三維靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)研究

1、三維靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)研究 課題來(lái)源.三維靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療系統(tǒng)研究”,廣東省科技攻關(guān)項(xiàng)目業(yè)專(zhuān) 名 稱(chēng)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)位申請(qǐng)人 陳超敏指 教導(dǎo) 師 陳光杰教授答辯委員會(huì)主席 岑人經(jīng)教授答辯委員會(huì)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(píng)閱人陳武凡教授岑人經(jīng)教授陳仲本教授年月日廣州瘤病人需要進(jìn)行放射治療。調(diào)強(qiáng)放射治療是在三維適形放射治療基礎(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調(diào)整,優(yōu)化配置射野內(nèi)各線(xiàn)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

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(xué)意義,已成為世紀(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)用的系統(tǒng)僅被國(guó)外幾家大公司的產(chǎn)品所壟斷,無(wú)論是 回旋加速器的直接調(diào)強(qiáng)方式,還是以電動(dòng)多葉準(zhǔn),.和靜態(tài)技直器為代表的動(dòng)態(tài)技術(shù)術(shù).,.的間接調(diào)強(qiáng)方式,前者約萬(wàn)美元的價(jià)格令國(guó)人望而退步,后者對(duì)直線(xiàn)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(xiàn)加速器和舊型進(jìn)口加速器都無(wú)法滿(mǎn)足,此外其電動(dòng)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,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

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(shù),無(wú)論從硬件還是軟件方面目前尚有摘要許多問(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)外的研究現(xiàn)狀,分析了目前在臨床應(yīng)用的系統(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(lèi)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)病變及周?chē)匾鞴俚娜S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

4、工作如下:、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(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?.改進(jìn)了原.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。模擬定位放射治療系統(tǒng)是近年來(lái)迅速發(fā)展的一

5、種定位方法,在本課題中我們著重對(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叫異機(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。、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:如選擇合適的劑博士學(xué)位論文量計(jì)算模型和逆向計(jì)劃優(yōu)化方法等。隨著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,

6、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(xiàn)能量、射束權(quán)重、射野方向等。常用優(yōu)化方法有:線(xiàn)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,用卷積的方法和快速傅立葉變換實(shí)現(xiàn)了精確劑量計(jì)算;用遺傳算對(duì)法對(duì)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(xiàn)、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。最后我們用酣成功開(kāi)發(fā)了“./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。

7、研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,遺傳算法是一種有效的筆射束權(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,在射野參數(shù)優(yōu)化中具有廣闊的應(yīng)用前景。、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 回旋加速器法和利用多葉準(zhǔn)直器法靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。對(duì)于應(yīng)用回旋加速器實(shí)現(xiàn),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)用公司的系統(tǒng),還是應(yīng)用各種進(jìn)口動(dòng)態(tài)多葉準(zhǔn)直器.,前者其對(duì)直線(xiàn)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(xiàn)加速器和舊型進(jìn)口加速器都不能滿(mǎn)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)院接受的新型系統(tǒng)也已成為我

8、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)不能滿(mǎn)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摘要實(shí)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(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)?的方法,并對(duì)此開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和研究。、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(xiàn)加速器定量測(cè)量模擬人體模型中射線(xiàn)劑量分布的設(shè)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(lài)進(jìn)口,價(jià)

9、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(chēng)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(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?.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

10、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(xiàn)加速器治療系統(tǒng)的綜合治療精度的檢驗(yàn);后者主要包括絕對(duì)劑量驗(yàn)證和相對(duì)劑量驗(yàn)證。關(guān)鍵詞調(diào)強(qiáng)放射治療精確定位系統(tǒng) 異機(jī)圖像融合圖像引導(dǎo)動(dòng)態(tài)跟蹤遺傳算法筆射束權(quán)重優(yōu)化逆向治療計(jì)劃 多葉準(zhǔn)直器切片法: .:. %?% .?, , ,., ,., .;博士學(xué)位論文 , ? , . :, ., .,. , ”:., , , .,./ ., . ,., ., , .?.舞.帶.”/ ”, ., ,.博士學(xué)位論文. . . ?.?,., ?. . .,.”,”

11、 :, . . . ., ., ., , .:., ,. , ,:., .; ; ; ; ;博士學(xué)位論文目 錄摘 要.。第章 緒論.研究背景.調(diào)強(qiáng)放射治療的發(fā)展歷史.調(diào)強(qiáng)放射治療系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)方法?.調(diào)強(qiáng)放射治療的技術(shù)原理.調(diào)強(qiáng)放射治療系統(tǒng)的組成與實(shí)施過(guò)程?.靜態(tài)、動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)?.調(diào)強(qiáng)放射治療的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向?.本課題的研究意義.本文內(nèi)容安排.第章靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療精確定位技術(shù)的研究.體部精確定位技術(shù)及設(shè)備的研究?.技術(shù)領(lǐng)域及研究背景?.存在的問(wèn)題.研究方案和創(chuàng)新設(shè)計(jì)?.材料與加工方法?.研究的特點(diǎn)與意義.頭頸部精確定位技術(shù)及設(shè)備的研究?。.技術(shù)領(lǐng)域和研究背景?.材料與方法?。

12、.臨床應(yīng)用。.改進(jìn)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(shù)背景?.模擬定位放射治療系統(tǒng)的組成和治療過(guò)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(shè)計(jì)?.討論.目錄./圖像異機(jī)融合技術(shù)在腫瘤精確放射治療中的應(yīng)用研究.問(wèn)題的提出.技術(shù)背景與研究意義.研究目標(biāo)與主要內(nèi)容?.初步研究工作?。.基于圖像引導(dǎo)的動(dòng)態(tài)跟蹤精確定位技術(shù)研究?.問(wèn)題的提出.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.研究目標(biāo)和主要內(nèi)容.動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)組成及實(shí)旌步驟?.討論.第章靜態(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?.研究背景.放射治療計(jì)劃系統(tǒng).計(jì)劃系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù).研究目的和意義?.本研究的主要內(nèi)容?。.基于遺傳算法的子野權(quán)重優(yōu)化

