治疗计划设计.ppt

放射治疗计划优化设计与验证,山东省肿瘤医院放射物理技术室 尹勇 2014.12.20,放疗技术的发展,常规放疗 适形放疗(3DCRT) 调强放疗(IMRT) 影像引导的放射治疗（IGRT) 生物适形调强放射治疗 基于4D－CT的四维放射治疗 ……,现代放疗技术的优点,1.靶体积形状不规则，靠近需要保护的重要器官 2.靶体积紧贴容易损伤的器官，能放宽的范围很小 3.非常接近的区域己经放疗过，相接的照射野要有非常精确的界线 4.用常规方法无法缩小GTV、CTV或PTV来满足对等剂量线分布的要求 5.靶区的形状有一部分是内凹的，包围了重要器官 6.考虑提高的放疗剂量要比常规大得多理论上可以达到任意形状照射野,,VARIAN：6MV ，21.5*26， 上野：240子野，70MU， 下野：256子野，85MU45秒,利用调强方式曝光胶片 显示剂量分布的准确性和精确性,ELECTA :6MV ，一个野，24*30, 1.5分，141MU,治疗计划设计,计划设计是根据临床要求，优化确定一个治疗方案的全过程, 是整个放射治疗过程中的一个关键环节 治疗方案优化的过程就是治疗方案的不断改进过程贯穿于整个放射治疗计划设计和执行过程，包括靶区和重要器官的确定，治疗目标的选择和物理方案的设计与实施.,计划设计,输入患者图像信息 物理师 登记和匹配图像 物理师 定义解剖结构 物理师 医师 确定射野参数(和约束条件) 物理师 评价剂量分布 物理师 医师 输出治疗计划报告和电子文件 物理师,任务 人员,,放疗网络系统,网络系统,TPS 工作站,加速器2,CT- sim,Ethernet: 10Base-T, 100Base-Tx Protocol: TCP/IP,其他影象设备 CT、MR、PET/CT,主任 办公室,医生 办公室,Varis 服务器,,,其他设备 切割机、水箱,模拟定位机,CT / DICOM3,加速器1,治疗计划系统是治疗计划设计过程的心脏 treatment planningsystem (TPS) 放射治疗计划系统,治疗计划系统,图象处理:可输入和处理患者图像、融合图像 射野布置：可设定照射野相对于患者坐标系的空间位置 逆向计划：根据临床处方剂量要求，定义最优化问题并求解 剂量计算：可计算患者治疗部位的剂量分布 计划评价：可利用等剂量分布、剂量体积直方图等工具评价计划,治疗计划系统是设计治疗计划的计算机软硬件系统，主要有四/五个功能模块组成：,,临床检查、诊断,确定治疗目的（根治？姑息？）,确定治疗方法,常规放疗,适形（3D-CRT),立体放疗,IMRT,制定放疗计划,计划验证,修改计划,治疗,随访,,放射治疗的实施过程,,,,,,,,,,,,,常规放疗,治 疗,,,模拟机定位,体表定位,,,计划片 射野片,,计划设计,,2-D治疗技术方法强调使用传统的模拟机来实现，以能看见的骨性标志为基础的射野。

正常组织和肿瘤区受到相同剂量的照射普通模拟机定位图示,3D-CRT IMRT,,,大孔径定位CT：机架孔径 飞利浦:85cm 西门子:82cm GE:80cm 扫描FOV 飞利浦:60cm 西门子:50cm GE:50cm 临床上大孔径可以更好地覆盖体部肿瘤病人及定位装置可更精确地用于TPS剂量计算3D-CRT/IMRT,以3D解剖信息为基础、采用与靶区尽可能适形的剂量分布，以达到使肿瘤受到充分的辐照而正常组织受到尽量少的照射剂量 在照射方向上,照射野的形状与病变(靶区)的形状一致3DCRT 靶区内及表面的剂量处处相等，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IMRT ( 严格来说，使用楔形板、物理补偿器来补偿表面弯曲也叫调强但是目前我们所指的IMRT是三维适形放疗（也叫经典适形放疗）的一种特例，在这种放疗中用计算机辅助的优化程序来计算出非均匀的强度分布，以便达到某种特殊的临床目的，这种技术叫做调强适形放疗),经典适形放疗与调强适形放疗,Beam Profile # 1,3野适形,3野调强,调强剂量分布可以与靶区更适形，更能保护危及器官,调强放疗（IMRT）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,调强装置,,,传递的线束,希望得到的 剂量分布,实际的 剂量分布,,,,把一个照射野分成多个细小的子野（线束），对这些线束给以不同的权重，使射野内产生优化的不均匀的强度分布，以达到通过危及器官的线束注量减少，而靶区其它部分的线束注量增大。

