【作 者】吳宜燦，曹瑞芬，胡麗琴，龍鵬程，賈婧，鄭華慶，宋鋼，宋婧，何桃，程夢云，汪冬，汪暉，江河，趙錦波，

王永亮， 金雛鳳，F(xiàn)DS 團隊

中國科學院核能安全技術研究所，中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，合肥市， 230031

0 引言

放射治療的根本目的是最大限度地殺滅腫瘤細胞的同時，有效地保護周圍重要器官和其它正常組織。放射治療計劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）是放療醫(yī)生/物理師制作放療計劃的軟件平臺。隨著放療技術的發(fā)展，TPS的作用越來越強大，成為精準放射治療的靈魂。調強放射治療一般要求通過TPS優(yōu)化得到每個照射野的強度分布，從而保證腫瘤靶區(qū)獲得相對均勻的高劑量，并避免周圍正常組織落入高劑量區(qū)。調強放療的出現(xiàn)給放射治療的發(fā)展帶來了革命性的進步，已成為放療技術的主流。隨著技術的發(fā)展，在調強放射治療的基礎上出現(xiàn)了圖像引導放射治療和劑量引導放射治療等，但這些新的放療技術的出現(xiàn)對TPS沒有帶來本質變化，因此支持動態(tài)調強放射治療的TPS是實現(xiàn)精準放射治療的根本。

以發(fā)展具有中國自主知識產(chǎn)權和先進技術水平的精準放射治療系統(tǒng)為目標，中國科學院核能安全技術研究所FDS團隊長期對精準放射治療關鍵物理與技術進行研究，提出和發(fā)展了快速精準劑量計算、逆向計劃多目標優(yōu)化、精準智能定位與擺位、實時劑量反演與驗證等一系列放射治療關鍵核心方法，發(fā)展了具有自主知識產(chǎn)權的精準放射治療系列產(chǎn)品麒麟刀KylinRay（原名為精準放射治療計劃與質量保證系統(tǒng)ARTS）[1-10]，包括KylinRay-IMRT/IGRT/DGRT等，為臨床提供系列產(chǎn)品解決方案。本文對其中動態(tài)調強放療計劃系統(tǒng)KylinRay-IMRT進行介紹。

1 系統(tǒng)設計及主要功能

KylinRay-IMRT系統(tǒng)主要界面如圖1所示，整個系統(tǒng)的目的是為放療醫(yī)生/物理師提供方便快速的計劃制定平臺，因此三維適形放療計劃及逆向調強放療計劃設計是整個系統(tǒng)主要功能，而在計劃設計過程中需要調用劑量計算來模擬計劃實施后病人體內劑量分布，調強計劃的設計必須依賴逆向優(yōu)化，因此劑量計算和逆向優(yōu)化是整個系統(tǒng)的計算核心。系統(tǒng)采用模塊化的設計，盡量使各個模塊之間的耦合度達到最小，降低軟件開發(fā)的風險，增加整個軟件的兼容性及可擴展性。整個系統(tǒng)的功能模塊包括病人數(shù)據(jù)管理、影像配準與融合、影像勾畫、三維適形計劃設計、逆向調強計劃設計、三維重建及可視化、計劃評估、報告輸出。系統(tǒng)的模塊組成如圖2所示。

圖1 KylinRay-IMRT 界面圖Fig.1 User interface of KylinRay-IMRT

圖2 KylinRay-IMRT 模塊關系圖Fig.2 Module architecture of KylinRay-IMRT

病人數(shù)據(jù)管理模塊包括病人影像數(shù)據(jù)（如CT/MRI/PET等）按照Dicom3.0/Dicom-RT導入導出，病人數(shù)據(jù)管理與用戶管理的導入導出與商用TPS完全兼容。圖像配準融合模塊提供了多種形式的配準技術，包括手動配準、基于標記點的配準、自動配準等。影像勾畫模塊基于病人配準融合后的圖像完成腫瘤靶區(qū)、危及器官的勾畫；提供脊髓、眼睛、肺、脊髓、肝臟、腎臟等多種器官的自動識別與提?。涣硗?，提供了包括推輪、鉛筆、橡皮擦等多種手動勾畫工具。三維重建及可視化將腫瘤靶區(qū)、各危及器官、射野及附件、劑量分布等多種信息疊加動態(tài)顯示。計劃模擬顯示支持計劃實施全過程的仿真及碰撞檢測。三維適形計劃設計模塊支持多葉光柵、擋鉛等多種附件三維適形計劃設計，提供了多種劑量計算引擎模擬計算病人體內劑量分布結果。逆向調強計劃設計模塊支持多葉光柵靜態(tài)/動態(tài)模式調強計劃設計以及容積調強計劃的設計。計劃評估與比較模塊不僅支持積分/微分DVH、多個器官同屏顯示和組合器官的DVH計算等，還可以進行多計劃DVH、等劑量線和點劑量等多種方式的比較。報告輸出模塊根據(jù)臨床醫(yī)生的要求及習慣輸出治療計劃信息供醫(yī)生查看及確認。

