（机械设计及理论专业论文）多叶光栅放射治疗系统中若干关键技术研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 三维适形放射治疗和调强放射治疗是现代精确放射治疗的重要内容，是提高放射治 疗增益比的有效措施。三维适形放射治疗和调强放射治疗主要依靠多叶光栅实现。本文 对多叶光栅适形调强放射治疗系统中的一些关键技术进行了研究，内容主要包括患者的 空间定位与诊断图象放大处理、多断层轮廓层间插值及轮廓简化处理、断层图象间灰度 插值、三维数据可视化、射束规划和多叶光栅端面形状优化设计等。同时本文也对 m o d e r n t p s 放射治疗计划系统技术设计、m d m l c 多叶光栅机械设计及其控制系统的开 发等进行了介绍。 从c t m r i 获得的诊断图象只是输入治疗计划系统的原始基础数据。系统首先要对 原始图象进行前期处理，其中的主要内容是采集图象中定位标记点的检测。本文提出了 诊断图象中定位标记点检测的自动和半自动处理方法，并利用标记点检测结果实现了各 断层图象的空间定位及对定位设施的状态监测。为方便对二维诊断图象的观察，本文提 出了一种基于边缘曲线光顺连续性恢复的二维图象放大算法，可获得边缘清晰光顺的放 大图象，有效地克服了传统插值放大算法模糊图象边缘的问题。 多断层轮廓的处理是治疗计划系统中一项重要的处理内容。当断层轮廓间距离较大 时，需要在断层轮廓间插值构造若干中间层轮廓以实现三维结构的精确描述。采用层间 线性插值方法在原始断层轮廓处难以保证平滑过渡的要求，本文提出了一种多断层轮廓 层间光顺插值方法，可获得光滑过渡的多断层轮廓层间插值效果。针对轮廓曲线上存在 大量冗余数据的问题，本文提出了一种轮廓曲线特征保持折线化处理方法，在保证曲线 精度的同时，减少了曲线的数据规模。基于简化后的轮廓曲线，本文使用相邻轮廓线同 步前进法实现了多断层轮廓间表面的重构。 三维规则体素数据场是治疗计划系统的基础数据集。针对三维规则体素数据场的构 建中使用传统的断层图象间插值方法容易引起图象模糊的问题，本文提出了一种利用图 象灰度分布信息的三维空间断层图象序列层间匹配插值方法，获得的断层图象层间插值 结果更加接近于实际情况。基于规则体素数据场，使用m a r c h i n gc u b e s ( m c ) 法和 m a r e h i n g t e t r a h e d r a ( m n 法实现了等值面抽取，并针对m t 算法中的相关性对算法进行 了加速处理。 通过对肿瘤及患者重要组织器官的三维观察，可合理地安排射束方向。本文对给定 射束方向上多叶光栅开1 3 形状的确定过程进行了讨论，针对传统方法计算量大的问题， 提出了一种三维肿瘤实体在多叶光栅平面上投影轮廓的快速计算方法，通过象空间内的 边缘跟踪，结合缩小数据搜索空间及加速射线与三维实体的相交判别过程等措施，有效 地减少了不必要的计算，提高了多叶光栅开口形状的计算速度 多叶光栅放射治疗系统中若干关键技术研究 多叶光栅是实施三维适形放射治疗和调强放射治疗的基础设施。本文对多叶光栅机 械结构设计的主要内容进行了论述。针对常规设计中存在的叶片端面半影在叶片运动中 各位置处变化的问题，根据系统要求对叶片端面形状进行了改进设计，使叶片端面的剂 量学半影效应得以改善。 论文最后论述了m d m l c 多叶光栅放射治疗系统的技术设计。结合动态多叶光栅适 形调强放射治疗要求，对系统中的各子系统进行了总体设计分析，并对各部分的实现方 法进行了技术设计。提出了多叶光栅控制系统中的多m c u 分级控制体系，对多叶光栅 系统的控制与运行进行了规划。提出了一种基于音视频压缩技术和网络技术的远程设备 运行监控方法，可方便地实现远程实时技术支持。 关键词：适形调强放射治疗：多叶光拥：图象处理：三维重建 大连理工大学博士学位论文 s t u d yo nk e yt e c h n i q u e so f m u l t il e a fc o l l i m a t o rr a d i o t h e r a p ys y s t e m a b s t r a c t 3 dc o n f o r m a lr a d i o t h e r a p y ( 3 d c r t ) a n di n t e n s i t ym o d u l a t e dr a d i o t h e r a p y ( i m p t ) a r c i m p o r t a n tp o r t i o no fm o d e r np r e c i s i o nr a d i o t h e r a p y , t h e ya 托e f f e c t i v em e a s u r e st oi m p r o v e r a d i o t h e r a p e u f i cg a i n 3 d c r ta n di m r ta 把c a r r i e do u tm a i n l yb ym u l t i - l e a fc o l l i m a t o r ( m l c ) i nt h i sd i s s e r t