13、技術(shù)的研究?.遺傳算法理論.三維光子卷積劑量計(jì)算模型的建立.遺傳算法算例測(cè)試.基于遺傳算法的子野權(quán)重優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)。.系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境?.系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)。.系統(tǒng)評(píng)估方法與結(jié)果?.第章靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療實(shí)現(xiàn)方法和設(shè)備的研究?.手動(dòng)多葉光柵的研制。.技術(shù)背景.設(shè)計(jì)要求與方案.多葉光柵系統(tǒng)總圖與說(shuō)明?.系統(tǒng)性能測(cè)量方法與結(jié)果.討論?.應(yīng)用切片法制作三維靜態(tài)調(diào)強(qiáng)器鉛擋塊的研究。博士學(xué)位論文.技術(shù)背景。 .材料與方法.可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) .三維熔鉛器設(shè)計(jì).討論?.?.第章靜態(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)備研究?.新型劑量測(cè)量水箱的研制.技術(shù)背景。.材料與方法?.設(shè)計(jì)圖紙與改進(jìn).討論?.定位系統(tǒng)定位精度的實(shí)驗(yàn)

14、驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)試方法.實(shí)驗(yàn)工具和設(shè)備。.測(cè)試步驟。.測(cè)試結(jié)果.討論?.基于模體的劑量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與評(píng)估.技術(shù)背景.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)用設(shè)備儀器.驗(yàn)證內(nèi)容與方法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果.討論?.第章總結(jié)與展望.論文總結(jié)。.工作展望參考文獻(xiàn)博士期間發(fā)表的論文及取得的成果致謝?.學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明?。目錄博士學(xué)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(shù)治療和化學(xué)藥物治療一起,組成了腫瘤的三大治療手段。國(guó)內(nèi)外數(shù)字統(tǒng)計(jì)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(shù)、藥物配合治療地接受放射治療。目前,隨著三大治療技術(shù)的不斷改進(jìn)和發(fā)展,經(jīng)治療后的腫瘤患者的五年生存率已經(jīng)達(dá)到%以上,即約有半數(shù)的腫瘤患者

15、可以被治愈。放射治療與手術(shù)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(xiàn)【。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(huì)導(dǎo)致腫瘤的局部復(fù)發(fā)和遠(yuǎn)地轉(zhuǎn)移。已經(jīng)有證據(jù)表明,通過(guò)采用新的或改進(jìn)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(jìn)患者治愈后的生存質(zhì)量。放射治療的根本目標(biāo)是,最大限度地將放射線(xiàn)的劑量集中照射到病灶靶區(qū)內(nèi),殺滅腫瘤細(xì)胞,同時(shí)使周?chē)恼＝M織 和關(guān)鍵器官.,免受或盡可能少受不必要的照射。從放射生物學(xué)角度來(lái)講,就是最大限度地增加腫瘤的局

16、部控制率,同時(shí)盡可能地減低周?chē)＝M織和關(guān)鍵器官的放射并發(fā)癥概率。大量的臨床報(bào)告已經(jīng)證吲明,高劑量照射會(huì)提高腫瘤的局部控制率和無(wú)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(duì)于目前的常規(guī)放療,由于擴(kuò)大了周?chē)＝M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(wèn)題。三維適形放療 .作為一種治療技術(shù),可以使得高劑量區(qū)計(jì)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(shí)現(xiàn)在照射野方向上達(dá)到照射野形狀與靶區(qū)投影一致。而現(xiàn)在的調(diào)強(qiáng)適形放射治療.簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)強(qiáng)放療則除了滿(mǎn)足前面的條件外,還可以通過(guò)調(diào)整射野的輸出強(qiáng)度分布而使得高劑量分布在三維上與靶

17、區(qū)達(dá)到一致。的出現(xiàn)是放射腫瘤學(xué)史上的一次變革,它目前正逐步成為本世紀(jì)放射治療技術(shù)的主流【。與常規(guī)放射治療相比,存在很多的優(yōu)勢(shì):采用了精確定位和重復(fù)固定技術(shù),大大提高了靶區(qū)的定位和照射精度;采用了精確治療計(jì)劃即逆向計(jì)劃,實(shí)現(xiàn)了治療計(jì)劃的自動(dòng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化;采用了精確照射,即能夠優(yōu)化配置射野內(nèi)各射束的權(quán)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(shí)際形狀一致,并可以使計(jì)劃靶區(qū)的劑量分布更均勻,同時(shí)可以在邊緣形成更陡的劑量梯度。采用精確定位、精確計(jì)劃、精確治療的“三精方式,其結(jié)果可以達(dá)到放射治療“四最”要求。即靶區(qū)受照射劑量最大、周?chē)鲁＝M織受照射劑量最小、靶區(qū)的定位和照射最準(zhǔn)確、靶區(qū)內(nèi)劑量分

