j 放射治疗计 李宝生,于金明,王立英,徐本华 王仁本, 孔丽,赵献光,周 东省肿瘤医琏,山东 涛,李万龙 f南250117 摘要:调强放射治疗fIMRq1作为一种新近发展起来的先进放射治疗技术.在一些发选国家已经应用于临床。其优势在于 肿瘤靶I置=维剂量分布的适形程度及其均匀性较标准的适形放疗更好,从而在减少或不增加正常组织受高剂量照射的前提下增 加肿瘤组织的受照剂量.这样就可 提高肿瘤的局部控制率.降低正常组织井发症的发生率。本文对调强放疗的计划过程、剂量 计算及优化方式等进行了综述 关键词:凋强放射治疗;放射治疗计划;放射治疗剂量 中图分类号:R730 55 文献标识码:A 文章编号:1004—0242 c2001)08—0461—03 Plan of Intensity Modulated Radiation Therapy ,』Bao-sheng,ⅢJin-mi, ̄g,VC]4NG,』 ,el at (Shangong CancerHospiZal, 250117 Ch/na Absltact:As atl advanced technique.intens modulaled rad/ ̄on therapy(IMRT)h皓be朗ap i。d in the clinical oncolo ̄,in some ad- vanted CDUn[R ̄The advantares 0f IMRT include tv:o ̄conforms]and r h …3-D d0∞distribution山an standard,:xnformal radi帕o13 therapy So,L normaltissue ca/i be pro ̄ecled effectively, ̄hiletlmtorme'gets re4-eive hi曲盯radiation dcc,e.netunlot"control probabil畸may be inc reased and I normal tissue compl[cathm im'iden ̄“ be decreased n planning desi ̄ 0P“ 目 0n of dose calculation and platming are reviewed. Key ̄smrds:iulensity t, ̄odulated radiation therapylIMRT1:radiotherapy pl ̄ing;radiotherapy 尽管调强放疗fIMRTJ应用于临床仅有短短几年的时间, 却弓I起肿瘤放疗界广泛的重视“。=由于IMRT具有优化配置 每一射束权重的特点,其所产生的剂量分布形状也就更接近 于我们所想得到的一因此,1MRT具有巨大的发展潜势,即使 在目前较为初级的情况下,也不失为肿瘤放疗的重要工具。 且除计算机控制的多叶光栅(MLC)外无需其它的射野形状 修饰装置。另外,可在一个计划里同时实现大野照射及小野 的追加剂量照射而无需使用电子线,这样在每次照射中正常 组织受照的剂量较低而不同靶区又可以获得相应需要的剂 量,这一治疗方案可能具有重要的放射生物学意义。 应用动态多叶光栅(DMLC)实现1MRT是效率最高的方 1 IMRT的特点 1MRT与三维适形放射治疗l3D-CRT)相比有许多潜在 的优势,首先它能够使高剂量区剂量分布的形状在三维方向 上与靶区的实际形状相一致 即其剂量分布的适形程度要比 标准的3D-CRT好的多,计划靶区(Prv)内的剂量分布也更均 匀,如果需要 在PⅣ边缘可以同时形成非常陡的剂量梯 式之一,整个治疗过程均可以通过遥控实现,无需进入机房 改变射野和更换射野修饰装置等.花费的时间与简单的常规 放疗时间也差不多。 与传统的正向计划不同,1MRT采用逆向计划系统。在正 向计划中,需事先确定射束方向、各射柬权重、楔形板、挡块 及射野边界等,然后计算并显示剂量分布,最后由放射治疗 医师确定该计划是否可被接受:在1MRT逆向计划中,先提出 数学化的临床目标,然后由计划系统优化射野参数,以实现 所想达到的临床目标。当然这些目标必须是切实可行的,而 不能要求靶区获得l00%的剂量靶区外为0。对计划进行临 度。这就意味着靶区周围的正常组织受高剂量辐射的体积将 显著减少,从而可以较大幅度地增加肿瘤剂量或【和)减少正 常组织的受量.提高肿瘤控制率lTCP)或(和J降低正常组织 并发症的发生率lNTCp);其次,1MRT潜在的治疗效率更高 虽然到目前为止这一潜势尚未得以实现 这是因为在1MRT 计划制定过程中对各项计划参数如射野方向等要求不高.而 收稿日期:!啪】一05—14;修回日期:2001—06一I8 中国肿捕2001年第【0卷第8期 床优化的同时还必须考虑其实现的可能性,限于目前的剂量 效应知识,很难确定什幺是临床最优化,需要进行大量的试 错法优化及J临床试验,以便建立分类优化方案,这些分类优 化方案主要考虑治疗部位和病期,同时也应包括特殊的治疗 技术: 461 维普资讯 http://www.cqvip.com
