質(zhì)子調(diào)強放射治療中計劃優(yōu)化關鍵技術研究.pdf

1、質(zhì)子束由于其獨特的布拉格峰等物理特性，已應用到放療中，近些年更是發(fā)展迅速。質(zhì)子調(diào)強放療計劃采用主動掃描的輸運方式，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，保護正常組織或器官。在計劃設計中，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、掃描路徑長等問題，嚴重影響計劃實施質(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效應，而基于生物

2、學效應的等效均勻劑量(EUD)調(diào)強優(yōu)化，能從療效上提高放療計劃質(zhì)量。本文對質(zhì)子調(diào)強放療計劃優(yōu)化關鍵技術包括掃描束權(quán)重優(yōu)化方法、掃描束關鍵實施參數(shù)優(yōu)化方法、基于EUD的調(diào)強最優(yōu)化方法等進行了深入細致的研究，以達到提高質(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，實現(xiàn)了精選掃描束并快速優(yōu)化掃描束權(quán)重。選取美國醫(yī)學物理

3、學家學會（AAPM）TG-119號報告中的模擬例題、典型臨床鼻咽癌和前列腺病例進行測試，測試結(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)于光子放療計劃。本文方法滿足臨床要求，實現(xiàn)了快速優(yōu)化掃描束權(quán)重，使得放療計劃質(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)化方法通過排除對劑量分布貢獻低的掃描束，置零低權(quán)重掃描束并重新投入優(yōu)化計算，大大減少了掃描束數(shù)量。實

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號報告中的模擬例題和鼻咽癌臨床病例進行測試，測試結(jié)果表明:在保證計劃結(jié)果的同時，掃描束數(shù)量最高可降低50.75％，降低掃描路徑長度53.15％，降低治療時間15.98％，增強了放療計劃魯棒性，提高了放療計劃實施質(zhì)量。
　　最后，發(fā)展了一種基于等效均勻劑量更新目標的調(diào)強最優(yōu)化方法，結(jié)合階梯式約束設置，修改二次型劑量目標函數(shù)中