18、布最均勻?？傊?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(diào)強(qiáng)放療,經(jīng)歷了一個(gè)并不算太長(zhǎng)的過(guò)程。而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)等的迅猛發(fā)展,放療技術(shù)目前正進(jìn)行著日新月異的變革。的實(shí)現(xiàn)從早期的以楔形板、補(bǔ)償器和正向計(jì)劃為基礎(chǔ)的初級(jí)階段,發(fā)展到現(xiàn)在的以多葉準(zhǔn)直器.和逆向計(jì)劃為特點(diǎn)的現(xiàn)代,新技術(shù)、新方法層出不窮,治療效果也在不斷提高。下面我們首先簡(jiǎn)單介紹調(diào)強(qiáng)放射治療的歷史發(fā)展,然后對(duì)調(diào)強(qiáng)放射治療的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。最后對(duì)本文的研究意義和要解決的問(wèn)題進(jìn)行闡述。.調(diào)強(qiáng)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(kāi)始于年。日本的及其同事一起,用自行設(shè)計(jì)的機(jī)械控制系統(tǒng)控制多葉準(zhǔn)直

19、器的開(kāi)口形博士學(xué)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)適形治療。幾乎與此同時(shí),及其同事獨(dú)立地提出了同步擋塊旋轉(zhuǎn)照射方法。其做法是,將特殊設(shè)計(jì)的鉛擋塊安裝在患者和機(jī)頭準(zhǔn)直器之間,并能隨著機(jī)架或患者的旋轉(zhuǎn)作同步運(yùn)動(dòng),保證鉛擋塊的形狀隨時(shí)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(jī)器和計(jì)劃設(shè)計(jì)的方法。它依靠治療機(jī)和治療床的配合運(yùn)動(dòng),使得靶區(qū)每個(gè)截面中心總是位于機(jī)器的旋轉(zhuǎn)中心上,而射野的形狀和大小靠準(zhǔn)直器的葉片運(yùn)動(dòng)和床的縱向運(yùn)動(dòng)得到。循跡掃描目前已經(jīng)被步進(jìn)式如的系統(tǒng)和螺旋掃描式如調(diào)強(qiáng)掃描技術(shù)所

20、替代。和分別在.和東芝.型直線(xiàn)加速器上用來(lái)調(diào)節(jié)射野的形狀。從最初的手動(dòng)控制到后來(lái)的微機(jī)控制,從而得到動(dòng)態(tài)的適合腫瘤形狀的劑量分布。提供了一種非常實(shí)用的適形放療方法?，F(xiàn)代意義上的最初由和及其同事于二十世紀(jì)年代提出來(lái)的。但限于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和劑量計(jì)算模型條件,無(wú)法在臨床得以實(shí)現(xiàn)。而及其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的建立與發(fā)展,則為的應(yīng)用和發(fā)展起到了硬件上的保證作用。而逆向技術(shù)的出現(xiàn)則從軟件上促進(jìn)了的普及和推廣。年,公司在世界上率先利用準(zhǔn)直器和自己設(shè)計(jì)的以模擬退火算法為基礎(chǔ)的逆向治療計(jì)劃系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了調(diào)強(qiáng)放射治療【。之后,、和等公司都相繼推出了各具特色的放療計(jì)劃系統(tǒng)。目前,已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期。表列出了發(fā)

21、展過(guò)程中的一些標(biāo)志性的事件。笫章緒論表 發(fā)展過(guò)程中的里程碑事件相關(guān)事件時(shí)間以前 用鉛擋塊、楔形板和補(bǔ)償器等實(shí)現(xiàn)最原始的治療等人提出了同步擋塊旋轉(zhuǎn)照射技術(shù)等人用楔形板/補(bǔ)償器得到的調(diào)強(qiáng)野來(lái)生成均勻的環(huán)形劑量分布提出了逆向計(jì)劃的概念提出了基于模擬退火方法的逆向優(yōu)化技術(shù)基于子野的靜態(tài)技術(shù)的提出/提出了動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)技術(shù)治療系統(tǒng)的出現(xiàn)提出了螺旋式的斷層治療技術(shù)和首次完成了靜態(tài)調(diào)強(qiáng)治療至今 調(diào)強(qiáng)治療技術(shù)的理論上的進(jìn)一步完善技術(shù)的完善;開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域.調(diào)強(qiáng)放射治療系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)方法.調(diào)強(qiáng)放射治療的技術(shù)原理所謂調(diào)強(qiáng)就是通過(guò)調(diào)節(jié)多個(gè)照射野內(nèi)的射線(xiàn)強(qiáng)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?chē)＝M織受照劑量的前提下,到達(dá)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(diào)強(qiáng)放療的區(qū)別。調(diào)強(qiáng)放射治療實(shí)現(xiàn)的基本思維來(lái)自于掃描。假設(shè)體內(nèi)有一個(gè)不規(guī)則的腫瘤,若放射治療機(jī)也和一樣做一個(gè)旋轉(zhuǎn)照射,在每個(gè)相應(yīng)部位都給與腫瘤形態(tài)和密度相適應(yīng)的不均勻照射,經(jīng)旋轉(zhuǎn)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(dá)到劑量分布的三維適形,必須滿(mǎn)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(nèi)及博士學(xué)位論文表面劑量處處相等,必須要求每一個(gè)射野內(nèi)諸點(diǎn)的輸出劑量率能按要求的方式進(jìn)行調(diào)整。滿(mǎn)足上述兩個(gè)必要條件的第一個(gè)條件的三維適形治療稱(chēng)之為經(jīng)典適形治療.;同

23、時(shí)滿(mǎn)足上述兩個(gè)條件的三維適形治療稱(chēng)之為調(diào)強(qiáng)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(diào)強(qiáng)放療圖常規(guī)放療、適形放療和調(diào)強(qiáng)放療的區(qū)別圖等劑量分布的三維控制示意圖射野內(nèi)任意一點(diǎn)的劑量大小為個(gè)照射野在該點(diǎn)的劑量率如和照射如。越智”.時(shí)間缸的乘積之和:而各野在該點(diǎn)的劑量率如由下列因素確定:射線(xiàn)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(jù)適形放療的定義,靶區(qū)內(nèi)及靶區(qū)表面的劑量應(yīng)相等,則各野到達(dá)點(diǎn)的劑量率如和照射時(shí)間的乘積之和應(yīng)為常數(shù),即:

24、善如錫,;? ;【,.顯然有兩種控制辦法,使式為常量此常量應(yīng)等于靶劑量:調(diào)節(jié)各射野到達(dá)點(diǎn)的劑量率的如大小;或者調(diào)整各射野照射點(diǎn)的時(shí)間他。無(wú)論是改變劑量率%還是調(diào)整時(shí)間馘,最終是改變了照射野內(nèi),射線(xiàn)光子的能量注量或電子、質(zhì)子等的粒子注量,即改變射線(xiàn)的強(qiáng)度故調(diào)整。根據(jù)改變對(duì)象的不同,實(shí)現(xiàn)調(diào)強(qiáng)的方法主過(guò)程稱(chēng)為調(diào)強(qiáng)要有以下幾種:一維物理楔形板組織補(bǔ)償器調(diào)整劑量率靠:劑量補(bǔ)償器棋盤(pán)準(zhǔn)直器動(dòng)態(tài)楔形板一維獨(dú)立準(zhǔn)直器動(dòng)態(tài)掃描多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng)多葉準(zhǔn)直器四動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)調(diào)整照射時(shí)間他:斷層治療豢蓑妻直接調(diào)整射線(xiàn)能量如電子回旋加速器或質(zhì)子治療.調(diào)強(qiáng)放射治療系統(tǒng)的組成與實(shí)施過(guò)程調(diào)強(qiáng)放射治療全過(guò)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(jì)劃設(shè)計(jì)、治療方案的模擬及治療方案的實(shí)施四個(gè)階段。所以調(diào)強(qiáng)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(jì)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(xué)位論文在治療計(jì)劃系統(tǒng)中,逆向計(jì)劃是的特點(diǎn)和核心,我們這罩將用對(duì)比的形式對(duì)其本質(zhì)進(jìn)行介紹。圖.給出了逆向計(jì)劃與傳統(tǒng)正向計(jì)劃在制作流程上的主要差別。傳統(tǒng)的治療計(jì)劃的制作過(guò)程是,計(jì)劃制作者根據(jù)治療方案的要求,根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)選擇射線(xiàn)類(lèi)型、射線(xiàn)能量、射野個(gè)數(shù)及入射方向、射野劑量權(quán)重、外加射野擋塊或楔形板等,由計(jì)算機(jī)計(jì)算體內(nèi)的劑量分布,然后利用劑量學(xué)四原則對(duì)計(jì)劃進(jìn)行評(píng)估,最后確定治療方案。盡管目前治療計(jì)劃

26、系統(tǒng)中帶有多種治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)工具和計(jì)劃評(píng)估工具,但正向設(shè)計(jì)的計(jì)劃往往只是可接受的,而不是最優(yōu)的。而且這個(gè)計(jì)劃制作過(guò)程常常需要反復(fù)調(diào)整幾次,是一個(gè)典型嘗試性.的工作模式。而逆向計(jì)劃則正好相反。它是根據(jù)醫(yī)生確定的治療要求,由計(jì)算機(jī)通過(guò)逆向優(yōu)化算法來(lái)自動(dòng)尋找出符合要求的最佳治療方案。圖.形象地給出了逆向計(jì)劃與傳統(tǒng)正向計(jì)劃的本質(zhì)差別所在。當(dāng)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(gè)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(shí)施的可能性結(jié)合起來(lái)。所以,根據(jù)實(shí)際情況求得一個(gè)相對(duì)完美的治療計(jì)劃才是治療優(yōu)化的真正含義。圖正向計(jì)劃與逆向計(jì)劃的制作流程第章緒論圖?正向

27、計(jì)劃與逆向計(jì)劃的差別治療計(jì)劃設(shè)計(jì)是放射治療過(guò)程中極其重要的一環(huán),治療計(jì)劃系統(tǒng)是放射治療的一個(gè)重要組成部分和聯(lián)系紐帶。治療計(jì)劃系統(tǒng)的主要功能是接受/輸出的圖像通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、中間介質(zhì)等,病變靶區(qū)及重要器官和組織輪廓的勾畫(huà)及重建,建立患者治療坐標(biāo)系,制訂一個(gè)優(yōu)化的治療方案,輸出治療方案實(shí)施的細(xì)節(jié)到治療機(jī)的控制計(jì)算機(jī),以及到為實(shí)施該治療方案所需要的治療輔助工具如擋塊、組織補(bǔ)償?shù)戎谱髌?。適合二維適形放療用的計(jì)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(guò)程中患者坐標(biāo)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(shè)計(jì)射野時(shí),能夠模擬常規(guī)模擬定

28、位機(jī)的射野選擇功能,包括準(zhǔn)直器種類(lèi)對(duì)稱(chēng)、獨(dú)立、多葉準(zhǔn)直器等,利用射野方向觀(guān)視功能,設(shè)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(duì)散射線(xiàn)和電子平衡失衡的處理外,還必須有逆向算法,給出調(diào)強(qiáng)射野的強(qiáng)度分布。具有多種劑量顯示和計(jì)算評(píng)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(jì)算與評(píng)估等。治療方案,特別是射野的安排,利用能與模擬定位機(jī)和治療機(jī)射野影像系統(tǒng)的射野確認(rèn)片進(jìn)行比較。治療方案確定后,治療條件能夠送到治療機(jī)的控制計(jì)算機(jī)中,包括機(jī)架、準(zhǔn)直器、治療床的轉(zhuǎn)角與范圍、射野大小、方向,葉片的設(shè)置、運(yùn)動(dòng)范圍及速度等;治療輔助設(shè)備如擋塊、補(bǔ)償器的制作器上;模擬機(jī)或模博士學(xué)位論文