适形与调强照射野注量分布的比较,调强射束注量分布,适形射束注量分布,IMRT的优点,高度适形，靶区边缘剂量迅速下降 靶区剂量更均匀（原则上） 由于减少了正常组织所受照射，从而使提高靶区剂量成为可能 计划和实施的高效率 －可同时治疗靶区要求的高、中、低 剂量 －治疗设计自动化,IMRT的局限性,有些剂量分布或剂量体积组合无法真正实现， 我们对什么是临床上最佳剂量分次方案的认识以及在如何确定IMRT的剂量目标方面的知识也还有限； 有一些不确定性因素 — 解剖结构每天的位移、变形 — 有时在影像学上确定病变的真正范围有 困难，对肿瘤的放射生物特性了解不够.,IMRT的局限性（续）,由于数学公式或计算机速度及所用时间的限制，我们往往找不到最佳结果； 计划、传输装置和QA的不足： —当前所用的剂量计算模型在精度上都有局限性 — MLC的漏射、散射等 — 剂量验证系统的准确度不够,与IMRT相关的风险,治疗的复杂性可能影响精度 对复杂剂量体积关系分析没有经验 — 可能导致料想不到的并发症 — 高适形度的放疗，边界误差带来的风险（病灶丢失）,,,,CT 和 MR 影像传输,描绘轮廓,确定射野,剂量计算,计划评估,手动优化,,,描绘轮廓,确定射野,输入临床参数,剂量计算,,,手动优化,手动优化,计划评估,CT 和 MR 影像传输,正向计划,逆向计划,目标函数,物理目标函数目前常用,临床剂量学四原则是物理目标函数的通则: 1、靶区及重要器官的中位、平均剂量 2、靶区剂量均匀性 3、靶区内最低剂量 4、危机器官内的最高剂量 5、治疗区与靶区的适合度,目标函数,生物目标函数是描述疗后患者生存质量的量化指标,是治疗的最高原则.是使经照射后肿瘤的复发概率最低而正常组织或器官的损伤最小，使无并发症的肿瘤控制概率最大。

实现调强放疗的主要方式,物理补偿器：根据治疗计划计算的数据，针对各个照射野制作补偿器 用常规MLC进行多个固定野调强治疗： －动态调强（DMLC），叶片连续运动 －分段式调强（SMLC，step and shoot） 用旋转照射野调强 －用常规MLC进行弧形调强治疗（VMAT） －孔雀系统（NOMOS/MIMiC） －断层治疗 电磁扫描调强（MM50）,物理补偿器,在确定的深度平面得到均匀的剂量分布,,,,,Therapy evolution,Imaging evolution,IMRT Linac,CT Scanner,TOMO是LINAC与螺旋CT的联姻,TOMO Idea in 1993 Born in 2003,,TOMO治疗时360°连续旋转，建模为51个射野方向（51个投影）,1个方向,5个方向,11个方向,17个方向,25个方向,51个方向,,,,,,,mm,mm,mm,mm,mm,mm,TOMO的适应症覆盖了几乎所有合适放疗的肿瘤,,,,64个叶片每个叶片独立调制射线,,64个MLC叶片调制40厘米宽的射野； 每次治疗机架旋转~30圈； 机架旋转一周离散为51个角度； 64 X 30 X 51= 97920 beamlets!,,TOMO的治疗层厚 1厘米、2.5厘米、5厘米,,TOMO超强的调制能力使其不需要非共面照射就能实现最佳剂量分布。

