三维静态调强放射治疗技术研究

三维静态调强放射治疗技术研究 课题来源.‘‘三维静态调强放射治疗系统研究”,广东省科技攻关项目 业 专 名 称 生物医学工程 学位申请人 陈超敏 指 教 导 师 陈光杰教授 答辩委员会主席 岑人经教授 答辩委员会成员 陈仲本教授 林意群教授 李伟鹏教授 周凌宏教授 论文评阅人 陈武凡教授 岑人经教授 陈仲本教授 年月日 广州 瘤病人需要进行放射治疗。调强放射治疗 是在三维适形放射治疗 基础上新近发展起来的更为先进的体外三维立体照射技术,它不 仅能使高剂量区的形状在三维方向上与肿瘤的形状一致,而且可对照射野范围 内各点输出剂量率按要求的方式调整,优化配置射野内各线束的权重,从而可 以较大幅度的增加肿瘤剂量和减少正常组织的受量,极大地提高肿瘤控制率和 降低正常组织并发症的发生率。由此具有重要的放射生物学意义,已成为世 纪的放射治疗的主流发展方向。 但是,目前在国内临床上应用的系统仅被国外几家大公司的产品所垄 断,无论是 回旋加速器的直接调强方式,还是以电动多叶准 ,.和静态技 直器为代表的动态技术 术..,.的间接调强方式,前者约万美元的价格令 国人望而退步,后者对直线加速器的自动控制和治疗床的高精度要求,使目前 我国现有的国产直线加速器和旧型进口加速器都无法满足,此外其电动及 系统不菲的价格也难以为中小医院所接受。一方面是临床上广泛的迫切需 要和必然发展趋势,一方面是难以改变的价格以及硬件条件的瓶颈限制, 技术难以广泛进入我国的临床放射治疗,数以万计的肿瘤患者得不到最佳的治 疗。所以作为一种新的精确放疗技术,无论从硬件还是软件方面目前尚有摘要 许多问题需要解决和改进。为此,研究和开发能够为广大医院接受的新型 系统已成为国内外研究的热点。本论文综述了国内外的研究现状,分析了 目前在临床应用的系统两种主要方式静态和动态调强的特点和不足; 在已掌握的适形放射治疗技术以及对计算机各类优化算法的深刻理解的基础 上,结合我国现有的实际物质条件和技术力量、经济水平,利用已经掌握的靶 区病变及周围重要器官的三维空间重建和体位精确重复定位技术,研制开 发出适合中国国情的、具有自主知识版权、能为广大中小型医院接受并应用、 具有较好性能价格比的三维静态调强放射系统,为此,所做的主要工作如下: 、静态调强放射治疗精确定位技术的研究 众所周知,待治病灶的精确定位是放射治疗的前提和关键。它包括利用各 种影像资料的准确显示、三维重建、勾画、病灶中心的坐标计算和机械定位装 置精确定位等多个过程。其中机械定位装置是贯穿整个治疗过程的基准和桥梁, 为此我们首先对体部精确定位技术及设备进行了研究,创新地提出分离式精确 定位系统“用于放射治疗的体部精确定位系统实用新型专利申请号: .改进了原.适形放射治疗系统中的整体式定位系统,进 一步提高了系统定位精度,并成功地解决了原定位系统各种不足和缺点。在此 基础上我们设计出新型头颈部精确定位系统,并取得很好的临床应用效果。 模拟定位放射治疗系统是近年来迅速发展的一种定位方法,在本课题中我们着 重对其中的激光定位系统开展了研究,掌握了利用步进电机和单片机准确控制 激光定位的方法,为今后在精确放射治疗系统中扩展模拟定位功能奠定了基 础。最后紧跟目前调强放射治疗的最新发展热点,我们开展了基于外部特征的 叫异机图像融合精确定位技术和基于图像引导的动态跟踪精确定位技术的 初步研究。 、静态调强放射治疗计划系统及优化技术的研究 作为一种新的精确放疗技术,由于技术的复杂性,其优势还远远没有 发挥出来,尤其是治疗计划设计目前尚有许多问题需要解决:如选择合适的剂 博士学位论文 量计算模型和逆向计划优化方法等。随着研究的深入和逆向治疗计划的发 展,放射治疗中如何自动选择射野参数引起了广泛关注,越来越多的科研人员 加入到此项课题的研究行列中来。在治疗计划设计中,需要优化的参数很 多,包括射线能量、射束权重、射野方向等。常用优化方法有:线性规划法、 均方优化法、梯度方法、有约束模拟退火法和遗传算法等。在本课题的研究中, 我们建立了基于笔射束的剂量计算模型,用卷积的方法和快速傅立叶变换 实现了精确剂量计算;用遗传算对法对逆向计划的笔射束权重进行了优 化;优化过程中采用了基于剂量的目标函数来计算个体适应度的大小,建立了 剂量均匀性约束和组织重要程度约束;用等剂量线、三维剂量分布和剂量.体积 直方图来评估计划的优劣。最后我们用酣成功开发了“./基 于遗传算法的调强放射治疗计划系统并获得国家计算机软件著作登记 。研究与实验结果表明,遗传算法是一种有效的笔射束 权重优化方法,能够在一个临床可接受的计算时间内得到较高适形度的剂量分 布,在射野参数优化中具有广阔的应用前景。 、静态调强放射治疗实现方法和设备的研究 目前在临床上实现调强放射治疗的方法主要有应用 回 旋加速器法和利用多叶准直器法静态和动态。对于应用回旋加速器实 现,显然与我国各级医院的经济实力不符,而无论是应用公司的 系统,还是应用各种进口动态多叶准直器.., ,前者其对直线加速器的自动控制和治疗床的高精度要求,使目前我国 现有的国产直线加速器和旧型进口加速器都不能满足;后者其价格和使用要 求 也难以为中小医院所接受。