29、擬機(jī)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(guān)鍵組織的空間精確定位設(shè)備,如掃描定位框或/圖像融合定位框;二、重復(fù)照射時(shí)重復(fù)定位設(shè)備,如重復(fù)定位標(biāo)記激光指示器、重復(fù)定位真空墊等;三、放射治療時(shí)精確定位照射設(shè)備,如加速器定位激光燈、加速器等中心定位設(shè)備;四、調(diào)強(qiáng)實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證設(shè)備,如三維物理?yè)鯄K或靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、驗(yàn)證設(shè)備等。這四大部分具體作用是:靶區(qū)病變及周?chē)匾鞴俚娜S空間定位。世紀(jì)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(zhǔn)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(zhǔn)確的目標(biāo)。加之、等先進(jìn)影像工具的毒

30、輔助和圖像融合技術(shù)的發(fā)展,使靶區(qū)的三維精確定位上升到一個(gè)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(fù)照射時(shí),體位的精確重復(fù),是實(shí)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(shù),不僅使適形放療具有實(shí)際的臨床意義,而且能夠進(jìn)一步縮小計(jì)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(xiàn)立體定向治療時(shí)一樣,三維適形放療過(guò)程中,必須采用立體定向定位擺位框架。立體定向技術(shù),是開(kāi)展“線(xiàn)立體定向治療的首要條件。是精確治療的基本特征,也是開(kāi)展適形放療首要條件之一。因?yàn)?沒(méi)有立體定位框架,就不能保證治療過(guò)程中患者坐標(biāo)系的一致性;沒(méi)有患者坐標(biāo)系的一致性,適形治療將變

31、得無(wú)臨床意義。治療機(jī)是實(shí)現(xiàn)精確治療的關(guān)鍵設(shè)備。醫(yī)用電子加速器主要有電子回旋加速器和電子直線(xiàn)加速器兩種。最新醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器在功能和技術(shù)上均有顯著的進(jìn)展,表現(xiàn)為:采用復(fù)合靶、復(fù)合均整塊和電子掃描系統(tǒng)改善線(xiàn)和電子束的劑量分布特性;采用能量開(kāi)關(guān)或功率分配技術(shù)獲得能譜相同的高低兩擋第章緒論射線(xiàn)和實(shí)現(xiàn)射線(xiàn)能量的連續(xù)調(diào)節(jié);采用獨(dú)立運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)直器,實(shí)現(xiàn)非共面相鄰野的劑量銜接和產(chǎn)生動(dòng)態(tài)虛擬楔形板。適合二維調(diào)強(qiáng)適形放療的電子加速器除具有上述的先進(jìn)功能外,必須具有為實(shí)現(xiàn)調(diào)強(qiáng)治療的由計(jì)算機(jī)控制的相應(yīng)調(diào)強(qiáng)器,如、電磁掃描束等。治療證實(shí)是適形治療被準(zhǔn)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(jī)和常規(guī)模擬機(jī);治療中

32、治療條件的驗(yàn)證與記錄?驗(yàn)證記錄系統(tǒng);照射中射野及體位的監(jiān)測(cè)?射野影像系統(tǒng);患者體內(nèi)劑量監(jiān)測(cè)一活體劑量測(cè)量系統(tǒng)等。.靜態(tài)、動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)目前,臨床上常用的調(diào)強(qiáng)方式為多葉準(zhǔn)直器 靜態(tài)或動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)。目前應(yīng)用于調(diào)強(qiáng)放射治療的有兩種,一種是瓦里安公司產(chǎn)品,另外一種是公司生產(chǎn)的放療機(jī)上的光欄,它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)。目前臨床上應(yīng)用于適形放射治療的有兩種:一種由對(duì)或?qū)︺U鎢合金相對(duì)平行排列而成,大小為鋤或 ,每根鉛條的移動(dòng)速度為 /;其特點(diǎn)是能照射較大靶區(qū),但其葉片移動(dòng)速度較慢,因而目前多用多野固定照射;該通過(guò)“滑動(dòng)的窗口技術(shù)實(shí)現(xiàn)野內(nèi)的不均勻照射。另一種光欄為公司的光欄,由 鋤的對(duì)鉛鎢合金組成,大小 ;每根鉛鎢

33、合金條由高壓氣泵推動(dòng),因而移動(dòng)速度極快,進(jìn)入或退出照射野僅需要萬(wàn)分之一秒。由于此類(lèi)光欄僅 寬,需要用一層一層的照射技術(shù)來(lái)完成一個(gè)大體積的照射。光欄葉片在計(jì)算機(jī)控制下連續(xù)形成每個(gè)放射野,通過(guò)控制不同葉片在照射野內(nèi)滯留不同時(shí)間,實(shí)施束流調(diào)強(qiáng)。靜態(tài)調(diào)強(qiáng):是將計(jì)劃要求的強(qiáng)度分布進(jìn)行分級(jí),利用形成多個(gè)博士學(xué)位論文子野分步照射。如圖.所示,將某個(gè)照射野分成個(gè)子野。其特點(diǎn)是,每一子野照射完畢后切斷照射,調(diào)到另一個(gè)子野,直到所有的子野照射完畢,所有子野的流強(qiáng)相加,從而實(shí)現(xiàn)計(jì)劃要求的強(qiáng)度分布。由于每個(gè)子野照射結(jié)束后,因加速器的射線(xiàn)“”、“動(dòng)作,帶來(lái)了靜態(tài)調(diào)強(qiáng)劑量率的穩(wěn)定問(wèn)題。的靜態(tài)調(diào)強(qiáng)技術(shù),非常類(lèi)似于物理補(bǔ)償技

