放射物理学实验设计

放射治疗教研室放射治疗教研室 实验设计方案实验设计方案 实验课程实验课程 名名 称称 放射物理学学院专业学院专业医学影像学 实验项目实验项目 名名 称称 鼻咽癌调强放射治疗计划的制作实验班级实验班级医学影像系 2012 级 实验项目实验项目 类类 型型 综合性实验 方方 案案 编写人编写人 郭飞 实验地点实验地点医学影像系放射治疗仿真实验室 实实 验验 时时 间间 2015 11 1 8 项目合项目合 作人员作人员 李贤富 谢力 一 实验摘要一 实验摘要 调强放射治疗技术 Intensity modulated radiation therapy IMRT 是放射治疗中 最为先进的技术 IMRT 可有效改善肿瘤靶区剂量的适形度 同时降低周围危及器官的受照剂 量 IMRT 计划制作又是其中最为关键的一环 本实验课主要利用逆向调强放射治疗原理 针对鼻咽癌常规放疗临床靶区进行调 强放疗计划制作 实验器材主要使用医学影像系放射治疗仿真实验室配备的放射治疗计划系 统 Treatment Planning system TPS 进行计划制作 制作过程中 学生需要灵和运用调 强放射治疗射野原则 合理设置计划优化参数 根据计划制作结果反馈情况 实时调节优化 参数 直至满意为止 制作完成后进行计划评估 其中包括靶区百分深度剂量曲线适形度 CI 的评估 剂量体积直方图 DVH 中显示的临床危及器官风险受照量的评估 子野数 量和机器所需跳数 MU 的评估 每位学生应独立完成计划制作 根据计划评估值情况进 行综合评分 本实验目的在于让学生深度理解逆向调强放射治疗基本原理 了解临床放射治疗 计划制作的基本流程 在计划制作过程中积累经验 为临床培养放疗物理师做准备 二 实验目的二 实验目的 采用独立制作计划的方式 让学生理解逆向调强放射治疗基本原理 熟悉临床放 射治疗计划制作基本流程 明白在放疗计划制作过程中 TPS 的运作原理 初步了解在 TPS 中 参数设置的逻辑性和合理性原则 三 实验仪器 设备和材料三 实验仪器 设备和材料 红蜘蛛教学监视软件 视频教学白板 仿真实验室放射治疗计划系统 Treatment Planning system TPS 24 台 独立存储服务器 1 台 容量 20T 四 实验设计方案四 实验设计方案 1 1 实验原理实验原理 它启发于 CT 成像的逆原理 即当 CT 的 X 射线球管发出强度均匀的 X 线束穿过 人体后 由于其组织厚度与组织密度不同 其强度分布就变成了不均匀的射线束 反向投影 后形成了组织的影像 反之 如果放射治疗给与一个不均匀的射线束照射 则出来的射线束 就变成均匀而投射到靶区中 调强放射治疗 即是把每一个辐射野分割成多个细小的野 也叫做线束 在制定 计划时 按照靶区的三维形状和与相关危及器官之间的解剖关系 对这些线束分配以不同的 权重 使同一个射野内产生优化的 不均匀的强度分布 以便使通过危及器官的束流通量减 少 而靶区其他部分的束流通量增大 图图 1 1 示 图图 1 调强放射治疗原理图调强放射治疗原理图 而逆向调强放射治疗正是基于次原理之上 由计算机反馈优化完成 其主要步骤 为 先由医生确定处方剂量 包括靶区的照射剂量和靶区周围危及器官的耐受剂量 然后由 计算机给出实现该结果的方法和参数 从而实现治疗计划的自动最佳优化 治疗计划的优化 是逆向计划系统的重要组成部分 治疗计划的可靠性和效率直接影响治疗的精度和疗效 2 2 实验内容 流程 实验内容 流程 不同权重的线束不同权重的线束 射野内强度分布射野内强度分布 RO 危及器官危及器官 PTV 照射靶区照射靶区 从服务器上导入已 勾画的鼻咽癌病例 DICOM 图像 批复图像 进入 IMRT 模块 启动电脑 登陆TPS 根据靶区形状 设定 系统参数 设定优化参数 进行计划优化 计划评估 结果不满意 重新优 化 3 3 实验步骤 实验步骤 登陆 TPS 系统 将学生带入影像系仿真实验室 每人分配一台电脑 启动电 脑 提供 TPS 登陆密码 登陆进入 TPS 系统中的图像处理界面 导如图像 在图像处理界面中选择独立存储服务器上的事先已经勾画好的鼻 咽癌病例图像 点击 Import 键 导入键 导入到本地 TPS 系统中 批复图像 进入 IMRT 模块 在图像处理界面中点击右上角 Approval 键键 批 复键 对图像进行勾画确认 确认完毕 点击切换标签 IMRT module 进入 IMRT 计划模 块 设定照射野参数 学生可根据调强放疗原理 在 BEAM 选项内自由设定照射 野方向 外放 MARGIN 值 边缘值 设定为 0 5 cm 照射野大小选择 AUTO 根据靶区形 状自动设定 照射中心选择 PTV 体积中心 Number of Beams 照射野数目 一般设定为 5 9 个 其余值默认 设定子野参数 在 Sequencing Parameters 选项内将 Minimum Segment Area 最小子野面积 设定为 2 10cm2 Minimum Change Between Consecutive Segments 子野抑制因子 设定为 2 5cm2 Minimum Segment Width 最小子野宽带值 设定为 0 5cm Min MU Segment MU 子野最小跳数 设定为 3 10MU 其余值默认 