所以研究和开发能够为广大医院接受的新型 系统也已成为我们研究目标和出发点。在本课题中我们首先开展了手动多叶准 直器的研究,设计并研制了手动和半自动多叶准直器。然而它们因使用过于费 时和繁琐,远不能满足调强放射治疗的临床实际应用。由此根据我国现状和经 济水平,我们认为通过采用三维熔铅挡块到达适形照射区域剂量分布变化从而 摘要 实现静态的方法,在临床上具有特别重要的意义。为此,我们独创地提出 “利用切片法研制三维铅挡块实现调强放射治疗发明申请号: 的方法,并对此开展了实验和研究。 、静态调强放射治疗系统实验验证及测试设备的研究 三维水箱扫描系统是用于直线加速器定量测量模拟人体模型中射线剂量分 布的设备,可全自动连续扫描测量辐射吸收剂量。但三维水箱扫描系统主要依 赖进口,价格昂贵。目前国内各大医院根据临床实际应用需要,采用结构简单 但能实现主要的功能的成本低廉的剂量测量水箱,又称标准水箱或标准水模。 标准水箱设计了一个放水阀水龙头,通过控制水龙头放水至水桶里,实现 水深度的减少。如果需要水深度的增加,就采用水杯从水桶舀水至水箱中。在 实际测量中,这种工作模式存在测量效率低、劳动强度大、水位控制不精确、 对电路及机器有不安全等不足,本项目组为此研制的一种新型立体定向放射治 疗系统剂量测量水箱实用新型专利申请号:.成功地解决了标 准水箱上述不足,它具有水泵自动平稳控制水位、快速、安全的特点。最后, 我们开展了静态调强放射治疗系统实验验证研究,主要包括系统定位精度的检 验、基于人形体模和自制有机玻璃均匀等效方形体模的两种测量相结合的的实 验验证与评估。其目的是对静态调强放射治疗系统进行定位精度和剂量验证, 前者是机械定位系统、计划系统和直线加速器治疗系统的综合治疗精度的检验; 后者主要包括绝对剂量验证和相对剂量验证。 关键词调强放射治疗精确定位系统 异机图像融合图像引导动态跟踪遗传算法 笔射束权重优化逆向治疗计划 多叶准直器切片法: . : . %?% .?, , ,. .,,, , ., . . ;博士学位论文 ’ ,, ? ’ , . : , ., . ,,,.. , ””:., , , .., ,,../ ., . , ,. , , ., , ...?.舞.带. ”/ ”, . , ,.博士学位论文. . .. ’? .?, . . ’., ? . .. . ’ ,. ”,” :, . . . . .,, . ,, . ,, , , .:., ,, . , ’,: . , . ; ; ;;; ; ; ; ; 博士学位论文 目 录 摘 要...。 第章 绪论 .研究背景 .调强放射治疗的发展历史. .调强放射治疗系统组成及实现方法??. ..调强放射治疗的技术原理 ..调强放射治疗系统的组成与实施过程? .. 静态、动态调强放射治疗技术?. .调强放射治疗的国内外研究现状及发展方向?. .本课题的研究意义.本文内容安排. 第章静态调强放射治疗精确定位技术的研究.体部精确定位技术及设备的研 究? ..技术领域及研究背景?.. ..存在的问题 ..研究和创新设计?.. ..材料与加工方法? ..研究的特点与意义 .头颈部精确定位技术及设备的研究?。 ..技术领域和研究背景?.. ..材料与方法??。 ..临床应用。 ..改进与讨论 . 模拟放射治疗系统的激光定位系统的研究? ..技术背景? .. 模拟定位放射治疗系统的组成和治疗过程 . 模拟定位放射治疗系统中的激光定位系统 ..激光定位系统电路设计? ..讨论..目录 . /图像异机融合技术在肿瘤精确放射治疗中的应用研究. ..问题的提出 ..技术背景与研究意义..研究目标与主要内容?.. ..初步研究工作??。 .基于图像引导的动态跟踪精确定位技术研究?. ..问题的提出 ..国内外研究现状.. .研究目标和主要内容..动态跟踪系统组成及实旌步骤? ..讨论.. 第章静态调强放射治疗计划系统及优化技术的研究??.. .研究背景.. 放射治疗计划系统 .. 计划系统的关键技术..研究目的和意义? ..本研究的主要内容??。 .基于遗传算法的子野权重优化技术的研究?.. ..遗传算法理论..三维光子卷积剂量计算模型的建立..遗传算法算例测试 ..基于遗传算法的子野权重优化的实现。 .系统开发环境??.. .系统主要功能模块设计。 .系统评估方法与结果??. 第章静态调强放射治疗实现方法和设备的研究? .手动多叶光栅的研制。 ..技术背景.. ..设计要求与方案 ..多叶光栅系统总图与说明??. ..系统性能测量方法与结果..讨论??.. .应用切片法制作三维静态调强器铅挡块的研究。 博士学位论文 ..技术背景。 ..材料与方法..可行性验证实验 ..三维熔铅器设计 ..讨论??.?.第章静态调强放射治疗系统实验验证及测试设备研究? .新型剂量测量水箱的研制..技术背景。 ..材料与方法??.. ..设计图纸与改进. ..讨论??.. .定位系统定位精度的实验验证 ..实验目的 ..测试方法. ..实验工具和设备。 ..测试步骤。 ..测试结果 ..讨论??.. .基于模体的剂量实验验证与评估 ..技术背景. .实验目的 .实验用设备仪器 .验证内容与方法. .