a t i o n , k e yt e c h n i q u e so f 眦c o n f o r m a la n di n t e n s i t ym o d u l a t e d r a d i o t h e r a p ys y s t e ma r ed i s c u s s e d , i n c l u d i n gt h ep o s i t i o n i n go f p a t i e n t sa n dd i a g n o s t i ci m a g e m a g n i f i c a t i o n , c r o s s - s e c t i o n a li n t e r p o l a t i o nf o rm u l t ic o n t o u rs l i c e sa n dc , o n t o u rs i m p l i f i c a t i o n , g r a y - l e v e li m a g ei n t e r p o l a t i o ni nc o n s e c u t i v ei m a g es l i c e s ，3 dd a t av i s u a l i z a t i o n , b e a m a r r a n g e m e n ta n do p t i m i z a t i o no f m l cl e a f e n ds h a p e e t c 。1 1 圮s y s t e md e s i g no f m o d e m t p s t r e a t m e n tp l a n n i n gs y s t e m ( t p s ) ，t h em a i nc o n t e n t si nm d m l cm u l t i l e a fc o l l i m a t o r m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i s d i s s e r t a t i o n c t m r id i a g n o s t i ci m a g e sa r ct r a n s f e r r e dt ot p s t h e ya l ef u n d a m e n t a ld a ms e tf o rt p s p r e - p r o c e s ss h o u l db ec a r r i e do u tf o rt h e s ei m a g e sf i r s t , w h i c hi sm a i n l yf o c u s e do nt h e d e t e c t i o no fp o s i t i o n i n gm a r k sl e f tb yp o s i t i o n i n gf a c i l i t y t w om e t h o d sf o rt h ed e t e c t i o no f p o s i t i o n i n gm a r k si nd i a g n o s t i ci m a g e s ，a l la u t oo n ea n das e m i a u t oo n e ，a r cp r e s e n t e d b y t h e s em e t h o d s ，t h el o c a l i z a t i o no fi m a g es l i c e sc a nb er e a l o e d , a n dt h es t a t u so ft h e p o s i t i o n i n gf a c i l i t yc a l lb em o i n t o r e d f o rc o n v e n i e n to b s e r v a t i o no f2 dd i a g n o s t i ci m a g e s ，a 2 di m a g em a g n i f i c a t i o na l g o r i t h mb a s e do nf a i r i n ga n dc o n t i n u o u sr e s t o r a t i o no fe d g ec u r v e s i sp r e s e n t e d a sar e s u l to ft h i sa p p r o a c h , t h ee d g e so ft h em a g n i f i e di l l l a g ck e 印s h a r pa n d f a i r n e s s ，w h i c hi sb e t t e rt h a nt h a ti nc o n v e n t i o n a lm e t h o d s m u l t i - c o n t o u rp r o c e s si sa ni m p o r t a n tt a s ki n i 甲s i no r d e rt or e p