2 關鍵技術與方法

2.1 劑量計算

劑量計算是TPS的核心，在計算體內三維劑量分布或感興趣點劑量及逆向計劃優(yōu)化中都需要使用劑量計算，因此劑量計算的速度及精度是決定一個TPS先進與否的關鍵因素[11-12]。常見劑量計算方法分為解析方法和蒙特卡羅方法兩類。解析方法具有速度快的優(yōu)勢，但是在非均勻區(qū)域會出現(xiàn)較大誤差；蒙特卡羅方法可在所有區(qū)域得到較高精度的計算結果，但是其計算時間過長，無法滿足臨床使用的要求。針對臨床上計劃設計階段對速度及精度的不同要求，KylinRay-IMRT發(fā)展了基于蒙特卡羅的快速筆形束劑量計算方法[13-16]、蒙特卡羅及解析耦合方法以及超級蒙特卡羅劑量計算引擎SuperMC（Super Monte Carlo Simulation Program for Nuclear and Radiation Process）。SuperMC是一款具有完全自主知識產(chǎn)權的超級蒙卡核模擬軟件系統(tǒng)，可應用于醫(yī)學物理、核反應堆物理等領域[17-18]。

其中，蒙特卡羅及解析耦合方法將自主研發(fā)的解析方法和蒙特卡羅劑量計算引擎進行耦合實現(xiàn)快速精準的劑量計算。KylinRay-IMRT中耦合劑量計算并不是將解析劑量計算和蒙特卡羅劑量計算進行簡單的耦合，而是考慮了高精度區(qū)域外產(chǎn)生的次級電子和散射光子進入高精度區(qū)域帶來的影響。為了解決這一影響所帶來的精度問題，提出了過渡層的概念，即把高精度區(qū)域外對高精度區(qū)域產(chǎn)生影響的區(qū)域劃分為過渡層，將其與高精度區(qū)域一起使用蒙特卡羅方法進行劑量計算，而過渡層本身的劑量則和其它區(qū)域一起由解析劑量計算方法給出。過渡層厚度對蒙卡計算時間和精度影響明顯，如果過渡層過厚，雖然可以保證高精度區(qū)域的計算精度，但是相較于全空間的蒙卡模擬，計算時間的減少卻不是很明顯；如果過渡層厚度過小，雖然可以明顯減少計算時間，但是高精度區(qū)域的計算精度卻不能夠得到保證。本系統(tǒng)將改進劑量分布陣列法和次級電子射程法用于計算過渡層的厚度。

2.2 逆向計劃優(yōu)化

逆向計劃是調強放射治療應用的基礎，逆向計劃根據(jù)醫(yī)生的治療要求，通過逆向優(yōu)化算法自動找出符合要求的最佳治療方案。目前，KylinRay-IMRT發(fā)展了基于改進的共軛梯度法的快速強度分布優(yōu)化[19-21]、基于最短路徑及共軛梯度法的直接子野優(yōu)化[22-25]、基于共軛梯度及蟻群算法混合的射野方向優(yōu)化[26]。除此之外，KylinRay-IMRT還發(fā)展了旋轉調強優(yōu)化、逆向優(yōu)化和多目標優(yōu)化等技術，為調強放射治療實施提供先進優(yōu)化技術。

KylinRay-IMRT將臨床上對靶區(qū)、各危及器官的要求及設置轉化為多個目標及約束，建立了直接子野多目標優(yōu)化的多層次模型，采用基于松弛變量的共軛梯度法來解決此問題。該模型第一層次通過對原問題進行松弛化處理，得到確定的目標函數(shù)重要性因子；在第二層次中通過耦合基于確定性方法搜索的權重因子和基于共軛梯度法的單目標優(yōu)化方法，優(yōu)化得到pareto解集[22]。

旋轉調強是目前發(fā)展最先進的治療技術，但是旋轉調強優(yōu)化由于涉及到參數(shù)眾多，優(yōu)化時間長，很難得到最優(yōu)的治療方案。本系統(tǒng)通過對整個旋轉治療的空間進行精細劃分后，首先借助強度分布優(yōu)化方法初始化每個方向的子野形狀和權重，以得到好的初始子野提高后續(xù)優(yōu)化的收斂速度；然后采用把子野形狀和子野權重分開優(yōu)化的思路，基于擾動優(yōu)化子野形狀，采用共軛梯度法優(yōu)化子野權重。通過多次迭代得到最優(yōu)的子野權重和子野形狀。

