三維靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)的研究.pdf

1、放射治療、手術(shù)和化療是腫瘤治療的三大主要手段,估計(jì)約60％-70％的腫瘤病人需要進(jìn)行放射治療。調(diào)強(qiáng)放射治療(IMRT-IntensityModulationRadiotherapy)是在三維適形放射治療(3DCRT-threeDimensionConformalRadiotherapy)基礎(chǔ)上新近發(fā)展起來(lái)的更為先進(jìn)的體外三維立體照射技術(shù),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(duì)照射野范圍內(nèi)各點(diǎn)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(quán)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(xué)意義,已成為21世紀(jì)的放射治療的主流發(fā)展方向。
　　 但是,目前在國(guó)內(nèi)臨床上應(yīng)用的IMRT系統(tǒng)僅被國(guó)外幾家大公司的產(chǎn)品所壟斷,無(wú)論是ScanditronixMM50回旋加速器的直接調(diào)強(qiáng)方式,還是以電動(dòng)多葉準(zhǔn)直器為代表的動(dòng)態(tài)MLC技術(shù)(DynamicMLC,DMLC-IMR

3、T)和靜態(tài)MIC技術(shù)(step-and-shot,SMIC-MLC)的間接調(diào)強(qiáng)方式,前者約800萬(wàn)美元的價(jià)格令國(guó)人望而退步,后者對(duì)直線加速器的自動(dòng)控制和治療床的高精度要求,使目前我國(guó)現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)直線加速器和舊型進(jìn)口加速器都無(wú)法滿足,此外其電動(dòng)MLC及計(jì)劃系統(tǒng)不菲的價(jià)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(shì),一方面是難以改變的價(jià)格以及硬件條件的瓶頸限制,IMRT技術(shù)難以廣泛進(jìn)入我國(guó)的臨床放射治療,數(shù)以萬(wàn)計(jì)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(shù),無(wú)論從硬件還是軟件方面目前尚有許多問(wèn)題需要解決和改進(jìn)。為此,研究和開(kāi)發(fā)能夠?yàn)閺V大醫(yī)院接受的新型IMRT系統(tǒng)已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本論文綜述了國(guó)內(nèi)外IMRT的研究現(xiàn)狀,分析了目前在臨床應(yīng)用的IMRT系統(tǒng)兩種主要方式(靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng))的特點(diǎn)和不足；在已掌握的適形放射治療技術(shù)以及對(duì)計(jì)算機(jī)各類優(yōu)化算法的深刻理解的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有的實(shí)際物質(zhì)條件和技術(shù)力量、經(jīng)濟(jì)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(fù)定位技術(shù),研制開(kāi)發(fā)出適合中國(guó)國(guó)情的、具有自主知識(shí)版權(quán)、能為廣大中小型醫(yī)院接受并應(yīng)用、具有較好性能價(jià)格比的三維靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射系統(tǒng),為此,所做的主要工作如下:
　　 1、靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療精確定位技術(shù)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(guān)鍵。它包括利用各種影像資料的準(zhǔn)確顯示、三維重建、勾畫(huà)、病灶中心的坐標(biāo)計(jì)算和機(jī)械定位裝置精確定位等多個(gè)過(guò)程。其中機(jī)械定位裝置是貫穿整個(gè)治療

6、過(guò)程的基準(zhǔn)和橋梁,為此我們首先對(duì)體部精確定位技術(shù)及設(shè)備進(jìn)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(shí)用新型專利申請(qǐng)?zhí)?200620054436.5)改進(jìn)了原JX-200適形放射治療系統(tǒng)中的整體式定位系統(tǒng),進(jìn)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(diǎn)。在此基礎(chǔ)上我們?cè)O(shè)計(jì)出新型頭頸部精確定位系統(tǒng),并取得很好的臨床應(yīng)用效果。CT模擬定位放射治療系統(tǒng)是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種定位方法,在本課題中我

7、們著重對(duì)其中的激光定位系統(tǒng)開(kāi)展了研究,掌握了利用步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)準(zhǔn)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(kuò)展CT模擬定位功能奠定了基礎(chǔ)。最后緊跟目前調(diào)強(qiáng)放射治療的最新發(fā)展熱點(diǎn),我們開(kāi)展了基于外部特征的CT/PET異機(jī)圖像融合精確定位技術(shù)和基于圖像引導(dǎo)的動(dòng)態(tài)跟蹤精確定位技術(shù)的初步研究。
　　 2、靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃系統(tǒng)及優(yōu)化技術(shù)的研究IMRT作為一種新的精確放療技術(shù),由于技術(shù)的復(fù)雜性,其優(yōu)勢(shì)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái),尤其是治

8、療計(jì)劃設(shè)計(jì)目前尚有許多問(wèn)題需要解決:如選擇合適的劑量計(jì)算模型和逆向計(jì)劃優(yōu)化方法等。隨著IMRT研究的深入和逆向治療計(jì)劃的發(fā)展,放射治療中如何自動(dòng)選擇射野參數(shù)引起了廣泛關(guān)注,越來(lái)越多的科研人員加入到此項(xiàng)課題的研究行列中來(lái)。在IMRT治療計(jì)劃設(shè)計(jì)中,需要優(yōu)化的參數(shù)很多,包括射線能量、射束權(quán)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(jì)算模型,用卷