实验结果 ..讨论??.. 第章与展望 .论文总结。 .工作展望参考文献博士期间发表的论文及取得的成果致谢? .学位论文原创性声明??。 目录 博士学位论文 第章绪论 .研究背景 放射治疗主要用于恶性肿瘤,它与手术治疗和化学药物治疗一起,组成了 肿瘤的三大治疗手段。国内外数字统计表明,约有%~%的癌症患者需要不 同程度单纯放射治疗或与手术、药物配合治疗地接受放射治疗。目前,随 着三大治疗技术的不断改进和发展,经治疗后的肿瘤患者的五年生存率已经达 到%以上,即约有半数的肿瘤患者可以被治愈。放射治疗与手术治疗一样, 是一种局部治疗手段,约有%的肿瘤治愈率是局部治疗手段的贡献【。原发 肿瘤的局部控制是肿瘤治愈的先决条件。局部控制失败,会导致肿瘤的局部复 发和远地转移。已经有证据表明,通过采用新的或改进的治疗方法,使肿瘤患 者的原发局部肿瘤的控制率得到更有效地控制,就可以得到较高的治愈率。 放射治疗不仅是肿瘤局部治疗的有效手段,而且它能够不同程度地保留器官的 功能,改进患者治愈后的生存质量。 放射治疗的根本目标是,最大限度地将放射线的剂量集中照射到病灶靶 区内,杀灭肿瘤细胞,同时使周围的正常组织 和关键器官 ..,免受或尽可能少受不必要的照射。从放射生物学角度来 讲,就是最大限度地增加肿瘤的局部控制率 ,同 时尽可能地减低周围正常组织和关键器官的放射并发症概率。大量的临床报告已经证吲明,高剂量照射会提 高肿瘤的局部控制率和无瘤生存率。而且病灶的体积越大,需要的肿瘤控制 剂 量一般越高。但对于目前的常规放疗,由于扩大了周围正常组织的照射范围, 所以就限制了肿瘤剂量的提高。而三维适形放疗可望改善和解决肿瘤的局部控 制率问题。三维适形放疗 .作为 一种治疗技术,可以使得高剂量区计量分布的形状在三维上与靶区的形状一致。第章绪论 常规的.只能实现在照射野方向上达到照射野形状与靶区投影一致。而 现在的调强适形放射治疗. 简称调 强放疗则除了满足前面的条件外,还可以通过调整射野的输出强度分布而使 得高剂量分布在三维上与靶区达到一致。的出现是放射肿瘤学史上的一次 变革,它目前正逐步成为本世纪放射治疗技术的主流【。 与常规放射治疗相比,存在很多的优势: 采用了精确定位和重复固定技术,大大提高了靶区的定位和照射精度; 采用了精确治疗计划即逆向计划,实现了治疗计划的自动设计和优化; 采用了精确照射,即能够优化配置射野内各射束的权重,使靶区形状和 高剂量区分布的形状在三维方向上与靶区的实际形状一致,并可以使计划靶区 的剂量分布更均匀,同时可以在边缘形成更陡的剂量梯度。 采用精确定位、精确计划、精确治疗的“三精方式,其结果可以达 到放射治疗“四最”要求。即靶区受照射剂量最大、周围下常组织受照射剂量 最小、靶区的定位和照射最准确、靶区内剂量分布最均匀。总之,肿瘤放射治 疗从早期的常规治疗到适形放射治疗,发展到现在的调强放疗,经历了一个并 不算太长的过程。而且随着计算机技术和电子技术等的迅猛发展,放疗技术目 前正进行着日新月异的变革。的实现从早期的以楔形板、补偿器和正向计 划为基础的初级阶段,发展到现在的以多叶准直器. 和逆向计划 为特点的现代,新技术、新方法层出不穷, 治疗效果也在不断提高。下面我们首先简单介绍调强放射治疗的历史发展,然 后对调强放射治疗的国内外研究现状进行综述。最后对本文的研究意义和要解 决的问题进行阐述。 .调强放射治疗的发展历史 适形放射治疗概念的提出和临床研究最早开始于年。日本的 及其同事一起,用自行设计的机械控制系统控制多叶准直器的开口形 博士学位论文 状与射野方向上的靶区投影形状一致,围绕患者进行旋转适形治疗。几乎与 此 同时,及其同事独立地提出了同步挡块旋转照射方法。其做法是,将特 殊设计的铅挡块安装在患者和机头准直器之间,并能随着机架或患者的旋转作 同步运动,保证铅挡块的形状随时与照射的靶区的投影形状保持一致。这种方 法由于悬挂的铅块比较笨重,而且制作困难,不易推广。于年提出 了循迹扫描 的原理,并建立了这种系统的机器和计划设计 的方法。它依靠治疗机和治疗床的配合运动,使得靶区每个截面中心总是位于 机器的旋转中心上,而射野的形状和大小靠准直器的叶片运动和床的纵向运动 得到。循迹扫描目前已经被步进式如的系统和螺旋扫描 式如调强扫描技术所替代。和 分别在 .和东芝.型直线加速器上用来调节射野 的形状。从最初的手动控制到后来的微机控制,从而得到动态的适合肿瘤形状 的剂量分布。提供了一种非常实用的适形放疗方法。 现代意义上的最初由和及其同事于二十世纪 年代提出来的。但限于当时的计算机技术和剂量计算模型条件,无法 在临床得以实现。而及其计算机控制系统的建立与发展,则为的 应用和发展起到了硬件上的保证作用。而逆向技术的出现则从 软件上促进了的普及和推广。年,公司在世界上率先利 用准直器和自己设计的以模拟退火算法为基础的逆向治疗 计划系统,实现了调强放射治疗【。之后,、、和 等公司都相继推出了各具特色的放疗计划系统。目前, 已经进入了一个飞速发展的时期。表列出了发展过程中的一些标志 性的事件。 