r e s e n tt h e3 ds t r u c t u r e w i mh i g h e rp r e c i s i o n , i t so f k = nn e a , s s a r yt oc o i l q t l u c t $ o t n ec r o s s s e c t i o n a lc o n t o u r s l i n e a r i n t e r p o l a t i o nb e t w e e nc o n t o u r sc a u s 船n o n - s m o o t hm o r p h i n ga to r i g i n a ls l i c e s af a i r i n g c r o s s - s e c t i o n a li n t e r p o l a t i o na p p r o a c hf o rm u l t ic o n t o u rs l i c e si sp r e s e n t e d , b yw h i c hf a i r e d m o b b i n gc o n t o u r s 锄b eo b t a i n e d w i t hr e s p e c tt ot h ed a t ar e d u n d a n ti nc o n t o u r s af e a t u r e r e s e r v i n gs i m p l i f i c a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d , b yw h i c hc o n t o u r s a r ca p p r o x i m a t ( x lb y s e g m e n t e dl i n e sw h i l ew e s e r v i n gp r e c i s i o n s u r f a c ei sr e c o n s t r u c t e dw i t ha d j a c e n tc o n t o u r s s y n c h r o n o u sm a r c h i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h es i m p l i f i e dc o n t o u r s 3 dr e g u l a rv o l u m ed a t ai st h ef u n d a m e n t a ld a t as e tf o rt p s i no r d e rt oe l i m i n a t et h e d i s a d v a n t a g eo fe d g eb l u r r i n gb yt r a d i t i o n a lg r a y - l e v e li m a g ei n t e r p o l a t i o ni nt h ec o n s t r u c t i o n o fr e g u l a rv o l u m ed a t a , am a t c h i n ga p p r o a c hf o ri n t e q x f l a t i o ni nc o n s e c u t i v ei m a g es l i c e si s p r o p o s e db a s e d o ni m a g eh i s t o g r a m ，b e t t e rr e s u l t sc a l lb eo b t a i n e dt h a nt r a d i t i o n a la l g o r i t h m s m a r c h i n gc u b e s ( m c ) a n dm a r c h i n gt e t r a h e d r a l ( m da l g o r i t h m a r cu s e dt oe x t r a c t i i l 多叶光栅放射治疗系统中若干关键技术研究 i s o - s u r f a c ef r o mt h er e g u l a rv o l u m ed a t as e t ，a n ds p e e d u pp r o c e s sf o rm a r c h i n gt e t r a h e d r a l a l g o r i t h mi sd i s c u s s e db a s e do n t h er e l a t i v i t ya m o n gt e t r a h e d r a i s b y3 do b s e r v a t i o nf o rt u m o r sa n do r g a n sa tr i s k ，b e a m sc a nb ea r r a n g e da p p r o p r i a t e l y t h ed e t e r m i n a t i o no fm l c w i n d o ws