34、術(shù),它不需模室制作射野補(bǔ)償器,以及擺位時(shí)不需手工替換補(bǔ)償器,方便操作。由于每一子野的劑量分布可分別測(cè)量,因此易于對(duì)計(jì)劃進(jìn)行驗(yàn)證。但是對(duì)于復(fù)雜的調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃和在中經(jīng)常遇到的要求照射邊緣的劑量高于中央?yún)^(qū)時(shí),就需要子野數(shù)目相當(dāng)大,因此該方法占用加速器耗時(shí)多,射線(xiàn)利用率低,且葉片間射線(xiàn)泄露量也會(huì)增加。其缺點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面:加工精度高,計(jì)算機(jī)控制復(fù)雜,價(jià)格昂貴約萬(wàn)美元;葉片間有漏射線(xiàn),形成的射野半影大【引。圖 靜態(tài)調(diào)強(qiáng)原理?擂動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)原理圖動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng):動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)大致包括動(dòng)態(tài)葉片、動(dòng)態(tài)掃描、動(dòng)態(tài)弧形調(diào)強(qiáng)等方法。動(dòng)態(tài)葉片運(yùn)動(dòng)技術(shù)的特征是多葉光柵的一對(duì)相對(duì)葉片總是向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng),用計(jì)算機(jī)控制多葉準(zhǔn)直器每一

35、對(duì)葉片形成相應(yīng)形狀的縫隙中掃射靶區(qū),產(chǎn)生所需要的劑量分布。如圖所示。即利用葉片的相對(duì)運(yùn)動(dòng),通過(guò)控制各個(gè)點(diǎn)的射線(xiàn)通過(guò)時(shí)間和長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)射野分布的調(diào)節(jié)。其特點(diǎn)是多葉第章緒論準(zhǔn)直器葉片運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,加速器一直處于打開(kāi)照射狀態(tài),且可隨機(jī)架旋轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的強(qiáng)度調(diào)節(jié),劑量率穩(wěn)定,可以縮短總照射時(shí)間。其缺點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面:葉片間有漏射線(xiàn);質(zhì)量監(jiān)控困難;對(duì)設(shè)備性能要求高【。.調(diào)強(qiáng)放射治療的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向進(jìn)入臨床放療僅余年,還未到達(dá)成熟的階段,存在許多待解決的問(wèn)題,主要有:放療的正確性和重復(fù)性還不夠好;照射靶區(qū)和正常器官在體內(nèi)的生理運(yùn)動(dòng)影響放療的精確性;腫瘤邊界認(rèn)定的困難;計(jì)劃設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

36、的復(fù)雜性;放療的工作效率不夠高:放療質(zhì)量控制和保證制度不健全;放射生物學(xué)方面的挑戰(zhàn),即在和時(shí)代,能給予腫瘤明顯高的分割劑量和總劑量,同時(shí)對(duì)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(gè)重要問(wèn)題有待回答:什么是控制腫瘤最佳分割劑量、總劑量、時(shí)間因素什么是各類(lèi)正常組織的放射耐受劑量放射誘導(dǎo)第二個(gè)原發(fā)性惡性腫瘤發(fā)生率增加的可能性。世紀(jì)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(guó)的教授于年提出,他依據(jù)醫(yī)學(xué)影像學(xué)、生物學(xué)、生理學(xué)發(fā)展的最新成果在和的基礎(chǔ)上提出了這個(gè)新概念【。目前的和已經(jīng)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(gè)

37、方面,而沒(méi)有考慮腫瘤異質(zhì)性的生物因素,即一個(gè)腫瘤內(nèi)存在生物學(xué)行為不同、放射敏感性不一的許多腫瘤亞群。近年來(lái)醫(yī)學(xué)影像學(xué)已有了飛速的發(fā)展,并介入了生物學(xué)、生理學(xué),主要包括以下幾種技術(shù):、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(shù)。新近發(fā)展的上述新技術(shù)不但能提供博士學(xué)位論文醫(yī)學(xué)影像的信息,即腫瘤及其周?chē)＝M織結(jié)構(gòu)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(xué),結(jié)合腫瘤生物學(xué)的研究有可能提供待照射腫瘤的生物學(xué)和放射生物學(xué)等方面的特性,影響放療療效的腫瘤放射敏感性,與之有關(guān)的基因特性和表型。上述這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,從而把放射靶區(qū)的定義和概

38、念得以擴(kuò)展,在空間物理的靶區(qū)基礎(chǔ)上加入有關(guān)腫瘤的生物學(xué)特性的信息,即成生物靶區(qū)體積 ,。因而可以對(duì)一個(gè)腫瘤內(nèi)不同放射敏感性的腫瘤細(xì)胞亞群給予不同的劑量,也即從生物學(xué)方面也達(dá)到適形。因而在物理劑量的三維適形基礎(chǔ)上再加上生物適形,所以稱(chēng)為多維適形放療。.本課題的研究意義正如前面所述,調(diào)強(qiáng)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(jì)的放射治療的主流方向,被譽(yù)為是放射腫瘤學(xué)歷史上的一次變革。國(guó)外已有數(shù)家公司正在開(kāi)發(fā)和研制各種系統(tǒng),目前進(jìn)入臨床的有美國(guó)公司的系統(tǒng)、 回旋加速器和通過(guò)電動(dòng)多葉光柵實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療。國(guó)內(nèi)也有數(shù)家公司開(kāi)

