质子调强放射治疗中计划优化关键技术研究

摘要

质子束由于其独特的布拉格峰等物理特性，已应用到放疗中，近些年更是发展迅速。质子调强放疗计划采用主动扫描的输运方式，通过调节扫描束权重，能够精确地将质子束大部分能量输送到靶区内，形成与靶区适形的高剂量分布并降低周边正常组织或器官所受剂量，保护正常组织或器官。在计划设计中，除了需要调节扫描束权重外，还存在扫描束数量众多、大量扫描束权重低、扫描路径长等问题，严重影响计划实施质量。另外，传统的剂量约束和剂量体积约束没有考虑生物学效应，而基于生物学效应的等效均匀剂量(EUD)调强优化，能从疗效上提高放疗计划质量。本文对质子调强放疗计划优化关键技术包括扫描束权重优化方法、扫描束关键实施参数优化方法、基于EUD的调强最优化方法等进行了深入细致的研究，以达到提高质子放疗效果的目的。
　　首先，发展了一种基于布拉格峰位置的扫描束预选的扫描束权重最优化方法。根据布拉格峰位置筛选在靶区内的扫描束，基于共轭梯度法优化出最优剂量分布，实现了精选扫描束并快速优化扫描束权重。选取美国医学物理学家学会（AAPM）TG-119号报告中的模拟例题、典型临床鼻咽癌和前列腺病例进行测试，测试结果表明，在10～20min内优化出满足约束的剂量分布，剂量分布效果明显优于光子放疗计划。本文方法满足临床要求，实现了快速优化扫描束权重，使得放疗计划质量得以提高。
　　其次，发展了一种结合排除法、置零法的扫描束数量最优化方法。扫描束数量最优化方法通过排除对剂量分布贡献低的扫描束，置零低权重扫描束并重新投入优化计算，大大减少了扫描束数量。实现了基于遗传算法的扫描路径最优化方法，转换扫描路径问题为旅行商模型，基于遗传算法求解最短路径。选取TG-119号报告中的模拟例题和鼻咽癌临床病例进行测试，测试结果表明:在保证计划结果的同时，扫描束数量最高可降低50.75％，降低扫描路径长度53.15％，降低治疗时间15.98％，增强了放疗计划鲁棒性，提高了放疗计划实施质量。
　　最后，发展了一种基于等效均匀剂量更新目标的调强最优化方法，结合阶梯式约束设置，修改二次型剂量目标函数中的剂量目标参数，解决了剂量约束和剂量体积约束不能整体上对DVH曲线的变化方向约束等问题，整体改善放疗计划优化结果。通过鼻咽癌病例和前列腺临床病例进行测试，最高可将危及器官最大剂量降低了1291.75 cGy，V50降低到66.39％，大幅度提高了放疗计划质量。
　　通过对质子调强放疗计划优化关键技术的深入研究，本文方法能够迅速优化质子调强放疗计划，提高放疗计划质量。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景

1．1．1 放射治疗的意义

1．1．2 质子放射治疗的意义

1．1．3 质子放射治疗的历史

1．1．4 质子放射治疗技术的发展及分类

1．2 质子调强放射治疗发展现状

1．2．1 子调强放射治疗的实现方法

1．2．2 质子调强放射治疗计划优化

1．2．3 国内外研究现状

1．2．4 精准放射治疗系统ARTS

1．3 论文研究目标和意义

1．4 论文主要内容和结构

第二章 理论与技术基础

2．1 最短路径问题

2．1．1 概述

2．1．2 问题描述

2．1．3 研究现状

2．2 共轭梯度法

2．2．1 概述

2．2．2 共轭方向

2．2．3 共轭梯度法

2．3 遗传算法

2．3．1 概述

2．3．2 编码

2．3．3 群体初始化

2．3．4 适应度计算

2．3．5 遗传进化策略

2．4 本章小结

第三章 基于布拉格峰位置扫描束筛选扫描束权重优化方法

3．1 扫描束权重优化方法研究

3．1．1 基于布拉格峰位置的扫描束精选

3．1．2 扫描束权重优化

3．2 测试与结果分析

3．2．1 模拟测试

3．2．2 鼻咽癌病例

3．2．3 前列腺病例

3．3 本章小结

第四章 质子调强计划中扫描束关键实施参数优化方法

4．1 协同权重优化的扫描束数量优化方法

4．1．1 运行流程

4．1．2 扫描束数量优化

4．1．3 测试及结果分析

4．2 基于遗传算法的最短扫描路径优化方法

4．2．1 优化模型

4．2．2 优化算法

4．2．3 测试及结果分析

4．3 本章小结

第五章 基于剂量目标修正的调强最优化方法

5．1 算法设计和运行流程

5．2 基于目标修正的调强最优化方法

5．2．1 基于目标修正的EUD约束研究

5．2．2 阶梯式设置EUD约束

5．3 测试与分析

5．3．1 鼻咽癌测试

5．3．2 前列腺测试

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．1．1 论文内容总结

6．1．2 论文创新点

6．2 工作展望

参考文献

致谢

博士在读期间取得的成果

参与项目情况