3 系統(tǒng)測試及結果

采用臨床上頭頸部、胸腹部、多靶區(qū)等不同部位、不同類型的病例及AAPM報告中的系列例題，對KylinRay-IMRT進行了體系化測試，按照YY 0637標準進行了安全性測試，按照國家標準YY/T 0889—2013《調強放射治療計劃系統(tǒng)性能和試驗方法》[27]對KylinRay-IMRT進行系統(tǒng)性能測試。

3.1 材料及方法

使用AAPM TG119號技術報告中的數(shù)據(jù)包的解剖結構數(shù)據(jù)，按照YY/T 0889—2013標準中的要求進行射野及劑量目標的設置，做出滿足劑量目標要求的治療方案并將此方案加載到掃描后的水模體CT數(shù)據(jù)上，并進行劑量計算，將計算結果與測量結果進行點劑量、面劑量的比較。采用配置28對多葉光柵的新華600D 6 MeV直線加速器進行治療計劃的實施，飛利浦16排CT掃描水模體，采用30 cm×30 cm×15 cm固體水進行計劃實施后的劑量測量驗證；采用PTW31010型0.125 cm3指形電離室，PTW-MULTIDOS劑量儀進行點劑量測量；采用PTW（Array729型號）二維電離室Gafchromic 測量面劑量，采用PTW Verisoft 5.1軟件分析單野面劑量；采用EBT3免沖洗膠片測量復合野面劑量，Epson 11000XL掃描儀掃描劑量膠片，采用f i lmQA pro 3.0膠片分析軟件進行面劑量分析。準確性計算方法嚴格按照YY/T 0889—2013標準執(zhí)行。

3.2 結果及分析

使用KylinRay-IMRT對測試例題進行調強計劃的制定，其中射野設置及劑量目標要求按照標準的要求進行設置。對于所有測試例題，包括多靶區(qū)、前列腺腫瘤、頭頸腫瘤、C形靶區(qū)（簡單）、C形靶區(qū)（困難）， 計劃劑量目標全部滿足標準要求。點劑量電離室測量結果和復合野劑量分布膠片測量結果如表1和表2所示，由劑量計算和測量結果對比表明，劑量目標除了C型困難例題中D95不能完全滿足外，其他均能滿足。這是因為C型困難例題中靶區(qū)與危及器官離得太近，很難在找到保證靶區(qū)高劑量的同時，危及器官劑量很低，即便是目前用得較多的國際商用系統(tǒng)Raystaion也無法滿足[28]。點劑量電離室測量結果顯示全部計劃的總誤差為小于3.6%滿足標準中4.5%的要求；單野劑量分布PTW729二維電離室測量結果顯示γ通過率大于94%，滿足標準中大于93%的要求；復合野劑量分布膠片測量結果顯示γ通過率大于90.0%，滿足標準中大于88%的要求。因此，通過測試可以看出KylinRay-IMRT劑量分布準確性及優(yōu)化逆向優(yōu)化性能完全符合YY/T 0889—2013的要求。

4 結束語

在前期對精準放射治療關鍵技術深入研究基礎上，以發(fā)展?jié)M足臨床要求調強放療計劃系統(tǒng)為目標，設計并實現(xiàn)動態(tài)調強放射治療計劃系統(tǒng)，功能涵蓋調強放療臨床需要的功能。核心劑量計算采用自主研發(fā)的劑量計算方法；逆向優(yōu)化不僅涵蓋臨床常用的優(yōu)化技術，還提供多目標優(yōu)化方法。最后采用國家調強放療計劃系統(tǒng)標準對系統(tǒng)進行性能測試，測試結果表明計算性能滿足標準。因此，KylinRay-IMRT無論從功能上還是性能上均能滿足臨床要求。

表1 點劑量電離室測量結果Tab.1 Ionization chamber measurement results of point dose

表2 復合野劑量分布膠片測量結果Tab.2 The results of composite fi eld dose distribution

精準放射治療的根本就是要實現(xiàn)精準計劃、精準定位、精準驗證及實施。KylinRay-IMRT是KylinRay中精準計劃設計平臺。針對精準定位，發(fā)展了基于X射線影像及紅外的圖像引導腫瘤定位跟蹤系統(tǒng)KylinRay-IGRT，可以進行病人治療前的精確定位及治療過程中實時跟蹤腫瘤運動；為保證病人所受劑量與計劃劑量一致性，發(fā)展了基于病人體外測量信息快速反演重建病人體內劑量分布的劑量反演方法，并研發(fā)了劑量引導實時驗證系統(tǒng)KylinRay-DGRT。此外，正在研發(fā)自主知識產(chǎn)權的國內首套質子調強放療計劃系統(tǒng)，其它更先進的技術在繼續(xù)研究中，比如基于多模式引導的自適應放療技術、旋轉調強中的蒙卡驗證等。

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