40厘米,,孔雀治疗系统,NOMOS公司根据Mackie等人提 出的概念设计并制出狭缝状准直器， 装入他们的孔雀系统孔雀系统是最早在市场销售的调强放疗装置，它更像常规CT扫描仪, 以序列层面的方式实现治疗电磁扫描调强 MM50加速器的光子＋电子调强,,,,,,,,,,,,,,,,,8MV光子,10MeV电子,17MeV电子,17MeV电子,,,靶区,利用常规 多叶准直 器进行调 强治疗,,叶片,马达,,,叶片,马达,,相加后的总剂量,2/3 剂量,Step & Shoot IMRT,电动光栅静态调强示意图 MLC Step-&-Shoot IMRT Delivery,叶片运动方向,,左叶片,右叶片,,,出束时间,,P,动态调强（DMLC） 滑窗式 – 基本原理,放疗计划设计流程,患者体位的固定及CT模拟 感兴趣区域勾画（ROI）：靶区、正常器官 等中心及感兴趣点设置 射野设计 剂量计算 计划评估,CT扫描摆位,体位固定后，通过CT两侧墙的激光十字线和顶墙 的激光十字线在皮肤上标记3条体位标记线,患者体位固定的各种方式,肿瘤区域层厚最好为1～3mm为了获得较大的扫描范围又 不使层次太多而影响增强效果，可采用病灶区层厚1～5 mm, 以外区域逐步过渡为5～10 mm的混合扫描技术,,设计和验证照射野,放射治疗医生和物理师根据肿瘤和周围重要脏器之间在三维空间的相互关系设计合理的照射野。

照射野大小由靶区大小、脏器移动度和综合误差（定位、摆位和机器等误差）来决定在射线束轴视角方向窗口调整照射野大小在治疗计划完成后，将患者按原体位回到CT床上， 然后通过激光定位系统把治疗计划结果的照射野 等中心参考点标记到其皮肤表面，以便放射治疗 的执行,标记治疗计划结果,验证照射野等中心精度,为了验证患者皮肤表面照射野等中心参考点标记与实际靶区中心和计划靶区中心的重复精度，在其左、右、前皮肤表面照射野等中心参考点标记处放置CT可成像标识物，对此进行1 mm的薄层扫描在CT图像上测量3个参考点相交点以确定实际靶区中心和计划靶区中心的重复精度 CBCT EPID,在数字化影像重建窗口打印每个照射野的数字化影像重建图像(DRR)， 通过与X射线模拟定位片以及照射野影像监测片进行对比,虚拟模拟工具: 射野方向观,射野方向观(Beam’s eye view,BEV)是设想计划设计者站在放射源位置，沿射野中心轴方向观看射野与患者治疗部位之间的相互位置关系虚拟模拟工具: Room’s Eye View,Room’s Eye View (REV)是设想计划设计者站在治疗室某个位置观察到的治疗机(射野)和患者(治疗部位)之间的空间位置关系。

计划评价工具: 2D、3D剂量分布显示,通过三个面的剂量分布评估.这是一个SIB:同步瘤床加量照射,一个计划里,不同区域,不同 剂量照射的病历,适形度很好,紫色是鼻咽区加肿大淋巴结,绿色是解剖区,橘红色是预防区,计划评价工具: 剂量体积直方图,剂量体积直方图(DVH)是描述一个解剖结构中，照射剂量水平和照射体积之间的统计学关系的直方图不仅提供多少体积吸收多少剂量的量化信息而且还把每个感兴趣的解剖结构的剂量分布总结到一条曲线里腮腺受量少,靶区下降梯度很快,高剂量区范围小,脑干离靶区很近,3毫米左右.体积5%控制在54GY,颈段脊髓受量控制在42-43GY.胸段脊髓控制在45-50GY,DVH的应用,对靶区而言 积分DVH曲线越陡表示靶区剂量分布越均匀 积分DVH曲线越靠右表示靶区受照剂量越高 对危及器官而言 如果一个计划的DVH曲线总是在另一个计划的DVH曲线的左侧，则前一个计划优于后一个计划 如果两条曲线交叉，则优劣判断要依器官类型而定,通过剂量体积直方图了解靶区和周围重要脏器的剂量体积比， 靶区出现剂量不均或周围脏器出现受量过高时，进行相应的调整DVH的局限性,无空间位置信息，不能说明剂量热点或冷点的位置。

以剂量－体积为基础的 目标函数的局限性,体积,体 积,对一个危及器官规定了标准：受到50Gy照射的体积不得超过25％， 左侧的三条DVH曲线都符合这个条件，但是显然其中。