两参数指数模型用于IMRT剂量验证的实验研究

论文摘要

放射治疗与手术、化学药物治疗组成了肿瘤的三大治疗手段。国内外统计表明,约有70%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。放射治疗的根本目的是提高肿瘤治疗的治疗增益比,即最大限度的提高肿瘤的局部控制率和降低周围正常组织的放射并发症概率。近年来,放疗技术不断进步,三维适形放射治疗（3-Dimensional Conformal Radiation Therapy,3D-CRT）作为一种治疗技术,在照射方向上,照射野的形状与靶区的投影形状一致,使得高剂量区分布的形状在三维方向上与靶区的形状一致,当适形放射治疗同时满足对射野内诸点的输出剂量率能按要求的方式进行调整,使靶区内及表面的剂量处处相等时,称之为调强放射治疗（Intensity Modulated Radiotherapy, IMRT）,其临床应用越来越广泛。IMRT很好的遵循了放疗的四大原则：靶区剂量准确、邻近正常组织受照剂量小、靶区剂量分布均匀、保护关键器官。但是,IMRT的计划设计和实施是一个复杂的系统过程,在包括CT定位、靶区和重要器官的勾画、加速器物理参数和多叶准直器叶片位置的确定和到位控制、病人体位设置等的准确性、重复性与稳定性等方面的任何微小误差,都可能导致治疗失败。ICRU第24号报告指出,原发灶根治剂量的精确性应好于±5%,靶区剂量偏离最佳剂量±5%时,就有可能使原发灶肿瘤失控或并发症增加,从而可能导致治疗计划的失败。因此,调强放射治疗严格的质量保证QA（QualityAssurance）和质量控制QC（Quality Control）是实现精确放疗的保障,而剂量验证是其中很重要的一个方面。对于射野注量分布均匀的常规照射或三维适形放射治疗,可以采用手工计算核对,测量一点或几点剂量的方法来验证治疗计划和实施剂量的准确性。但调强放射治疗多是利用MLC的运动来实现调强的,每一个照射野内通过MLC的运动会产生一定数量的子野,而每一个子野的形状、加速器跳数各不相同,它们之间关系复杂,所有这些子野合成以后的剂量分布较为复杂,这是与三维适形放射治疗不同的,因此,临床上为了保证调强放射治疗射野输出剂量的准确性,必须对IMRT计划进行精心的剂量学验证。放射治疗的最终目标是给予肿瘤最大的照射而正常组织接受尽可能低的照射,提高病人的生存质量是关键。由于IMRT高度适形及实现过程复杂,每个子野的形状及加速器跳数都不同；在治疗过程任何一个环节出现误差都可能导致治疗的失败,对病人带来不可挽回的伤害,为了确保剂量的准确性和病人的安全性,在每次实施治疗计划时都要对剂量进行验证,因此IMRT的效率比较低。剂量学验证主要包括两个方面：绝对剂量验证和相对剂量验证。绝对剂量验证是指将调强放射治疗计划移植（指通过治疗计划系统将原调强放射治疗计划丝毫不动地加载到体模,与原计划不同的仅仅是实施的对象是体模,而原计划实施的是病人,只要针对体模实施的治疗计划能通过剂量验证,那么就可以验证其在病人身上实施就是准确的）至体模,产生一个质量保证计划,选取其中-点,这点的剂量是否和按此质量保证计划照射时相应点上的测量值一致。相对剂量验证是指此质量保证计划中某一平面上的剂量分布是否和实际照射时对应平面上的剂量分布测量值一致。目前,以模体内剂量实测为基础的验证,仍然是最为常用的个体化IMRT计划的剂量学验证方法,其中点剂量验证和平面剂量验证结合使用可以较为全面地验证IMRT的剂量分布。胶片、热释光剂量计、BANG明胶剂量计是剂量验证的有效工具,但使用或分析比较费时费事；二维电离室矩阵和电子照射野影像装置（Electronic Portal Image Device, EPID）是目前较先进的实时二维验证系统,可以迅速获取复杂的二维数据,但目前对EPID的剂量学特性了解还比较局限,其在剂量验证方面的应用还需进一步的完善和研究。针对IMRT实施中的散射线比较明显以及MLC叶片穿透率等问题,曾经提出的解决方法有改进的Clarkson积分法（利用TMR外推到零野来计算散射线的分布）、基于笔形束核的卷积算法等。