39、展通過(guò)手動(dòng)多葉光柵進(jìn)行靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療的研究。對(duì)于應(yīng)用回旋加速器實(shí)現(xiàn)顯然與我國(guó)各級(jí)醫(yī)院的經(jīng)濟(jì)實(shí)力不符,而應(yīng)用公司的系統(tǒng),其對(duì)直線(xiàn)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(xiàn)加速器和舊型進(jìn)口加速器都不能達(dá)到,對(duì)于通過(guò)電動(dòng)多葉光柵實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療其價(jià)格也難以為中小醫(yī)院所接受。而通過(guò)手動(dòng)多葉光柵進(jìn)行靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療對(duì)存在子野分割、片間泄漏、過(guò)中有限、適形度降低、治療時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等諸多問(wèn)題。所以一方面是臨床上廣泛的迫切需要和必然趨勢(shì),一方面是難以改變的價(jià)格以及硬件條件的瓶頸限制,技術(shù)還難以廣泛進(jìn)入我國(guó)的臨床放射治療,第章緒論數(shù)以萬(wàn)計(jì)的腫瘤患者得不到最佳的治療。本課題特色是獨(dú)創(chuàng)地提出“

40、立體一平面一立體地思想,創(chuàng)新地運(yùn)用切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將復(fù)雜的三維劑量模型轉(zhuǎn)變成可以制作的多個(gè)二維平面模型,再將多個(gè)二維模型疊加,成為所需要三維模型,從而實(shí)現(xiàn)利用已有低熔點(diǎn)鉛擋塊制作設(shè)備,制作出經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性能可靠的三維靜態(tài)調(diào)強(qiáng)器,由此實(shí)現(xiàn)靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療“運(yùn)用切片法制作三維調(diào)強(qiáng)器實(shí)現(xiàn)靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利:.。該方法適合各類(lèi)直線(xiàn)加速器,且成本低廉,可廣泛推廣并將創(chuàng)造出可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在放射計(jì)劃治療系統(tǒng)研究方面,由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、放射物理學(xué)、放射生物學(xué)、分子生物學(xué)和影象學(xué)等學(xué)科的有力支持,以及多邊緣學(xué)科的有機(jī)結(jié)合,放射治療技術(shù)己經(jīng)取得了革命性的進(jìn)步。經(jīng)典的三維適形放射治療技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)

41、足復(fù)雜病灶結(jié)構(gòu),特別是對(duì)于非凸形靶區(qū)和靶區(qū)周?chē)＜捌鞴?,比較多時(shí)的治療要求。而技術(shù)的出現(xiàn)則為解決這些問(wèn)題提供了一個(gè)極好的工具。但鑒于問(wèn)題的復(fù)雜性,的優(yōu)勢(shì)還遠(yuǎn)沒(méi)有在臨床應(yīng)用中完全發(fā)揮出來(lái)。特別是國(guó)內(nèi)的理論研究和臨床應(yīng)用基本上都還處于起步階段。治療計(jì)劃作為調(diào)強(qiáng)放療的核心和基礎(chǔ),其中尚有許多急需解決的問(wèn)題,比如常規(guī)優(yōu)化效果的提高、自動(dòng)選擇射野方向、減少優(yōu)化時(shí)間、縮短治療時(shí)間,以及專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用等等。這些問(wèn)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(shí)驗(yàn)室研究階段。對(duì)于這些問(wèn)題的研究和改進(jìn)具有理論和實(shí)際應(yīng)用兩方面的積極推動(dòng)意義。本課題以實(shí)現(xiàn)和完善常規(guī)的優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ),圍繞筆射束權(quán)重優(yōu)化、

42、提高優(yōu)化速度、縮短治療時(shí)間等方面的問(wèn)題展開(kāi)深入、細(xì)致和創(chuàng)造性地研究。希望通過(guò)算法研究和臨床需求的緊密結(jié)合,在優(yōu)化算法上有所創(chuàng)新和突破,真正可為臨床應(yīng)用解決若干重要和迫切的問(wèn)題。.本文內(nèi)容安排本文首先在第一章的概述中對(duì)調(diào)強(qiáng)放射治療的基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù)原理、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及本文的研究意義和工作內(nèi)容進(jìn)行綜述和介紹。博士學(xué)位論文第二章到第五章是本論文的重點(diǎn)。在第二章中我們首先對(duì)精確定位技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行了研究。研究的內(nèi)容主要分五個(gè)方面:體部精確定位技術(shù)及設(shè)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(shù)的研究;基于外部特征的/圖像融合精確定位技術(shù)的研究;基于圖像引導(dǎo)的動(dòng)態(tài)跟蹤精確定

43、位技術(shù)的研究。在第三章中,我們首先對(duì)治療計(jì)劃系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)分析,探討目前研究的各種方法的優(yōu)點(diǎn)和不足,并在詳細(xì)介紹了劑量模型、目標(biāo)函數(shù)和遺傳算法原理的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了以下有意義的探索和嘗試:通過(guò)建立基于筆射束的三維光子劑量計(jì)算模型,用卷積的方法和快速傅立葉變換實(shí)現(xiàn)了精確劑量計(jì)算;用遺傳算對(duì)法對(duì)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,在靶區(qū)的周?chē)串?huà)了輔助器官,建立了靶區(qū)內(nèi)劑量均勻性約束、危險(xiǎn)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(jì)劃優(yōu)化結(jié)果的評(píng)估手段,用等劑量線(xiàn)、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;基于.