笫章绪论 表 发展过程中的里程碑事件 相关事件 时间 以前 用铅挡块、楔形板和补偿器等实现最原始的治疗 等人提出了同步挡块旋转照射技术 等人用楔形板/补偿器得到的调强野来生成均匀的环 形剂量分布 提出了逆向计划的概念 提出了基于模拟退火方法的逆向优化技术 基于子野的静态技术的提出/ 提出了动态调强技术 治疗系统的出现 提出了螺旋式的断层治疗技术 和首次完成了静态调强治疗 至今 调强治疗技术的理论上的进一步完善 技术的完善;开始进入商业领域 .调强放射治疗系统组成及实现方法 ..调强放射治疗的技术原理 所谓调强就是通过调节多个照射野内的射线强度分布,可以得到 高度适形的靶区的三维剂量分布,从而在不增加甚至减少周围正常组织受照剂 量的前提下,到达增加靶区剂量,提高治疗增益比的目的。 如图.所示,常规放疗、适形放疗和调强放疗的区别。 调强放射治疗实现的基本思维来自于扫描。假设体内有一个不规则的 肿瘤,若放射治疗机也和一样做一个旋转照射,在每个相应部位都给与肿瘤 形态和密度相适应的不均匀照射,经旋转一周后,就能获得与肿瘤形态基本一 致的高剂量区。为达到剂量分布的三维适形,必须满足下述的必要条件:?在 照射方向上,照射野的形状必须与病变靶区的形状一致;?要使靶区内及 博士学位论文 表面剂量处处相等,必须要求每一个射野内诸点的输出剂量率能按要求的方式 进行调整。满足上述两个必要条件的第一个条件的三维适形治疗称之为经典适 形治疗.;同时满足上述两个条件的三维适形治疗称之为调强适形放射 治疗。 一 一 一 一 一 一 :二托瓤。 二二托, 觚钳遮挡 嚣扳 雾黧蓍 黔瓣 回硝嚣 回膳器 艄敝 射境量度 一度? 如秒 》 口 、常规放疗 、适形放疗 、调强放疗 图常规放疗、适形放疗和调强放疗的区别 图等剂量分布的三维控制示意图 射野内任意一点的剂量大小为个照射野在该点的剂量率如和照射 ?如。越 智” . 时间缸的乘积之和: 而各野在该点的剂量率如由下列因素确定:射线能量、源皮距离、射野大 小、组织深度、离轴距离和组织不均匀等。由于这些因素的影响,使得如随 位 第章绪论 置而变化。根据适形放疗的定义,靶区内及靶区表面的剂量应相等,则各野到 达点的剂量率如和照射时间的乘积之和应为常数,即: 善如‘??锡,‘?‘;? ; 【’, . 显然有两种控制办法,使式为常量此常量应等于靶剂量:调节各 射野到达点的剂量率的如大小;或者调整各射野照射点的时间他。 无论是改变剂量率%还是调整时间馘,最终是改变了照射野内,射线光子 的能量注量或电子、质子等的粒子注量,即改变射线的强度故调整 。根据改变对象的不同,实现调强的方法主 过程称为调强 要有以下几种: 一维物理楔形板 组织补偿器 调整剂量率靠: 剂量补偿器 棋盘准直器 动态楔形板一维独立准直器动态扫描 多叶准直器静态调强 多叶准直器四动态调强 调整照射时间他: 断层治疗豢蓑妻 直接调整射线能量如电子回旋加速器或质子治疗 ..调强放射治疗系统的组成与实施过程 调强放射治疗全过程包括病变靶区和重要器官及组织的空间定位、治疗计 划设计、治疗方案的模拟及治疗方案的实施四个阶段。所以调强放射治疗系统 和传统的常规放射治疗、三维适形放射治疗系统一样均由软件系统治疗计划 系统 .和硬件系统定位及治疗系统两大部分组成。 博士学位论文 在治疗计划系统中,逆向计划是的特点和核心,我们这罩将用对比 的形式对其本质进行介绍。图.给出了逆向计划与传统正向计划在制作流程 上的主要差别。传统的治疗计划的制作过程是,计划制作者根据治疗方案的要 求,根据自己的经验选择射线类型、射线能量、射野个数及入射方向、射野剂 量权重、外加射野挡块或楔形板等,由计算机计算体内的剂量分布,然后利用 剂量学四原则对计划进行评估,最后确定治疗方案。尽管目前治疗计划系统中 带有多种治疗计划的设计工具和计划评估工具,但正向设计的计划往往只是 可 接受的,而不是最优的。而且这个计划制作过程常常需要反复调整几次,是一 个典型尝试性..的工作模式。而逆向计划则正好相反。它是根据 医生确定的治疗要求,由计算机通过逆向优化算法来自动寻找出符合要求的最 佳治疗方案。图.形象地给出了逆向计划与传统正向计划的本质差别所在。 当然,由于影响治疗效果的因素太多,而且有些因素仍在探索之中。因此,任 何一个优化的治疗方案都是有条件的。另一方面,优化的方案必须与治疗实施 的可能性结合起来。所以,根据实际情况求得一个相对完美的治疗计划才是治 疗优化的真正含义。 图正向计划与逆向计划的制作流程 第章绪论 图?正向计划与逆向计划的差别 治疗计划设计是放射治疗过程中极其重要的一环,治疗计划系统是放射治 疗的一个重要组成部分和联系纽带。治疗计划系统的主要功能是接受// 输出的图像通过网络、中间介质等,病变靶区及重要器官和组织轮廓的 勾画及重建,建立患者治疗坐标系,制订一个优化的治疗方案,输出治疗方案 实施的细节到治疗机的控制计算机,以及到为实施该治疗方案所需要的治疗辅 助工具如挡块、组织补偿等制作器。适合二维适形放疗用的计划系统必须 具有下述几大特征【】:?必须使用立体定位框架,确立摆位过程中患者坐标系和 维持它的不变性。?精确重建患者治疗部位的三维图像,和给出靶区及重要器 官的三维形状及体积。?