设定优化算法和处方剂量 在 IMRT Calculation Properties 选项内将优化算 法选择 pencil beams 笔形束 计算网格选择 0 3cm 处方剂量输入 6000 cGY 照射次数选 择 30 次 其余值默认 设定优化参数 开始计划优化 进入计划优化界面 在 Prescription 选项卡 中设置参数 首先将勾画器官 PTV 设定为 TAG 目标靶区 将 spinal cord 脊髓 brainstem 脑干 eyeball 眼球 len 晶体 parotid 腮腺 mandibular 下颌骨 optic nerve 视神经 temporal lobe 颞叶 SKIN 外轮廓内未定义组织 设定为 OAR 危及器官 PTV 选项中设定 MAX 值 剂量最大限制值 为 6600 MIN 值 剂量 最小限制值 为 6000 OAR 选项卡中分别设置 Under DVH 临床限制剂量体积 上限值 和 MAX 剂量最大限制 值 其设定值范围需要小于计划评估要求的最大限制值 且根据 计划结果实时调整 给定完毕后 点击右下角 Apply 应用 按钮带入系统 点击 calculation 开始计算 按钮开始进行计算机自动优化 优化过程中根据实时变化的 DVH 剂量体积直方图 图形不断调整危及器官的临床限制剂量体积和剂量最大限制值 要求在不影响靶区剂量分布的情况下尽量减小该值 实时关注靶区剂量分布 观察最大值和 处方剂量体积的变化 通过调整选项后面的 weight 值 权重值 或改变危及器官优化函数 计划完成 利用红蜘蛛教学监视软件将计 划结果调入视频教学白板进行 总体分析并评分 条件 来达到期望的目标结果 参数设定范围需要在危及器官限制剂量和靶区处方剂量之间 做出权衡 最终带入 TPS 自动运算直至完成 计划评估 计划完成后 通过 DVH 图和靶区剂量分布曲线对计划进行评估 评估标准以满足临床剂量限制要求为准 若其中有项目未达到临床限制剂量要求 需要更改 优化参数 重新制作计划 计划分析 评分 计划制作完成后 使用红蜘蛛教学监视软件 依次将其完成 的计划投影到视频教学白板进行分析 评分 评分标准包括 计划系统操作评分 主要考察 学生对放射治疗计划系统的熟悉程度 看其能否在带教老师的指导下合理设置计划参数 并 开始优化运算 物理应用和临床指标评分 物理应用主要考察学生制作的调强计划的能否 为现有直线加速器所执行 包括子野形态考察 子野数量和机器所需跳数 MU 考察 图图 2 临床指标主要考察学生制作的调强计划能否满足放疗医师评估要求 为临床所用 依据 靶区适形度指数 CI 剂量体积直方图 DVH 进行评估 其中 靶区适形度指数 CI 的 计算公式参照文献 CI VTref VT VTref Vref 式中 VTref 为参考等剂量线所覆盖的靶体积 VT 为靶体积 Vref 为参考等剂 量面所包含的总体积 CI 值在 0 1 之间 越大越好 DVH 图评估包括靶区的 D95 D93 D110是否满足处方剂量要求 危及器官的 Dmax D1 V20 V30 V50是否小于临 床风险受照量 图图 3 计划分析和讨论评分 主要考察学生对调强放疗原理的理解能力和 计划制作过程中的逻辑分辩能力 能阐述出某一条件的实现 需要依赖于其他哪些条件 子野最小面积 2cm2 子野最长直径 40cm 子野最小跳数 5MU 子野数量 150 个个 机器所需跳数 1500MU 图图 2 物理应用指标物理应用指标 PTV 靶区 D95 6000cGYV110 20 V93 1 spinal cord 脊髓 Dmax 4500cGYD1 5000cGY brainstem 脑干 Dmax 5400cGYD1 6000cGY eyeball 眼球 Dmax 2200cGYV20 50 len 晶体 Dmax 600cGYD1 900cGY parotid 腮腺 Dmax 6000cGYV32 50 V26 60 mandibular 下颌骨 Dmax 5400cGYD1 6000cGY optic nerve 视神经 Dmax 5400cGYD1 6000cGY temporal lobe 颞叶 Dmax 5400cGYV20 50 V30 30 图图 3 临床应用评估指标临床应用评估指标 4 4 项目完成后达到的对学生的成果要求 项目完成后达到的对学生的成果要求 学生需要独立完成鼻咽癌调强放射治疗计划设计 最终计划能够满足物理应用和临床指标 即所有物理参数均能达到限制值标 准且可为临床执行 能够阐述计划设计过程中计划参数变更设置的逻辑原理 5 5 评分标准 评分标准 操作操作 4040 分分 考查学生能否在教师指导下顺利完成实验 重在操作技能考察 过分依赖教师者 酌情扣分 计划系统参数设置不正确 20 分 计划系统参数设置正确 优化参数设置不合理 30 分 计划系统参数设置正确 优化参数设置合理 顺利开始优化 40 分 计划数据处理和计划再优化计划数据处理和计划再优化 4040 分分 考察学生对调强放射治疗原理的理解能力 考察学生对临床限制剂量值理解能力 最终生成计划不能满足物理应用 20 分 最终生成计划能够满足物理应用 不能达到临床应用指标 30 分 最终生成计划能够满足物理应用 能够达到临床应用指标 40 分 计划分析和讨论计划分