44、.平臺(tái),用 群. 初步完成了治療計(jì)劃系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。第四章我們首先介紹手動(dòng)和半自動(dòng)多葉光柵的研究和設(shè)計(jì),并分析了應(yīng)用兩者進(jìn)行靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療的可能性和缺陷?；谖覈?guó)目前各級(jí)中小醫(yī)院的實(shí)際情況,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)放射治療的方法,并對(duì)此開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以證明該方法為一種實(shí)現(xiàn)照射野不規(guī)則有效形狀和在照射野范圍內(nèi)照射強(qiáng)度變化的簡(jiǎn)單、可行且有效的方法,具有廣泛的臨床應(yīng)用前景。第五章我們介紹了靜態(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。首先詳細(xì)論述了一種新型劑量測(cè)量水箱的設(shè)計(jì)和研制;然后介紹了應(yīng)用同心圓法測(cè)量靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療系統(tǒng)定位精度的實(shí)驗(yàn)和結(jié)果,它是機(jī)械定位系統(tǒng)

45、、計(jì)劃系統(tǒng)和直線(xiàn)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(yàn)證系統(tǒng)絕對(duì)劑量和相對(duì)劑量的準(zhǔn)確性,我們進(jìn)行的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)合的綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與評(píng)估的結(jié)果。第六章對(duì)論文的工作進(jìn)行了總結(jié)與展望。博士學(xué)位論文第章靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療精確定位技術(shù)的研究.體部精確定位技術(shù)及設(shè)備的研究.技術(shù)領(lǐng)域及研究背景本項(xiàng)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(shè)計(jì)及改進(jìn)。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(gè)重要設(shè)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(shí)照射靶心定位和再次照射時(shí)重復(fù)定位,以保障病人的病變區(qū)域在放射治療

46、時(shí)得到準(zhǔn)確而適量的照射,從而獲得最佳的治療效果。無(wú)論是體部刀、 還是精確放射治療技術(shù),都充分體現(xiàn)了當(dāng)今技術(shù)潮流即所謂三精原則:精確定位、精確計(jì)劃和精確治療、,而精確定位是首要因素,因此都需要設(shè)計(jì)特殊的機(jī)械定位系統(tǒng)來(lái)保證其體部病灶中心的定位精確,這是保證整個(gè)治療精確性的基礎(chǔ)。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(zhǔn)確定位的一套機(jī)械系統(tǒng)。圖運(yùn)用原體部精確放射治療定位系統(tǒng)進(jìn)行體部刀治療第章靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療精確定位技術(shù)的研究如圖所示為原設(shè)計(jì)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(cè)坐標(biāo)尺、弓形和坐標(biāo)尺、呼吸限制與重復(fù)定位標(biāo)記器等組成。體位定位框

47、呈形固定結(jié)構(gòu)如圖.所示,由底板和左右兩側(cè)板組成。坐標(biāo)尺固定安裝在體位定位框左右兩側(cè)板上,為定位系統(tǒng)提供坐標(biāo),同時(shí)作為弓形和盯坐標(biāo)尺的安裝基準(zhǔn)和前后方向滑動(dòng)導(dǎo)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(biāo)。呼吸限制與重復(fù)定位標(biāo)記器同弓形和坐標(biāo)尺一樣安裝在坐標(biāo)上,并可以在其上前后滑動(dòng)和從中移出。圖.原設(shè)計(jì)的.體部立體定向精確放射治療定位系統(tǒng)其特點(diǎn)是采用整體結(jié)構(gòu),形定位標(biāo)記桿如圖.、圖.所示埋制在體位定位框的底板和左右兩側(cè)板內(nèi),加工定位與裝配精度要求高。形定位標(biāo)記桿呈三段布置,其上面兩不等長(zhǎng)直線(xiàn)段作為長(zhǎng)度方向上分區(qū)標(biāo)記,即第一段掃描時(shí),截面定位標(biāo)記為點(diǎn),第二段掃描時(shí),截面定位標(biāo)記為點(diǎn),

48、第一段掃描時(shí),截面定位標(biāo)記為點(diǎn),這樣通過(guò)這些標(biāo)記點(diǎn)就可以通過(guò)程序計(jì)算靶點(diǎn)中心的三維坐標(biāo)。然后通過(guò)兩側(cè)長(zhǎng)度坐標(biāo)尺、弓形高度和寬度坐標(biāo)尺可以確定靶點(diǎn)中心的空間位置。博士學(xué)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(wèn)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(cè)板上的整體設(shè)計(jì)方案,造成型體部定位框兩側(cè)過(guò)高。由此在實(shí)際臨床治療時(shí)存在以下問(wèn)題:、由于原來(lái)型體部定位框兩側(cè)過(guò)高,對(duì)于一些肥胖的病人,當(dāng)其躺進(jìn)型體部定位框時(shí),兩肩及四肢都會(huì)產(chǎn)生空間位置不足,病人難以忍受,造成定位困難。、由于原來(lái)型體部定位框兩側(cè)過(guò)高,在放射治療時(shí),加速

49、器機(jī)頭適配器第章靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放射治療精確定位技術(shù)的研究用于安裝圓筒二次準(zhǔn)直器或適形鉛模或外掛式多葉光柵在某些治療角度上與型體部定位框兩側(cè)碰撞或干涉阻擋射線(xiàn),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(shí)由于整體結(jié)構(gòu),造成型體部定位框重量較大,造成搬運(yùn)不便從掃描定位室到直線(xiàn)加速器治療室。.研究方案和創(chuàng)新設(shè)計(jì)本研究的目的在于提供一個(gè)根據(jù)臨床實(shí)際應(yīng)用需要,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhǔn)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(shí)照射靶心定位和再次照射時(shí)重復(fù)定位,以保障病人的病變區(qū)域在放射治療時(shí)得到準(zhǔn)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(dú)特的設(shè)計(jì)思想,用分離結(jié)構(gòu)取