安排和设计射野时,能够模拟常规模拟定位机的射野 选择功能,包括准直器种类对称、独立、多叶准直器等,利用射野方向观视 功能,设置射野挡块、叶片位置等。?不仅要采用较为精确的正向剂量算 法特别对散射线和电子平衡失衡的处理外,还必须有逆向算法,给出调强射野 的强度分布。?具有多种剂量显示和计算评估功能,包括多平面剂量分布显示、 剂量分布显示、图显示、和的计算与评估等。?治疗方案, 特别是射野的安排,利用能与模拟定位机和治疗机射野影像系统的射野确 认片进行比较。?治疗方案确定后,治疗条件能够送到治疗机的控制计算机中, 包括机架、准直器、治疗床的转角与范围、射野大小、方向,叶片的设置、 运动范围及速度等;治疗辅助设备如挡块、补偿器的制作器上;模拟机或模 博士学位论文 拟机的射野激光指示器上等。 而硬件系统主要包括三大部分,一、治疗靶区及关键组织的空间精确 定位设备,如扫描定位框或//图像融合定位框;二、重复照射时 重复定位设备,如重复定位标记激光指示器、重复定位真空垫等;三、放射治 疗时精确定位照射设备,如加速器定位激光灯、加速器等中心定位设备;四、 调强实现及验证设备,如三维物理挡块或静态、动态、验证设备 等。这四大部分具体作用是: 靶区病变及周围重要器官的三维空间定位。世纪年代的出现 给放射治疗的肿瘤定位提供了一种较有效的和较精确的工具,特别是现代螺旋 的出现,为三维适形放疗.提供了直接准确的病变靶区及器官的三 维信息,使三维适形放疗有了准确的目标。加之、等先进影像工具的 毒 辅助和图像融合技术的发展,使靶区的三维精确定位上升到一个更高的阶段。 劲像常规放疗一样,三维适形放疗也需要分次照射。保证从肿瘤定位到每 天重复照射时,体位的精确重复,是实施三维适形放疗的根本措施。采用精确 的治疗体位的固定技术,不仅使适形放疗具有实际的临床意义,而且能够进一 步缩小计划靶区的范围,使它更加接近于临床靶区叫。因此,与作 射线立体定向治疗时一样,三维适形放疗过程中,必须采用立体定向定位摆位 框架。 立体定向技术,是开展“线立体定向治疗的首要条件。是精确治疗的基 本特征,也是开展适形放疗首要条件之一。因为,没有立体定位框架,就不能 保证治疗过程中患者坐标系的一致性;没有患者坐标系的一致性,适形治疗 将 变得无临床意义。 治疗机是实现精确治疗的关键设备。医用电子加速器主要有电子回旋加 速器和电子直线加速器两种。最新医用电子直线加速器在功能和技术上均有 显 著的进展,表现为:采用复合靶、复合均整块和电子扫描系统改善线和电子 束的剂量分布特性;采用能量开关或功率分配技术获得能谱相同的高低两挡 第章绪论 射线和实现射线能量的连续调节;采用独立运动准直器,实现非共面相邻野 的剂量衔接和产生动态虚拟楔形板。适合二维调强适形放疗的电子加速 器除具有上述的先进功能外,必须具有为实现调强治疗的由计算机控制的相 应 调强器,如、电磁扫描束等。 治疗证实是适形治疗被准确执行的重要保证,包括治疗前治疗条件的模 拟利用模拟机和常规模拟机;治疗中治疗条件的验证与记录?验证记录系 统;照射中射野及体位的监测?射野影像系统;患者体内剂量监测一活体剂量 测量系统等。 .. 静态、动态调强放射治疗技术 目前,临床上常用的调强方式为多叶准直器 静态或动态调强。目前应用于调强放射治疗的有两种,一种是瓦里安公司 产品,另外一种是公司生产的放疗机上的光栏,它们各 有其优缺点。 目前临床上应用于适形放射治疗的有两种: 一种由对或对铅钨合金相对平行排列而成,大小为锄或 ,每根铅条的移动速 度为 /;其特点是能照射 较大靶区,但其叶片移动速度较慢,因而目前多用多野固定照射;该通 过“滑动的窗口技术实现野内的不均匀照射。 另一种光栏为公司的光栏,由 锄的对铅 钨合金组成,大小 ×;每根铅钨合金条由高压气泵推动,因而移动速 度极快,进入或退出照射野仅需要万分之一秒。由于此类光栏仅 宽,需要 用一层一层的照射技术来完成一个大体积的照射。光栏叶片在计算机控 制下连续形成每个放射野,通过控制不同叶片在照射野内滞留不同时间,实 施 束流调强。 静态调强:是将计划要求的强度分布进行分级,利用形成多个 博士学位论文 子野分步照射。如图.所示,将某个照射野分成个子野。其特点是,每一子 野照射完毕后切断照射,调到另一个子野,直到所有的子野照射完毕,所 有子野的流强相加,从而实现计划要求的强度分布。由于每个子野照射结束 后, 因加速器的射线“”、“动作,带来了静态调强剂量率的稳定问题。 的静态调强技术,非常类似于物理补偿技术,它不需模室制作射野补偿器, 以及摆位时不需手工替换补偿器,方便操作。由于每一子野的剂量分布可分别 测量,因此易于对计划进行验证。但是对于复杂的调强放射治疗计划和在 中经常遇到的要求照射边缘的剂量高于中央区时,就需要子野数目相当大,因 此该方法占用加速器耗时多,射线利用率低,且叶片间射线泄露量也会增加。 其缺点主要有以下几个方面:?加工精度高,计算机控制复杂,价格昂贵 约万美元;?叶片间有漏射线,形成的射野半影大【引。 ◎ 图 静态调强原理 ?? 擂◎ 动态调强原理 图 动态调强:动态调强大致包括动态叶片、动态扫描、动态 弧形调强等方法。动态叶片运动技术的特征是多叶光栅的一对相对叶片总是向 一个方向运动,用计算机控制多叶准直器每一对叶片形成相应形状的缝隙中扫 射靶区,产生所需要的剂量分布。