質(zhì)子調(diào)強(qiáng)放射治療中計(jì)劃優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、質(zhì)子束由于其獨(dú)特的布拉格峰等物理特性，已應(yīng)用到放療中，近些年更是發(fā)展迅速。質(zhì)子調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃采用主動(dòng)掃描的輸運(yùn)方式，通過調(diào)節(jié)掃描束權(quán)重，能夠精確地將質(zhì)子束大部分能量輸送到靶區(qū)內(nèi)，形成與靶區(qū)適形的高劑量分布并降低周邊正常組織或器官所受劑量，保護(hù)正常組織或器官。在計(jì)劃設(shè)計(jì)中，除了需要調(diào)節(jié)掃描束權(quán)重外，還存在掃描束數(shù)量眾多、大量掃描束權(quán)重低、掃描路徑長(zhǎng)等問題，嚴(yán)重影響計(jì)劃實(shí)施質(zhì)量。另外，傳統(tǒng)的劑量約束和劑量體積約束沒有考慮生物學(xué)效應(yīng)，而基于生物

2、學(xué)效應(yīng)的等效均勻劑量(EUD)調(diào)強(qiáng)優(yōu)化，能從療效上提高放療計(jì)劃質(zhì)量。本文對(duì)質(zhì)子調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)包括掃描束權(quán)重優(yōu)化方法、掃描束關(guān)鍵實(shí)施參數(shù)優(yōu)化方法、基于EUD的調(diào)強(qiáng)最優(yōu)化方法等進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，以達(dá)到提高質(zhì)子放療效果的目的。
　　首先，發(fā)展了一種基于布拉格峰位置的掃描束預(yù)選的掃描束權(quán)重最優(yōu)化方法。根據(jù)布拉格峰位置篩選在靶區(qū)內(nèi)的掃描束，基于共軛梯度法優(yōu)化出最優(yōu)劑量分布，實(shí)現(xiàn)了精選掃描束并快速優(yōu)化掃描束權(quán)重。選取美國(guó)醫(yī)學(xué)物理

3、學(xué)家學(xué)會(huì)（AAPM）TG-119號(hào)報(bào)告中的模擬例題、典型臨床鼻咽癌和前列腺病例進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，在10～20min內(nèi)優(yōu)化出滿足約束的劑量分布，劑量分布效果明顯優(yōu)于光子放療計(jì)劃。本文方法滿足臨床要求，實(shí)現(xiàn)了快速優(yōu)化掃描束權(quán)重，使得放療計(jì)劃質(zhì)量得以提高。
　　其次，發(fā)展了一種結(jié)合排除法、置零法的掃描束數(shù)量最優(yōu)化方法。掃描束數(shù)量最優(yōu)化方法通過排除對(duì)劑量分布貢獻(xiàn)低的掃描束，置零低權(quán)重掃描束并重新投入優(yōu)化計(jì)算，大大減少了掃描束數(shù)量。實(shí)

4、現(xiàn)了基于遺傳算法的掃描路徑最優(yōu)化方法，轉(zhuǎn)換掃描路徑問題為旅行商模型，基于遺傳算法求解最短路徑。選取TG-119號(hào)報(bào)告中的模擬例題和鼻咽癌臨床病例進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明:在保證計(jì)劃結(jié)果的同時(shí)，掃描束數(shù)量最高可降低50.75％，降低掃描路徑長(zhǎng)度53.15％，降低治療時(shí)間15.98％，增強(qiáng)了放療計(jì)劃魯棒性，提高了放療計(jì)劃實(shí)施質(zhì)量。
　　最后，發(fā)展了一種基于等效均勻劑量更新目標(biāo)的調(diào)強(qiáng)最優(yōu)化方法，結(jié)合階梯式約束設(shè)置，修改二次型劑量目標(biāo)函數(shù)中