也有很多文献提出利用笔形束核及蒙特卡洛算法来独立验证加速器跳数来进行剂量验证。本文建立一种两参数指数模型,通过此模型可以较容易的将原射线和散射线分开,并得到散射线的微分解析式,根据所得到的原射线和散射线剂量分布就可以计算出任意射野中心轴参考点的剂量。模型是基于百分深度剂量（Percentage Depth Dose, PDD）或组织体模比（Tissue Phantom Ratios, TPR）和相对输出因子（Relative Output Factors）等测量数据,对治疗计划中复杂的剂量算法提供二次验证,模型产生的剂量预测值与治疗计划的预测值和实际测量值有较好的吻合度,这样可以在一定程度上减少IMRT对每一例治疗计划都要进行剂量验证的次数,降低IMRT质量控制的时间。本文实验采用的PDD和相对输出因子数据来自SIMEMS PRIMUS直线加速器6MV X线的实测数据,SSD、MU和MLC叶片位置等数据来自治疗计划系统。应用两参数指数模型：自编程序,拟合出模型中的两个参数,建立模型；实施IMRT计划的病人用网膜固定,并作好定位标记,进行CT模拟定位,设定靶区处方剂量及危急器官限量,用CADPLAN（helios）设计IMRT计划。模体采用同样的条件进行CT定位标记和扫描；将逆向运算所得的患者IMRT治疗计划的照射剂量通量图和相应机架角参数、治疗床位参数等全部移植至体模的CT重建图像资料上,由此计算出体模上的验证计划的剂量分布及模体内电离室测量点的计划剂量；通过生成的治疗计划中读取MLC叶片的位置,获得不同子野的形状,根据已建立的两参数指数模型得到原射线和散射线的剂量分布,计算出中心轴不同深度处的剂量；按IMRT定位的要求对模体精确摆位,然后实施IMRT验证计划,同时测量等中心点的各子野的实际吸收剂量总和,与计划的剂量值及由模型产生的剂量值进行比较。实验结果表明,已建立的两参数指数模型计算的剂量值与治疗计划中预测的剂量值比较,误差在±3%范围内,表明这个模型是一种简单易行可满足临床要求。在模型中没有区分治疗头散射和模体散射、MLC的穿透率等,因此模型对距离的依赖性大,对于射线中心轴和其附近（0.5cm）的剂量符合度较高,在其他位置射线剂量的误差还是比较大,其次,在模型中没有体现MLC叶片精度及定位精度等问题,此模型应用于临床还需要进一步改进。本文的最后对工作中所存在的问题进行了总结,并对今后的工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景和意义
• 1.1.1 调强放射治疗特点
• 1.1.2 常用的剂量检测设备
• 1.2 主要工作
• 1.3 论文结构
• 第二章 调强放射治疗的质量保证和质量控制
• 2.1 调强放射治疗介绍
• 2.1.1 简介
• 2.1.2 调强放疗的实施过程
• 2.1.3 IMRT的实现方式
• 2.2 调强放射治疗质量保证的必要性
• 2.3 调强放疗质量保证的具体内容
• 2.3.1 治疗体位的精确确定及固定
• 2.3.2 治疗机（包括MLC）、CT模拟机、模拟机等常规QA（QC）
• 2.3.3 治疗计划系统的QA（QC）
• 2.3.4 患者物理剂量验证
• 第三章 IMRT剂量验证模型设计
• 3.1 剂量计算的物理学基础
• 3.1.1 相关剂量学介绍
• 3.1.2 原射线及原射线剂量
• 3.1.3 散射线及散射线剂量
• 3.2 剂量计算方法
• 3.3 IMRT剂量验证模型
• 3.4 两参数指数剂量计算模型建立
• 第四章 计算结果与实验验证
• 4.1 材料
• 4.2 方法
• 4.2.1 获取PDD及相对输出因子
• 4.2.2 编程实现两参数指数模型
• 4.2.3 剂量验证过程
• 4.3 结果与分析
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 附录一:攻读硕士期间发表的论文及取得的成果
• 致谢
• 统计学证明