h a p eu n d e rg i v e nb e a md i r e c t i o ni sd i s c u s s e di n t h i s d i s s e r t a t i o n af a s ta l g o r i t h mf o rt h ec a l c u l a t i o no f3 dt u m o re n t i t yp r o j e c t i o nc o n t o u r so n m l cp l a n ei sp r e s e n t e d b yc d g et r a c i n gi ni m a g es p a c e ，t o g e t h e rw i t ht h er e d u c t i o no f s e a r c h i n gs p a c ea n dt h ea c c e l e r a t i o no f j u d g e m e n tf o rt h ei n t e r s e c t i o nb e t w e e nr a ya n d3 d e n t i t y , t h i sa l g o f i t h mc a nd e t e r m i n et h em l c w i n d o ws h a p ef a s t e rt h a nt m d i t i o n a im e t h o d s w h i c hi sc o m p u t a t i o n a l l ye x p e n s i v e m l ci st h ef u n d a m e n t a lf a c i l i t yf o r3 d c r ta n di m r ti m p l e m e n t a t i o n n 圮m a i n c o n t e n t si nm l cm e c h a n i c a ld e s i g ni sd i s c u s s e d t os o l v et h ep r o b l e mo ft h el e a f - e n d p e n u m b r av a r i 撕o nw i t hl e a fp o s i t i o ni nc o n v e n t i o n a lm l c a l li m p r o v e dd e s i g nf o rm l c l e a fe n ds h a p ei sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h ed o s e m e t r i cr e q u i r e m e n t si nm l c s y s t e m w h i c h i m p r o v e st h e1 e a f - e n dp e n u m b r ap e r f o r m a n c ee f f e c t i v e l y f i n a l l y , t h ed e s i g no fm d m l cr a d i o t h e r a p ys y s t e mi si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so f3 d c r ta n di m p , t , d e s i g na n dr e a l i z a t i o nf o rs u b - s y s t e m sa r ei n t r o d u c e d t h em u l t i m c uh i e r a r c h i c a la r e h i t e e t u r eo fm l ce o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e d 。a n dt h es y s t e m w o r kf l o wi sp r o g r a m m e d ar e m o t em o n i t o r i n ga p p r o a c hb a s e do na u d i o v i d e oc o m p r e s s i o n a n dn e t w o r kt e c h n o l o g yi sa l s op r o p o s e d ，b yw h i c hr e m o t et e c h n i c a ls u p p o r tc a nb er e a l i z e d k e yw o r d s ：c o n f o r m a la n di n t e n s i t ym o d u l a t e dr a d i o t h e r a p y ；m u l t i l e a f c o l l i m a t o r ；i m a g ep r o c e s s i n g ；3 dr e c o n s t r u c t i o n i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：攀日期： 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名坐 导师签名：西久耄匙 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 肿瘤的放射治疗 健康一直是人们非常关心的问题。