2 IMRT的实现方式 的影响且每一线束又会影响许多点,因此,每次只允许调正 很小的射束权重并且在每一射束上都要重复这一过程。这样 IMRT的实现方式很多 其中DMLC技术正被广泛接受, 每一次迭代后治疗计划都会有一个小的改善,然后以此为基 本文仅就该方面的问题予以讨论。 础进^下一次迭代.依次循环下去,直到迭代后剂量分布不 2,l 逆向计划及实施过程 再改善为止,此时我们假定该计划为最优。 近年来在IMRT的优化设计及实施方面的研究报告 目前 临床应用最广泛的是基于剂量体积的目标函数, 很多 ,一个典型的逆向计划及实施过程如下:①与常规 Bortfeld 提出了基于剂量体积目标的实用方法,对于需要保 计划一样.首先在影像图片上勾画出靶区和关键结构的轮 护的正常器官要求吸收剂量大于某一剂量【D1】的体积应小 廓。②确定分割次数及客观参数如处方剂量和靶区剂量的上 于某一闻值fvll,为将这一限制引入目标函数,需设定另一 下限,关键器官的剂量上限,DVH限制和突破限制后的处罚 吸收剂量值D2fD2>D¨,使之在当前的剂量体积图(DVH) 比重。这些参数的缺省值可从数据库里找到若不用缺省值 上V(D2l_Vl 这样 只有当正常组织的吸收剂量位于Dl与 则需依据不同的病人情况输人调整后的数值一③剂量计算: D2之间时,才对该目标函数有贡献。对于靶体积,可用两种 ④开始进行优化处理。⑤依据DVH、可视化剂量显示及生物 剂量体积标准限制靶区冷热点的出现.侧如,若希望靶体积 学指标如TCP、NTCP等评价优化后的剂量分布:若锆果不理 得到80Gv的剂量,可以设定V[)82Gy】≤5%及Vc)79Gy) 想,则回到第二步,调整有关的参数特别是处罚比重。⑥计划 ≥95%。也就是说剂量超过82G' ̄的靶体积不太于5%,剂量 符合要求后,将剂量强度转化为多叶光栅叶片的运动轨迹. 大于79G ̄,的体积不小于95%。基于剂量的标准可看怍是剂 存储计划并输出文件。⑦IMRT剂量验证。⑥病』、摆位,在体 量体积标准的一个子集,在这个子集里,往往将体积设为一 剂量验证和计划实施: 极端值如0或100%。由于基于剂量的优化过程对所有超过 2.2 计划过程及射线强度优化 剂量限制的 进行处罚,而基于剂量体积的优化仅处罚一定 IMRT计划过程与标准的3D ̄RT计划过程有许多相似 剂量范围内(如D2)突破剂量限制的点。固此,在优化处理过 之处,如均从一系列CT或MR片上勾画外轮廓、临床靶区 程中剂量体积标准较剂量标准更具灵活性且等剂量分布更 (CTV】和关键的需要保护的正常解剖结构:然而.由于IMRT 易控制 计划的逆向性它们叉有很多不同的地方,在IldRT计划中亚 在IMRT优化方法中梯度技术(gradient technique】应用最 临床病灶区包括淋巴结也需要勾画出来,并同时对肉眼肿瘤 多,这是因为到目前为止该方法的计算速度最快。然而,这一 区(GI"V)和亚临床病灶区进行优化处理 考虑到摆位误差及 技术应用的前提是假定仅有一个极端值存在(即一个最小值 器官内运动等方面的影响.需在CTV的基础上外放一定的距 或…个最大值1.这一假定对于建立在基于剂量的目标函数 离构成计划靶区(PTV J。通常情况下尚需在FFV墨需要保护 墨仅对射束强度进行优化的情况下是成立的。其它情况下则 的正常组织周围外放一个散射半影, 确保靶区内剂量分布 需事先确定是否存在多个极限值及多个极限值是否会影响 均匀及正常组织得到很好的保护,由于IMRT具有线束强度 该算法的效果。已有一些研究者发现当优化过程包括射野方 可调的特点,通过调高边缘线柬强度可显著缩 、半影直径. 向或直用基于剂量反应的目标函数优化权重时,确实存在多 从而减少正常组织受照射的容积。 极限值问题” Deasy研究表明即使应用基于剂量体积的目 射线强度优化有许多不同的算法,每种方法都有其优缺 标函数也存在多个极小值 。 尽管这仅是理论上的结论,在 点,尽管各种算法的细节非常复杂,但其基本原理却不难理 实际应用中(包括基于剂量体积或剂量反应优化)尚未发现 解。剂量计算时只将各射野通过靶区的射线计算在内.其它 多个极小值的存在,但这并不能说明多个极小值不存在,对 则设定为零。将病人的三维图像分割成一个个象素,按初始 这一问题尚需进一步深人研究一如果证实多极小值是一个影 杈重分别计算每一象素内的剂量,即可得到三维上的剂量分 响因素.则需要考虑采用某些随机优化技术,其中最简单的 布,然后依据设定的目标函数对计划进行评分。一个简单的 足采用随机搜索结合某种梯度技术。模拟退火或其改进式快 Et标函数是体内每一点想要得到的剂量与实际计算剂量差 速模拟退火(FSA)是一种更复杂的随机算法:这些优化技术 的平方和。