调强放射治疗计划优化

1、调强放射治疗计划优化-优化函数及约束条件的讨论2016/8/28于中山大学调强放射治疗（IMRT）是在预先确定了月中瘤靶区与危及器官的处方剂量之 后进行的逆向调强射束强度分布的优化，即通过优化目标函数及相应约束条件的 建立之后利用优化算法进行射野参数的优化，以期达到靶区剂量接近处方剂量， 危及器官剂量不超过处方剂量的要求。在优化目标上主要分为以下三点：(1)在满足危及器官不超过处方剂量的基础上要求靶区剂量达到处方剂 量。(2)牺牲靶区剂量以满足危及器官剂量分布低于处方剂量。(3)综合考虑靶区与危及器官的剂量分布。往往在实际研究中采用第三种方法实现调强放射治疗。IMRT计划分为以下两个步骤：(1

2、)利用适当的剂量计算模型进行射野内的剂量计算，得出每个射束内单个 子野对每个体素的剂量贡献。(2)选择合适的目标函数及约束条件进行优化。这里考虑到处方剂量条件。 最优化的是每个射束内每个子野的强度分布。目标函数一优化软、硬约束目标函数作为优化过程中的中心，它的存在是整个优化目标的体现。优化结果的好坏也与优化目标函数的选取有着千丝万缕的关系。因此，目标函数的建立对调强放射治疗逆向优化至关重要。 在放射治疗的优化中，目标函数的选取往往 分为两种：(1)基于物理的目标函数(2)基于生物效应的目标函数。物理目标 函数就是通过直接的剂量限制来达到满足月中瘤靶区和危及器官、正常组织之间处方剂量的要求。生物

3、目标函数是通过限制肿瘤治疗效果，如无并发症的月中瘤控制 率。但是这种目标函数往往不能直接体现出剂量的优化方面，现有的商业治疗计 划系统大多采用基于物理的目标函数，采用剂量-体积的模型进行物理优化优化模型的建立:实际优化过程遇到的问题有：在优化结果发现计划靶区的边缘部分出现了不期望的高剂量区。即除了月中瘤靶区具有较高剂量外，月中瘤边缘的正常组织或者器 官同样具有较高剂量。对于这种情况，我们采用对靶区进行外扩，即在肿瘤靶区 外扩一个缓冲区一一辅助器官，将其纳入优化范围之内，综合考虑进行优化。从而可以限制其剂量大小图1辅助器官优化目标函数的确定:1基于剂量的优化软约束设定处方剂量：以，Dj D；ax

4、,D鬻。这里没有考虑剂量-体积的约束，优化结果只有一个。优化函数常用为:= fiTfjOAR这里fiT表示第i个靶区待优化函数fjOAR表示第j个危及器官待优化函数。其中:ntWL0 一 DT)2,Nt nj一 T1 Nt一fi = K, WUDn DT)2Nt n0其中，当Dn D；时，WU取0.3,当Dn D；时，M 取0.7。其他情况时，fj取为0。这里，WL, WL分别为剂量冷点和热点的惩罚因子，将冷点惩罚因子取得大于热点惩罚因子是因为对于月中瘤剂量分布不希望出现较多的剂量冷点以至 于无法杀死肿瘤细胞。为提高治愈率，将对肿瘤剂量冷点进行较大的处罚Noar对于危及器官，fjOAR = /

5、 H(Dm-DOAR)(Dm-DOAR)2,其中，H(4-DOAR)NOAR m-1为阶跃函数:H(Dm - DOAR)=1,当Dm三D0A加 当Dm 一 DOA附这里是对目标函数直接进行了优化约束,2基于剂量的优化硬约束剂量优化硬约束是指强制约束所优化体素点剂量值不超过某一限定剂量。若在优化射野内存在多个危及器官，在求出了第j条笔射束对第i个体素的剂量贡献 Dj，这样，对于每个体素的剂量便为:nD = DjXjj 1这样，若规定了 D DOAR则可选取Dj中i取1,2,3时的最大值，这样只需要确定max OARD Dmax 3基于剂量-体积的约束问题 对于靶区，齐I量-体积约束可以描述为具有 Vmin%的体积所吸收的剂量超过 DTmin,Vmzx%体 积吸收的剂量不超过Dlax。对于需要保护的正常组织或者器官，剂量 -体积约束 描述为最多有Vmzx%体积吸收的剂量超过D祟。对于剂量约束，这里需要把违反约束的点代入目标函数，对于剂量-体积约束， 在处理器官优