对威胁人类健康的各类疾病，人们在不断地探索 新的诊断和治疗方法，由此促进了医疗技术和水平的不断提高，使生存质量得以持续的 改善。 在各类威胁人类生命的疾病中，恶性肿瘤位列各类死因排名的第二位。在世界卫生 组织( w o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o n ，简称w h o ) 的全球统计中，1 9 9 6 年恶性肿瘤发病数为 9 0 0 万，死亡6 0 0 万；2 0 0 0 年发病1 0 3 0 万，死亡7 1 0 万；预期到2 0 2 0 年全球每年恶性 肿瘤新发病例将达到1 5 0 0 万。肿瘤已成为常见病、多发病，在3 5 - 5 4 岁年龄段中，恶 性肿瘤长期居各类死因之首。 目前，针对恶性肿瘤的治疗手段主要有手术治疗、化学治疗( 简称“化疗”) 和放射 治疗( 简称“放疗”) 。根据w h o 在2 0 世纪9 0 年代的统计资料，约4 5 的恶性肿瘤病 人可以被治愈，其中2 2 $ 为手术治愈，1 8 为放射治疗治愈，5 为药物和其他方法治愈。 在手术、放疗、化疗三种治疗肿瘤的传统方法中，手术、放疗都是局部治疗手段。手 术的优点是可彻底切除病灶，对正常的组织和器官在可视情况下予以充分的保护；其缺 点是切除范围受视力判断的限制，容易将一些亚临床灶遗留在患者体内，对明显的扩散 和淋巴及血转移者难以奏效。化疗的作用范围广，但对l c m 3 以上的肿瘤功效较差，同 时其对良性和恶性细胞特异性识别不够，全身副作用较大。 放射治疗可应用于恶性肿瘤的根治性治疗、姑息性治疗和预防性照射。放射治疗作 为一种局部治疗手段，在肿瘤治疗中占有重要地位。同手术治疗相比，放射治疗无须开 刀、无痛苦、无出血、无感染，尤其对高龄、体弱或不能承受手术的病人更具优势，为 许多肿瘤的治疗提供了一个新的选择。 放射治疗已有近1 0 0 年的历史，尽管它是新兴的学科，但近3 0 - 4 0 年来，在放射物 理学、放射生物学和临床放射肿瘤学方面取得了很大的发展和进步，使放射治疗技术得 到7 更加广泛的应用。 随着相关学科的技术进步，放射治疗已经从常规放射治疗发展到现代精确放射治疗。 现代放射治疗是立体定位技术、影像技术、计算机技术、放疗技术等一系列新技术的结 合体，主要包括立体定向放射治疗、三维适形放射治疗、调强放射治疗等。对于各种早 期肿瘤、小肿瘤和结构复杂的肿瘤，现代放射治疗技术可达到类似于手术的根治效果。 随着癌症治疗技术的进步，西方发达国家各种肿瘤诊治以后平均5 年生存率已达 4 5 ，目前约有6 i b - t i b 的恶性肿瘤患者在瘸程的不同阶段接受放射治疗。而我国的5 年生存率却只约l i b ，差距非常明显。目前，我国肿痛患者中接受放射治疗的人数尚不 多叶光栅放射治疗系统中若干关键技术研究 足2 0 。作为世界上人口最多的国家，积极改善医疗条件、提高治疗水平、发展具有自 主知识产权的放射治疗技术对改善国人的生活质量、提高健康水平具有重要的意义。 1 1 1 放射治疗机理 放射治疗是利用射线发生装置对肿瘤组织实施照射，以达到杀灭肿瘤细胞的目的。 射线在被生物物质吸收时，将对细胞关键靶发生作用，使靶的原子被电离或激发，从而 启动一系列反应导致生物组织改变，这是射线杀灭肿瘤细胞的直接作用方式。另外，射 线在细胞内可和另一原子或分子相互作用产生自由基，自由基可扩散一定的距离，在达 到关键靶时可对其造成损伤，这是射线杀灭肿瘤细胞的间接作用方式。 生物细胞和组织的放射敏感性与其增殖速度成正比，与其分化程度成反比。肿瘤细胞 尤其处于增殖期者，对高能射线非常敏感。一般来说，细胞增长越活跃，病理学上分化 越差，对高能射线的敏感性越大，放射治疗的生物效应越高。放射治疗正是利用肿瘤组 织相对于正常组织增殖快、周期短、对高能射线的敏感性强来实现治疗肿瘤的目的【l 】。 放射治疗方法在对肿瘤进行治疗的同时，也会对肿瘤周围的正常细胞和组织产生影 响。一般将某放射治疗手段对肿瘤和正常组织产生的不同生物效应之比称为治疗比 ( t h e r a p e u t i cg a i n ，简称t r ) 。治疗比取决于正常组织的耐受性和肿瘤致死剂量之间的关 系，常用治疗增益系数( t h e r a p e u t i cg a i nf a c t o r ，简称t g f ) 来表达某治疗方案的临床可 行性。放射治疗的目标是使肿瘤控制率( t u m o r c o n t r o l p r o b a b i l i t y ，简称t c p ) 最大化， 同时使正常组织的并发症发生率( n o r m a lt i s s u ec o m p l i c a t i o n sp r o b a b i l i t y ，简称n t c p ) 维持在可接受的水平内。 