如图所示。即利用叶片的相对运动, 通过控制各个点的射线通过时间和长度来实现射野分布的调节。其特点是多叶第章绪论 准直器叶片运动过程中,加速器一直处于打开照射状态,且可随机架旋转。其 优点在于可以实现连续的强度调节,剂量率稳定,可以缩短总照射时间。其缺 点主要有以下几个方面:?叶片间有漏射线;?质量监控困难;?对设备性能 要求高【。 .调强放射治疗的国内外研究现状及发展方向 进入临床放疗仅余年,还未到达成熟的阶段,存在许多待解决 的问题,主要有:放疗的正确性和重复性还不够好;照射靶区和正常器 官在体内的生理运动影响放疗的精确性;肿瘤边界认定的困难;计 划设计和验证的复杂性;放疗的工作效率不够高:放疗质量控制 和保证不健全;放射生物学方面的挑战,即在和 时代,能给予肿瘤明显高的分割剂量和总剂量,同时对大体积正常组织很低 分 割剂量。在这种新的剂量分割方法条件下,下述两个重要问题有待回答: ?什 么是控制肿瘤最佳分割剂量、总剂量、时间因素?什么是各类正常组织的放 射耐受剂量放射诱导第二个原发性恶性肿瘤发生率增加的可能性。 世纪初肿瘤放疗发展的主要方向是多维适形放疗.,?。?的概念由美国的 教授于年提出,他依据医学影像学、生物学、生理学发展的最新成果在 和的基础上提出了这个新概念【。目前的和已经 做到了放射物理高剂量的立体分布和肿瘤的立体形态相适合,然而这仅仅涉 及 到了物理剂量一个方面,而没有考虑肿瘤异质性的生物因素,即一个肿瘤内 存 在生物学行为不同、放射敏感性不一的许多肿瘤亚群。近年来医学影像学已有 了飞速的发展,并介入了生物学、生理学,主要包括以下几种技术:、造影 、波谱分析 ,、功能性 .、单光子放射断层扫描、正电子发射断层扫描 ,和核素示踪技术。新近发展的上述新技术不但能提供博士学位论文 医学影像的信息,即肿瘤及其周围正常组织结构的解剖影像,还能提供肿瘤和 正常组织生理和功能的信息。此外,分子影像学,结合肿瘤生物学的研究有可 能提供待照射肿瘤的生物学和放射生物学等方面的特性,影响放疗疗效的肿瘤 放射敏感性,与之有关的基因特性和表型。上述这些先进技术的应用,从而把 放射靶区的定义和概念得以扩展,在空间物理的靶区基础上加入有关肿瘤的生 物学特性的信息,即成生物靶区体积 ,。因而可 以对一个肿瘤内不同放射敏感性的肿瘤细胞亚群给予不同的剂量,也即从生物 学方面也达到适形。因而在物理剂量的三维适形基础上再加上生物适形,所以 称为多维适形放疗。。 .本课题的研究意义 正如前面所述,调强放射治疗可以较大幅度的增加肿瘤剂量和减少正常组 织的受量,极大地提高肿瘤控制率和降低正常组织并发症的发生率,已成为世 纪的放射治疗的主流方向,被誉为是放射肿瘤学历史上的一次变革。 国外已有数家公司正在开发和研制各种系统,目前进入临床的有美国 公司的系统、 回旋加速器和通过电动多叶 光栅实现动态调强放射治疗。国内也有数家公司开展通过手动多叶光栅进行静 态调强放射治疗的研究。对于应用 回旋加速器实现 显然与我国各级医院的经济实力不符,而应用公司的系统,其 对直线加速器的自动控制和治疗床的高精度要求,使目前我国现有的国产直线 加速器和旧型进口加速器都不能达到,对于通过电动多叶光栅实现动态调强放 射治疗其价格也难以为中小医院所接受。而通过手动多叶光栅进行静态调强放 射治疗对存在子野分割、片间泄漏、过中有限、适形度降低、治疗时间过长等 诸多问题。 所以一方面是临床上广泛的迫切需要和必然趋势,一方面是难以改变的价 格以及硬件条件的瓶颈限制,技术还难以广泛进入我国的临床放射治疗,第 章绪论 数以万计的肿瘤患者得不到最佳的治疗。本课题特色是独创地提出“立体一平 面一立体地思想,创新地运用切片技术实现了将复杂的三维剂量模型转变成 可以制作的多个二维平面模型,再将多个二维模型叠加,成为所需要三维模型, 从而实现利用已有低熔点铅挡块制作设备,制作出经济实用、性能可靠的三维 静态调强器,由此实现静态调强放射治疗“运用切片法制作三维调强器实现静 态调强放射治疗已申请国家发明专利:.。该方法适合各类直线 加速器,且成本低廉,可广泛推广并将创造出可观的经济和社会效益。在放射 计划治疗系统研究方面,由于计算机技术、放射物理学、放射生物学、分子生 物学和影象学等学科的有力支持,以及多边缘学科的有机结合,放射治疗技术 己经取得了革命性的进步。经典的三维适形放射治疗技术已经无法满足复杂病 灶结构,特别是对于非凸形靶区和靶区周围危及器官..,比较 多时的治疗要求。而技术的出现则为解决这些问题提供了一个极好的工 具。但鉴于问题的复杂性,的优势还远没有在临床应用中完全发挥出来。 特别是国内的理论研究和临床应用基本上都还处于起步阶段。治疗 计划作为调强放疗的核心和基础,其中尚有许多急需解决的问题,比如常规 优化效果的提高、自动选择射野方向、减少优化时间、缩短治疗时间,以 及专家知识库的开发应用等等。这些问题中有的离临床需求尚有一定的距离, 有的基本上还处于实验室研究阶段。对于这些问题的研究和改进具有理论和实 际应用两方面的积极推动意义。