9、積的方法和快速傅立葉變換(FFT)實(shí)現(xiàn)了精確劑量計(jì)算；用遺傳算對(duì)法對(duì)IMRT逆向計(jì)劃的筆射束權(quán)重進(jìn)行了優(yōu)化；優(yōu)化過(guò)程中采用了基于劑量的目標(biāo)函數(shù)來(lái)計(jì)算個(gè)體適應(yīng)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(lái)評(píng)估計(jì)劃的優(yōu)劣。最后我們用Visualc＃成功開(kāi)發(fā)了“GA-IMRT/200基于遺傳算法的調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃系統(tǒng)”并獲得國(guó)家計(jì)算機(jī)軟件著作登記(2006SR02586)。研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,遺

10、傳算法是一種有效的IMRT筆射束權(quán)重優(yōu)化方法,能夠在一個(gè)臨床可接受的計(jì)算時(shí)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(yīng)用前景。
　　 3、靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療實(shí)現(xiàn)方法和設(shè)備的研究目前在臨床上實(shí)現(xiàn)調(diào)強(qiáng)放射治療的方法主要有應(yīng)用ScanditronixMM50回旋加速器法和利用多葉準(zhǔn)直器法(靜態(tài)和動(dòng)態(tài)IMRT)。對(duì)于應(yīng)用回旋加速器實(shí)現(xiàn)IMRT,顯然與我國(guó)各級(jí)醫(yī)院的經(jīng)濟(jì)實(shí)力不符,而無(wú)論是應(yīng)用NOMOS公司的Peacoc

11、k系統(tǒng)(MIMiC),還是應(yīng)用各種進(jìn)口動(dòng)態(tài)多葉準(zhǔn)直器(step-and-shot,SMLC),前者其對(duì)直線加速器的自動(dòng)控制和治療床的高精度要求,使目前我國(guó)現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)直線加速器和舊型進(jìn)口加速器都不能滿足；后者其價(jià)格和使用要求也難以為中小醫(yī)院所接受。所以研究和開(kāi)發(fā)能夠?yàn)閺V大醫(yī)院接受的新型IMRT系統(tǒng)也已成為我們研究目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)。在本課題中我們首先開(kāi)展了手動(dòng)多葉準(zhǔn)直器的研究,設(shè)計(jì)并研制了手動(dòng)和半自動(dòng)多葉準(zhǔn)直器。然而它們因使用過(guò)于費(fèi)時(shí)和繁瑣,遠(yuǎn)

12、不能滿足調(diào)強(qiáng)放射治療的臨床實(shí)際應(yīng)用。由此根據(jù)我國(guó)現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)水平,我們認(rèn)為通過(guò)采用三維熔鉛擋塊到達(dá)適形照射區(qū)域劑量分布變化從而實(shí)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(dú)創(chuàng)地提出“利用切片法研制三維鉛擋塊實(shí)現(xiàn)調(diào)強(qiáng)放射治療”(發(fā)明申請(qǐng)?zhí)?021520763)的方法,并對(duì)此開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和研究。
　　 4、靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及測(cè)試設(shè)備的研究三維水箱掃描系統(tǒng)是用于直線加速器定量測(cè)量模擬人體模型中射線劑量分布的設(shè)

13、備,可全自動(dòng)連續(xù)掃描測(cè)量輻射吸收劑量。但三維水箱掃描系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口,價(jià)格昂貴。目前國(guó)內(nèi)各大醫(yī)院根據(jù)臨床實(shí)際應(yīng)用需要,采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但能實(shí)現(xiàn)主要的功能的成本低廉的劑量測(cè)量水箱,又稱標(biāo)準(zhǔn)水箱或標(biāo)準(zhǔn)水模。標(biāo)準(zhǔn)水箱設(shè)計(jì)了一個(gè)放水閥門(水龍頭),通過(guò)控制水龍頭放水至水桶里,實(shí)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(shí)際測(cè)量中,這種工作模式存在測(cè)量效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、水位控制不精確、對(duì)電路及機(jī)器有不安全等不足,本項(xiàng)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(cè)量水箱(實(shí)用新型專利申請(qǐng)?zhí)?200620054436.X)成功地解決了標(biāo)準(zhǔn)水箱上述不足,它具有水泵自動(dòng)平穩(wěn)控制水位、快速、安全的特點(diǎn)。最后,我們開(kāi)展了靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究,主要包括系統(tǒng)定位精度的檢驗(yàn)、基于人形體模和自制有機(jī)玻璃均勻等效方形體模的兩種測(cè)量相結(jié)合的的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與評(píng)估。其目的是對(duì)靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療系統(tǒng)進(jìn)行定位精度和劑量驗(yàn)證,前者是機(jī)械定位系統(tǒng)、計(jì)劃系統(tǒng)和直線加速器治療系統(tǒng)的綜