高能射线用于治疗肿瘤已有近百年的历史了，现阶段临床应用的射线主要分为两大 类【2 】：第一类是低线性能量传递( 1 i n e a re n e r g yt r a n s f e r ，简称l e t ，表示射线在人体内单 位距离内释放出的能量) 射线，包括光子( x 射线、y 射线) 及电子束等；第二类是高线 性能量传递( l e t ) 射线，包括快中子、质子、负a 介子、重离子等。高l e t 射线与低 l e t 射线的生物学效应有所不同。目前在临床上主要使用y 射线和x 射线等低l e t 射 线，而高l e t 射线在国内外多处于临床试用阶段。 在肿瘤的放射治疗中，有两种照射方式：一种是外照射方式，即将射线源置于体外 一定距离处，对病灶实施照射治疗；另一种方式是内照射( 或近距离治疗) 方式，是将 射线源密封后直接置入被治疗组织内对病灶实施照射治疗。其中，外照射是广泛应用的 方式，内照射应用相对较少。目前，用于外照射放疗的设备主要是电子直线加速器和钴 - 6 0 治疗机，这两种放疗设备的市场占有率超过9 0 p j 。 1 1 2 放射治疗技术 放射治疗技术已经有1 0 0 多年的历史了。近百年来，在肿瘤放疗领域，人们共同追 求的最终目标直是：完全杀灭肿瘤细胞，彻底保护正常组织，即最大限度地提高治疗 一2 一 大连理工大学博士学位论文 增益比。在治疗方法上主要强调“准、形、效”三方面：“准”是指杀灭肿瘤目标无 偏差，定位准确；“形”是指高剂量区的形状在三维方向上与肿瘤靶区的形状一致； “效”是指放疗在患者身上应用的效果，也就是把理论上成功的剂量分布，最小误差 地在患者身上得到体现。为此，人们进行了许多探索和尝试，发明了许多治疗方法【4 】。 从1 8 9 5 年伦琴发现x 射线、1 8 9 8 年居里夫妇发现镭元素开始，人们就开始研究将 放射线用于疾病的治疗。1 9 0 2 年，第一次实现了将x 射线用于皮肤癌的治疗。1 9 2 2 年， 2 0 0 k v 级x 射线机的出现，使放射治疗进入了“深部x 射线治疗”时代。2 0 世纪5 0 年代，随着人工放射性同位素钴- 6 0 生产技术的突破，促成了远距离钴一6 0 治疗机的大 量问世，使各种肿瘤患者的存活率有了根本性的改观。1 9 5 1 年，电子感应加速器投入使 用：7 0 年代末，瑞典s c a n d i t r o n i x 公司又推出了医用电子回旋加速器，开始了加速器的 医学应用。钻- 6 0 治疗机和加速器的推广应用，使放射治疗的疗效较之前有了质的突破， 使放射治疗成为肿瘤的主要治疗手段之一。 1 9 5 1 年，瑞典的l e k s e l l 提出了立体定向放射外科( s t e r e o t a c t i cr a d i o s u r g e r y ，简称 s r s ) 的概念。1 9 6 8 年，l e k s e l l 和l a r $ s o n 等研制成功世界首台颅脑y 刀。1 9 8 5 年， c o l o m b o 等在直线加速器上配置多种准直器，发明了颅脑x 刀。1 9 9 6 年，瑞典k a r o l i n s k a 医院研制成功体部x 刀。同期，我国的奥沃( o u r ) 公司也发明了头部和体部旋转y 刀，后来又推出了国产的x 刀系统。这些技术的应用，极大地提高了肿瘤治疗的精确性。 2 0 世纪5 0 年代初，日本的t a k a h a s h i 提出了适形放射治疗( c o n f o r m a lr a d i o t h e r a p y ， 简称c r t ) 的概念，并在1 9 6 5 年提出了实现适形放射治疗的多叶光栅法。1 9 5 9 年，美 国的w r i g h t 提出了适形放射治疗的同步挡块法。同年，英国的g r e e n 首次提出了循迹扫 描法用于实施适形放射治疗。2 0 世纪7 0 年代，瑞典学者b r a h m e 在适形治疗的基础上， 进一步提出了调强放射治疗( i n t e n s i t ym o d u l a t e dr a d i o t h e r a p y ，简称i m r t ) 的概念。2 0 世纪9 0 年代，三维适形放疗技术( 3 d i m e n s i o n a lc o n f o r m a lr a d i o t h e r a p y ，简称3 d c r t ) 和 i m r t 技术得到了重视，并开始进入临床。立体定向技术和适形调强放射治疗技术的出 现，使放射治疗进入了精确治疗的时代。 1 9 7 0 年，h o u n s f i e l d 发明了计算机断层摄影技术( c t ) ，并将其应用于临床。1 9 7 2 年。e c l a u t e r b e r 提出了利用核磁共振( m r ) 技术获取图象的方法。之后，单光子发 射计算机成像系统( s p e c t ) 和正电子发射计算机断层成像( p e t ) 也在临床逐步得到 推广应用。这些技术的应用，极大地促进了医学影像学的发展，同时也推动了肿瘤诊断 和治疗技术的进步。 到目前为止，根据使用设备和技术的不同，放射治疗大体上可分为常规放射治疗和 现代精确放射治疗两大类。 