这种函数称为方差目标函数。对于需要保护的正 可消去最小值的影响。也有作者提出基因算法等随机优化技 常组甥.只要不超过其耐受剂量,分值为零.反之则为1、即当 术 :理论上,模拟退火技术和其它随机算法可以找到全局 某个象素剂量小于正常组织的耐受量时,对方程无贡献。优 最小值,但实际上能否找到绝对优化值仍存在许多疑问,因 化过程力图使函数值晶小化。 为只有当最优值位于所得到的解中时才会被找到=另外,由 射线示踪程序能够区分射线通过的肿瘤及正常组织象 于随机技术计算速度慢.往往不适于在日常工作中使用.而 素 计算射线权重每次小的变化所引起的函数值的改变,如 仅应用于某些特殊需要的情况下。尽管如此.某些商业IMRT 果射线杈重的增加导致函数值变小,则继续增加该射线的权 i_划系统中仍然采用了模拟退九等随机优化技术: 重.否则亦然。由于某一点剂量分布的改善受许多照射线束 2.2 I ̄,1RT计划中射野数的优化 462 中国肿瘤2001年第10巷弟8期 维普资讯 http://www.cqvip.com
解剖结构的i维显示可用来辅助确定各不同角度的照 射野。与标准放疗不同的是,在IMRT计划中只要选择足够的 射野数,射野角度就相对不重要lr,另外也无需勾画射野轮 廓。这样在布野方面所花费的时间就少的多。 在IMRT计划中射野数以多少为宜,目前尚有争议。理论 上讲射野数越多可供调整的参数越多.剂量分布的适形程度 越好;然而,为节省时间.提高计划制定、质量控制、剂量验证 和计划实施的效率,叉要求射野数尽量的少 另外当射野超 过一定的数目后.增加射野对适形程度的贡献越来越少。因 此,如何确定恰当的射野数.就成为射野规划中的重要问 题。许多作者发现超过10个照射野对于剂量的优化往往无 intensity-modMated treatments:In response to the letter to the editor Soderslrora and Brahme【J】.UROBP,1996,34: 758—759. 【7 J Reins'rein LE.Wang X,Btmnan C,et 1.aA feasibi ̄ty siu由of autottmted inve ̄e trealment planning for cm.cer of he ptesttate ….1JROBP,1997,40:207—214. [8]Soderstrom S,Brahnm A.which is the most suitable number of photon beam portals in coDIanar ra a n theray-[pJ].IIR- OBP,1995.33:151—159. 【9]SpJmuSV,Chui CS Generation ofarhd.traryfluenee pl'to ̄e5 by dyrmmic aws or multileaf collimator[J].Med Plays,1994, 21:1031—1041 任何实际作用,故射野数以10个 内为宜 若射野数少到 3—4个,其剂量分布的适形程度就会明显降低,然而,随着影 像重建技术的发展,许多研究者发现由于IMRT的应用,只要 对射野角度及方向等进行优化处理,即使采用3—4个野,也 可 在某一等剂量曲线上获得所需的剂量分布“ 。理想的最 少射野数与几何形状及生物学因素有关包括靶区的大小、形 状、位置和周围正常组织的多少、形状、耐受性、组织结构、相 对位置及处方剂量等 所以,如果靶区与周围正常组织的剂 量差别不太,可用较少的射野来实现调强,以提高效率:至于 IMR的强度水平数,有研究表明采用5~7个剂量强度水平 与连续调强的结果无明显差异,因此在用MLC实施凋强放 [10]Stein J,blohanR,WangXH.eta1.Number and orientationsof b ̄arft5 in intenslyt-modulated radiation treatment【J]Med Ph- ys.1997.24:149—160 【l1 J Van Santvoort JPC,Heijman BJ^1.Dynamic multileaf coHima- t Jon without Iotlgue-and-ga'oo,e underdosage efects【J】Plays Med Biol,1996.41:2091—2105 [I2]Wang XH,Mohan R,Jackson A,et 1.Optaimization f ointen- sib"modMated 3D eotforttml trealment plan based ol3 the bi- ologicalindices【J]RadiotherO ̄eot.1995.37:IdO一152. [13]WangXH, u S,k s0 T,et a1.Dosimetrie verification 疔时,无需在整个过程都调用动态模式: fo n iantensit7 modulated treatment【J].Med P s,1996,23: 317—328 【14 J Webb S,Bortfetd T,Stein J,et la 1k efect of stalr-step leaf 参考文献: 【1 J Ling CC,Burrnan C.Chui CS.et .Cotfomml radia6on treallnetR of prostate cancer usig inn ̄.,erse]y-planned itttettsity modulated photon beams produced vdth dyrmmic mulitleaf tratrsmission on the tongue-and-groove problem in dymn ̄c ra- dioterbapy wiht a mulit-leaf collimator【J].Phys Med Biol, 1997.42:595—602 【15]Bortfetd T,Stein J.Prie ̄r K.Clinically rdevant intensity, umdulaiton optiizmation usig nphysicla objenlves【fA].I itt DD Proceedings of 1 international eonferel ̄e on the use collimation【J]UROBP.1996.35:721—730. 【2]Cben z、WangX,Bortfeld T,et a1.Theinfluence of scatter on the desig ̄of the optimized intensity modMators【J】.Med Ph- ys,1995.22:1727—1733 ofcomputers in radioterbapy[C]Salt Lake City.Utah:Me& ical Physics Pubtishittg,1997.I一4. 【16]Stein J,Mohan R,Wang XH,et la Optimum number and off- entadons of beams for intetrsity..modMated treatmertls [3]Chui CS,LoSasso T.Spiiotl S Dose calculation for photon beams with intettsity moduladon generated by dynamic Jaw or (abs d)【J].Med s,1996,23:1063. mulit-ted collimations【J].Med Phys 1994.21:1237— 1243 [17】Deasy JO.Multiple local minima in radiotherapy optim ̄ ̄fion problems with ̄se-valume c0nsⅡai rI【s[J].Med Plays.1997. 24:lI57一I161. [4]Melotn R,Wang x.Jackson A,et a1.heT potential andlJ mi- tatioEts c the Jnvetse radiotherapy technique[J]Radiother 0 ̄col,1994.32:232—248 [18] ̄zell GA Genetic and geometdc optimiatzion of three di- mensiotml radiation therapy[J]ied Phys,1996,23:293— 305 [5]Mohan R.Wu Q,Wang Xh.et al tntensib'modulation opt[- rlazation,latel-al transport of radi ̄ion and margins【J]Med Phys,1996.23:2011—2022 [19]Brahn ̄A Optiizmation ofmdiationtherapy andthe develop ment ofmultileafcollimation[J]UROBP,1994,28:785— 787 [6]Mohan R,Lig nCC, In J.et al The number ofbeamsin 中国肿瘤2001年第10卷第8期
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