(tài)調強放射治療精確定位技術的研究用于安裝圓筒二次準直器或適形鉛?；蛲鈷焓蕉嗳~光柵在某些治療角度上與型體部定位框兩側碰撞或干涉阻擋射線,造成某些治療角度的損失,影響治療效果。、此外,由于將形定位桿集成在型體部定位框中,為保證定位的高精度,極大地增加了加工和裝配的困難與成本。同時由于整體結構,造成型體部定位框重量較大,造成搬運不便從掃描定位室到直線加速器治療室。.研究方案和創(chuàng)新設計本研究的目的在于提供一個根據臨床實際應用需要,結構簡單、成本合理的體部立體定向精確放射治療的新型定位系統(tǒng),為立體定適形放射治療的提供準確而剛性的病灶中心定位,即體部立體定向精確放射治療中掃描定位、照射治療時照射靶心定位和再次照射時重復定位,以保障病人的病變區(qū)域在放射治療時得到準確而適量的照射,從而獲得最佳的治療效果。圖.新型體部精確放射治療定位系統(tǒng)新型體部立體定向精確放射治療定位系統(tǒng),如圖.所示,采用獨特的設計思想,用分離結構取