1 1 2 1 常规放射治疗技术 常规放射治疗是传统的、经验式的治疗，是用常规的定位方法，在x 光模拟定位机 一3 多叶光栅放射治疗系统中若干关键技术研究 下确定照射范围，通过钴- - 6 0 治疗机或直线加速器在二维水平上进行的放射治疗，采用 共面多野、旋转弧形照射技术以及楔形板技术、挡铅技术、补偿器技术等实旌照射。常 规放射治疗中的照射野一般选用几种规则的形状，对不规则形状的肿瘤也只能用规则野 实施照射，致使过多的正常组织在照射野内受到照射损伤，使得肿瘤的剂量无法有效地 提高，导致局部控制率相对较低。2 0 世纪9 0 年代以前的放疗技术基本上属于常规放疗， 在立体定向和适形调强技术问世之前，常规放疗是放射治疗的最主要方法。 1 1 2 2 精确放射治疗技术 精确放疗是采用常规或非常规剂量分割方式在三维水平上进行的立体放疗，可使高 剂量区的分布形状在三维上与靶区的实际形状一致，在减少或不增加正常组织损伤的前 提下增加肿瘤的照射剂量，从而提高局部控制率，改善病人的生存质量。精确放疗的基 本特征是所谓的“三精”：精确定位、精确计划、精确照射，这三个方面是一个有机的 整体，它们共同保障了放射治疗的精确性。 在实现精确定位方面，采用多种体位固定技术，结合医学影像学检查，并采用立体 定位激光系统进行位置确认，以获得含有三维定位标志的影像学数据。 在精确计划方面，采用三维治疗计划系统( 3 - d i m e n s i o n a lt r e a t m e n tp l a n n i n gs y s t e m ， 简称3 d t p s ) ，在b e v ( b e a m se y ev i e w ) 、r e v ( r o o m se y ev i e w ) 、d r r ( d i 西t a l r e c o n s t r u c t e dr a d i o g r a p h ) 等功能支持下，对照射野、靶区及正常组织的三维分布进行直观 和客观的规划和分析，采用d v h ( d o s ev o l u m eh i s t o g r a m ) 以及t c p 、n t c p 等模型对计划 进行评估和优化，以达到高剂量分布与靶区的高度适形并保护正常组织。 在精确治疗方面，需要对治疗机各部分的物理精确性进行验证，对摆位误差、靶区 的运动、治疗机及相关器械的物理精度进行严格控制，并结合相应的技术措施对治疗过 程进行监督和控制。 精确放疗主要包括立体定向放疗技术、三维适形调强放疗技术及三维近距离放疗技 术等。前两者为外照射方式，而后者为内照射方式。 立体定向放疗技术是利用立体定向原理，将多束射线经过限束后，聚集于空间的某 一区域，然后将病灶置于该区域进行照射的一种方法。目前，立体定向放疗技术主要包 括立体定向放射外科( s t e r e o t a c t i cr a d i o s u r g e r y ，简称s r s ) 和立体定向放射治疗 ( s t e r e o t a c t i cr a d i o t h e r a p y ，简称s r t ) 两大类。采用的设备主要有专用的钻- 6 0 系统装 置( y 刀) ，及标准的直线加速器外加准直器和立体定位框架系统( x 刀) 。 为达到提高治疗增益比的目标，比较理想的方式是从三维方向上进行剂量分布的控 制。2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机技术和控制技术的进步，以多叶光栅( m u l t il e a f c o l l i m a t o r ，简称m l c ) 为主要实现形式的三维适形放射治疗( 3 d c r t ) 和调强放射治 疗( i m r t ) 技术获得了很大的发展，该技术可以有效地实现三维空间的剂量分布调整， 是提高治疗增益的有效措施。 一4 一 大连理工大学博士学位论文 1 2 适形调强放射治疗技术 所谓适形放疗就是按照肿瘤及其亚临床区域( 即潜在的肿瘤侵犯区域) 的投影形状 设计放射治疗野，使得射线只对肿瘤部分进行照射，而避免周边的正常组织受到照射损 害，实现了对正常组织的有效保护，如图1 1 ( a ) 所示。调强放疗是在适形的基础上， 进一步调整多个照射野内的强度分布，使靶区内及其表面的剂量处处相等，以实现三维 空间的剂量适形，从而可以在不增加甚至减少周围正常组织受照剂量的前提下，达到增 加靶区剂量，提高治疗增益比的目的1 5 】，如图1 1 ( b ) 所示。适形调强放射治疗技术能 明显提高肿瘤的局部控制率，降低正常组织的并发症，从而提高治疗效果。国内外放疗 专家普遍认为，三维适形调强放疗技术将是本世纪放疗技术发展的主流。 3 d c r t 和i m r t 可取代绝大多数传统放射治疗方法。采用3 d 积t 和i m r t 技术受 益最大的情况包括肿瘤位于复杂的解剖结构、肿瘤形态不规则、肿瘤邻近有放射敏感的 重要结构等病例。