本课题以实现和完善常规的优化技术为基 础,围绕笔射束权重优化、提高优化速度、缩短治疗时间等方面的问题展开深 入、细致和创造性地研究。希望通过算法研究和临床需求的紧密结合,在优化 算法上有所创新和突破,真正可为临床应用解决若干重要和迫切的问题。 .本文内容安排 本文首先在第一章的概述中对调强放射治疗的基础知识和技术原理、 国内外的研究现状及本文的研究意义和工作内容进行综述和介绍。 博士学位论文 第二章到第五章是本论文的重点。在第二章中我们首先对精确定位技术及 设备进行了研究。研究的内容主要分五个方面:体部精确定位技术及设备 的研究;头颈部精确定位系统的研究;模拟定位放射治疗系统中激 光定位控制技术的研究;基于外部特征的/图像融合精确定位技术的 研究;基于图像引导的动态跟踪精确定位技术的研究。 在第三章中,我们首先对治疗计划系统研究的关键技术展开分析,探讨目 前研究的各种方法的优点和不足,并在详细介绍了剂量模型、目标函数和遗传 算法原理的基础上,进行了以下有意义的探索和尝试:通过建立基于笔射 束的三维光子剂量计算模型,用卷积的方法和快速傅立叶变换实现了 精确剂量计算;用遗传算对法对逆向计划的笔射束权重进行了优化, 优化过程中采用了基于剂量的目标函数来计算个体适应度的大小,在靶区的周 围勾画了辅助器官,建立了靶区内剂量均匀性约束、危险器官与辅助器官的最 高剂量约束以及组织重要程度约束;建立了治疗计划优化结果的评估 手段,用等剂量线、三维剂量分布和剂量.体积直方图来评估计划的优劣; 基于. .平台,用 群. 初步完成了 治疗计划系统的开发。 第四章我们首先介绍手动和半自动多叶光栅的研究和设计,并分析了应用 两者进行静态调强放射治疗的可能性和缺陷。基于我国目前各级中小医院的实 际情况,我们独创地提出“利用切片法研制三维铅挡块实现调强放射治疗的 方法,并对此开展了实验和研究。通过实验可以证明该方法为一种实现照射野 不规则有效形状和在照射野范围内照射强度变化的简单、可行且有效的方法, 具有广泛的临床应用前景。 第五章我们介绍了静态调强放射治疗系统实验验证及测试设备的研究。首 先详细论述了一种新型剂量测量水箱的设计和研制;然后介绍了应用同心圆法 测量静态调强放射治疗系统定位精度的实验和结果,它是机械定位系统、计划 系统和直线加速器治疗系统的综合治疗精度的体现。最后,介绍了本课题中为第章绪论 验证系统绝对剂量和相对剂量的准确性,我们进行的基于人形体模和自制有机 玻璃均匀等效方形体模的两种测量相结合的综合实验验证与评估的结果。 第六章对论文的工作进行了总结与展望。 博士学位论文 第章静态调强放射治疗精确定位技术的研究 .体部精确定位技术及设备的研究 ..技术领域及研究背景 本项研究是用于体部立体定向精确放射治疗的新型定位系统设计及改进。定 位系统是体部立体定向精确放射治疗系统中的一个重要设备,它主要用于体部 立体定向精确放射治疗包括体部刀中扫描定位、照射治疗时照射靶 心定位和再次照射时重复定位,以保障病人的病变区域在放射治疗时得到准确 而适量的照射,从而获得最佳的治疗效果。 无论是体部刀、 还是精确放射治疗技术,都充分体现了当 今技术潮流即所谓三精原则:精确定位、精确计划和精确治疗 、 ,,而精确定位是首要因素, 因此都需要设计特殊的机械定位系统来保证其体部病灶中心的定位精确,这 是 保证整个治疗精确性的基础。本研究所涉及到的立体定向精确放射治疗定位 系 统就是为体部刀、 、等精确放射治疗提供准确定位的一套机械 系统。 图运用原体部精确放射治疗定位系统进行体部刀治疗 第章静态调强放射治疗精确定位技术的研究 如图所示为原设计的.体部立体定向精确放射治疗定位系统,它 主要由体位定位框、两侧坐标尺、弓形和坐标尺、呼吸限制 与重复定位标记器等组成。 体位定位框呈形固定结构如图.所示,由底板和左右两侧板组成。 坐标尺固定安装在体位定位框左右两侧板上,为定位系统提供坐标,同 时作为弓形和盯坐标尺的安装基准和前后方向滑动导轨,在其上水平 方向和垂直方向分别刻有刻度,为定位系统订和坐标。呼吸限制与重 复定位标记器同弓形和坐标尺一样安装在坐标上,并可以在 其上前后滑动和从中移出。 图.原设计的.体部立体定向精确放射治疗定位系统 其特点是采用整体结构,形定位标记杆如图.、图.所示埋制在 体位定位框的底板和左右两侧板内,加工定位与装配精度要求高。形定位标 记 杆呈三段布置,其上面两不等长直线段作为长度?方向上分区标记,即 第一段扫描时,截面定位标记为点,第二段扫描时,截面定位标记为 点,第一段扫描时,截面定位标记为点,这样通过这些标记点就可以 通过程序计算?靶点中心的三维坐标。然后通过两侧长度坐标尺、弓 形高度和宽度坐标尺可以确定靶点中心的空间位置。 博士学位论文 图原.体部立体定向精确放射治疗定位系统装配图 图原体部精确放射治疗定位系统定位杆位置图 ..存在的问题 原定位系统由于采用将形定位杆固定安装在型体部定位框的底部和左 右两侧板上的整体,造成型体部定位框两侧过高。由此在实际临床 治疗时存在以下问题: 、由于原来型体部定位框两侧过高,对于一些肥胖的病人,当其躺进 型体部定位框时,两肩及四肢都会产生空间位置不足,病人难以忍受,造成定 位困难。 