与常规放疗相比，3 d c r t 和i m r t 由于采用了精确的体位固定技术， 结合c t m r i 扫描，使定位和照射精度大大提高；采用精确治疗计划，利用正向逆向 优化计算，实现了治疗方案的自动优化 采用精确照射，使靶区的形状和高剂量区分布 形状在三维上与肿瘤的形状保持一致，从而可以较大幅度地增加肿瘤剂量，同时减少正 常组织的受量。由于3 d c r t 和i m r t 的诸多优势，目前已成为研究和应用的热点。 放射线 调强器 肿瘤 剂量分布 ( a ) 适形放疗( b ) 调强放疗 图1 1 适形调强放疗示意图 f i g1 1s c h e m a t i co fc o n f o r m a lr a d i o t h e r a p ya n di n t e n s i wm o d u l a t e dr a d i o t h e r a p y 1 2 1 适形调强放射治疗的实现方式 适形放射治疗在其发展过程中出现了几种主要的实现方式，包括：多个非共面固定 野适形照射法、同步挡块法、循迹扫描法、多叶光栅法等。 调强放射治疗的主要实现方式有如下几种：二维物理补偿器技术、断层螺旋式或治 疗床步进式调强技术、多叶光栅静态调强( s t e p - a n d s h o o t ) 、多叶光栅动态调强 ( s l i d i n g - w i n d o w ) 等。其他调强放射治疗的实现方法还有电磁扫描笔形束( p e n c i lb e a m ) 麟一 一 一 腑 惫 多叶光栅放射治疗系统中若干关键技术研究 调强及二维准直器调强技术等。 在实旋3 d c r t 和i m r t 的诸多方法中，同步挡块和物理补偿器等方法因使用费时 费力，设计制作复杂，难以在临床推广应用。只有多叶光栅因得益于计算机技术和控制 技术的不断发展，得到了人们的重视，成为实施适形调强放射治疗的最主要方式。 多叶光栅( m i c ) 由多个叶片组成，叶片成对排放。叶片由对射线具有良好屏蔽作 用的材料制作而成，每个叶片均可在独立的电机驱动下运动，通过计算机对叶片的运动 进行控制，可实现任意形状的射野，射线经过叶片间的打开空隙对病变区域实施照射。 多叶光栅系统几乎具备了其他几种方法的全部优点，使得多叶光栅系统在三维适形调强 治疗领域独领风骚。使用多叶光栅时，不需要制作挡块，省时省力，工作环境好，治疗 效率高，可实现复杂形状肿瘤的非共面多野适形照射治疗和旋转式适形放射治疗，方便 地实现静态调强和动态调强照射。图1 2 中给出了几种多叶光栅的图片。 ( a ) v a r i a nm ig 8 0( b ) b n m 【丑bm 3 ( c ) 大连现代公司m d m l c 图1 2 多叶光栅 f i g1 2m u l t i l e a f c o l l i m a t o r 多叶光栅适形调强放射治疗的全过程包括靶区与重要器官及组织的定位，放射治疗 计划设计，治疗方案的模拟及实施等几个阶段。与此相对应，多叶光栅适形调强放射治 疗系统中包括了患者定位设施、放射治疗计划系统、多叶光栅机械及控制系统及加速器、 射野影像验证系统等几个主要组成部分。如图1 3 所示，图中的虚线框内部分为放疗的 过程，虚线外的部分为放疗中使用的主要设备。 多叶光栅适形调强放射治疗的基本实施过程如下【4 】。首先，结合头部和体部定位设 施，对患者实施a 哪r i 扫描，在获取患者解剖数据的同时，得到靶区及重要器官的三 维坐标信息。放射治疗计划的设计在治疗计划系统中进行，这是放射治疗过程中的核心 环节。将获得的c t m r i 数据传输到三维治疗计划系统中，由医生根据i c r u ( i n t e r n a t i o n a l c o m m i s s i o no nr a d i a t i o nu n i t sa n dm e a s u r e m e n t ) 5 0 号和6 2 号报告的要求勾画靶区以及 重要器官和正常组织的轮廓，并提供处方剂量和对计划的具体要求。物理师按照医生的 要求在三维治疗计划系统中制定治疗计划，包括线束排列的选择和相应剂量分布的计算 等，并进行剂量分布的比较，选择最佳的放射治疗计划。治疗计划评价满意后，将计划 打印出来并通过网络系统将治疗方案( 如：机架、治疗床的转角及范围，射野大小、方 一6 一 大连理工大学博士学位论文 向及m l c 的叶片位置，治疗过程中叶片的运动形式等) 输出到m l c 及加速器控制系 统。在治疗实施阶段，首先使用重复摆位设施将患者重新就位。使患者的体位与扫描定 位时的体位保持一致。由三维治疗计划系统形成治疗部位的数字重建( d r r ) 图象，然 后在加速器上为病人拍验证片与d r r 片楣比较，检查患者位置是否正确。在治疗过程 中。控制计算机需要控制m l c 的运动，实现射野大小和形状的自动设置，或使叶片按预 定要求运动以调节射野内的输出剂量率。为配合动态治疗，在治疗过程中需要实现机架、 治疗床及m l c 的联合运动。使用射野影像验证系统对实际治疗的过程予以监控，以保 证治疗质量。 竺掣e 了 一i i l 一 一 熟1 田圜国+ 虱 障酶h 竺竺h 塑鳖兰h ! 茎翌兰h 鳖茎二：r 窜豳自 图1 3 放射治疗过程及使用的设备 f i gt 3p r o c e s so f r a d i o t h e r a p y dt h e