、由于原来型体部定位框两侧过高,在放射治疗时,加速器机头适配器 第章静态调强放射治疗精确定位技术的研究 用于安装圆筒二次准直器或适形铅模或外挂式多叶光栅在某些治疗角度上 与型体部定位框两侧碰撞或干涉阻挡射线,造成某些治疗角度的损失,影 响治疗效果。 、此外,由于将形定位杆集成在型体部定位框中,为保证定位的高精 度,极大地增加了加工和装配的困难与成本。同时由于整体结构,造成型体 部定位框重量较大,造成搬运不便从扫描定位室到直线加速器治疗室。 ..研究方案和创新设计 本研究的目的在于提供一个根据临床实际应用需要,结构简单、成本合理 的体部立体定向精确放射治疗的新型定位系统,为立体定适形放射治疗的提 供 准确而刚性的病灶中心定位,即体部立体定向精确放射治疗中扫描定位、照 射治疗时照射靶心定位和再次照射时重复定位,以保障病人的病变区域在放 射 治疗时得到准确而适量的照射,从而获得最佳的治疗效果。 图.新型体部精确放射治疗定位系统 新型体部立体定向精确放射治疗定位系统,如图.所示,采用独特的设 计思想,用分离结构取代原整体结构,即将定位床、形定位标记杆与坐标定位 尺分别单独设计与/,通过定位床上的定位孔和插销连接,实际应用时根据 需要可方便拆离扫描定位框、靶点坐标定位架和呼吸限制与重复定位标记 博士学位论文 器。下面分别介绍治疗定位床、扫描定位框、靶点坐标定位架和呼吸限制与 重复定位标记器的具体结构与特点: 、如图所示,该治疗定位床两旁有两条竖立的长方条,该长方条上有 个定位圆形销孔,用于连接扫描定位架和靶点坐标定位框。治疗定位床 中间的横立的长方条,其上亦有个定位圆形销孔,用于安装底部扫描定 位板,辅助病灶的坐标定位计算。 在治疗定位床头尾两端分别有两个水平调整旋纽,用于调整扫描和放 射治疗时定位床架的水平,从而保证治疗的准确精度。为方便定位床架的移动, 在治疗定位床的侧面装有四个可向下转动并容易拆卸的活动把手。在该治疗床 上首先安放的是真空垫,其作用是固定病人的体位,保证各次治疗的重复性, 建立稳定的三维参考坐标系。当真空垫半充气时,气垫可以容易地塑成病人的 体部轮廓。当气挚通过快速释放阀被抽成真空时,真空垫内充泡末贴紧病人身 体,使气垫变坚硬且成为与病人体型一致的模型,用于提供牢固的定位坐标基 准并保证分次治疗过程中准确的可重复定位。 该治疗床的另一主要作用是用于安装精确放射治疗定位所需的其他部件, 如扫描定位框、靶点坐标定位架、重复定位标记器等设备。 调节旋 图新型体部精确放射治疗定位床 、如图.所示, 扫描定位框由前、后固定环和左中右三块扫描 定位标记板、扫描定位标记底板、安装连接条及插销等组成。 首先将扫描定位标记底板安装在治疗定位床横立定位长方条指定位置, 记下安装位置的孔号,将真空挚放至治疗床上,然后再将扫描定位框放在治 疗定位床上,沿定位床安装固定槽推动至病人待治靶区上方,用四个插销将 第章静态调强放射治疗精确定位技术的研究 扫描定位框固定于治疗定位床上。 图新型体部精确放射治疗定位系统中扫描定位框 、如图.所示,靶点坐标定位架由左、右固定环,中间移动坐标定位环, 滑动导轨和前后固定坐标尺等组成。 使用时,将靶点坐标定位架放在治疗定位床上,沿定位床安装固定槽推动 至病人待治靶区上方,用四个插销插入靶点坐标定位架指定固定位销孔内, 将 靶点坐标定位架固定于治疗定位床上。 产产产产 产 . 。 . 玎 一 暇 劣止 .且 \ ’ ? ? 。彳 ? // 雌 ‘? 广 引??擎 ‘, 积。盏撇嘲再再二 ‘????。?日。。‘。 图新型体部定位系统中靶点坐标定位架装配图 根据计划治疗系统提供的靶心坐标值,根据靶点坐标定位架上的三个坐标 尺,使靶点坐标定位架长度、宽度、高度三个方向的 坐标、、与靶心一致。此时该点即为病人并灶的中心。通过激光定位,移 动和升降加速器治疗床,使病人的病灶中心位于加速器治疗的等中心。最后 固博士学位论文 定并锁紧床的位置,移去靶点坐标定位架,就可以准备开始放射治疗。 、如图所示,重复定位标记器由弧形支撑架、三角形定位底座、方形 重复定位孔板,圆柱校验标记器等组成。重复定位标记孔设计在弧形支撑架 两 条竖边和方形重复定位孔板上,每侧各有四个标记孔,而方形重复定位孔板 上 也有四个成长方形布置。 使用时,首先将弧形重复定位标记器用圆柱插销安装在治疗定位床两边竖 立长方条上的定位孔中,弧形重复定位标记器的方形重复定位孔板位置正对 于 患者胸部上方。将患者上衣解开露出皮肤,通过重复定位标记器上的方形重复 定位孔板,用标记笔沿标记导向孔在病人胸腔上作四点固定点标记。并记录此 时重复定位标记器在治疗定位床上的插销位置及定位孔号,以便下次治疗时验 证患者重复定位的精度。 为进一步保证重复定位的准确性,还可通过重复定位标记器两边的竖向标 记导向孔在患者的躯体侧部和治疗定位床两边竖立长方条间标记,以做辅助定 位校验。此外还应沿重复定位标记器弧形支撑架的棱边在真空垫和治疗定位床 间,画两条定位线。以便在以后的重复治疗时在重复定位时应检查真空垫定位 线是否重合,确认真空垫重复使用时本身无移位。 图新型体部定位系统中重复定位标记器装配图 ..材料与加工方法 该系统通过以下的技术措施来实现,依次包括下面的步骤: 、治疗定位床: