治疗计划设计的物理原理和生物学基础

治疗计划设计的物理原理和生物学基础第1页，共69页，2023年，2月20日，星期一理想剂量学曲线第2页，共69页，2023年，2月20日，星期一治疗计划设计的

物理原理

和生物学基础第3页，共69页，2023年，2月20日，星期一治疗增益比=（某种治疗技术）肿瘤控制率：周围正常组织损伤率治疗比=正常组织耐受剂量

：肿瘤致死剂量照射野内肠管的耐受剂量为5000cGy，精原细胞瘤的致死剂量为2500cGy，治疗比为2>1（有可能治愈）；照射野内肠管的耐受剂量为5000cGy，畸胎瘤的致死剂量为10000cGy，治疗比为0.5<1

（治愈可能性较小）；第4页，共69页，2023年，2月20日，星期一临床要求治疗比>1治疗比<1第5页，共69页，2023年，2月20日，星期一剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明如何提高增益比？放射源照射技术射野设计时间剂量因子第6页，共69页，2023年，2月20日，星期一①第7页，共69页，2023年，2月20日，星期一②③第8页，共69页，2023年，2月20日，星期一TD5/5TD50/5第9页，共69页，2023年，2月20日，星期一正常组织耐受量分为两种最小损伤剂量：在所有用标准治疗条件的肿瘤患者中，治疗后5年，因放射治疗造成严重放射损伤的患者不超过5%

最大损伤剂量：在所有用标准治疗条件的肿瘤患者中，治疗后5年，因放射治疗造成严重放射损伤的患者不超过50%第10页，共69页，2023年，2月20日，星期一理想情况下：最佳剂量<TD5/5不利情况下：最佳剂量<TD50/5第11页，共69页，2023年，2月20日，星期一外照射靶区剂量分布的规定肿瘤区(grosstargetvolume,GTV):肿瘤的临床灶；临床靶区(clinicaltargetvolume,CTV):临床灶、亚临床灶以及肿瘤可能浸润的范围；计划靶区(planningtargetvolume,PTV):CTV、照射中患者器官运动、和由于日常摆位、治疗中靶位置和靶体积变化等因素引起的扩大照射的组织范围。内靶区(internaltargetvolume,ITV):呼吸或器官运动引起的CTV外边界运动的范围；第12页，共69页，2023年，2月20日，星期一外照射靶区剂量分布的规定治疗区(treatmentvolume,TV):90%等剂量线面所包括的范围；照射区(irradiationvolume,IV):50%等剂量线面所包括的范围；冷剂量区(coldvolume):

在ITV内剂量低于CTV处方剂量的下限（-5%）的范围；热剂量区(hotvolume):

组织接受的剂量高于CTV处方剂量的上限（+5%）的范围；靶区最大剂量：PTV内最高剂量（面积≥2cm）；靶区最小剂量：PTV内最低剂量（>治疗区的剂量）；第13页，共69页，2023年，2月20日，星期一危及器官及其剂量危及器官(organatrisk,OAR):指可能卷入照射野内的重要组织或器官（耐受剂量TD5/5、TD50/5

）计划危及器官(planningorganatriskvolume,PORV):指OAR本身和由于器官运动、治疗摆位误差的影响，其扩大后的范围

危及体积(riskvolume,RV):危及器官OAR卷入射野内并受到一定剂量水平照射的范围。第14页，共69页，2023年，2月20日，星期一V第15页，共69页，2023年，2月20日，星期一靶区平均剂量：PTV内均匀分割的剂量矩阵内的剂量的平均值

Dij为第ij个矩阵格点内的剂量；N为靶区内均匀分割的剂量矩阵格点数靶区中位剂量:PTV内最大剂量和最小剂量的平均值剂量；靶区模剂量:PTV内频率出现最多的剂量；剂量热点:ITV外大于规定的靶剂量的热剂量区的范围（剂量热点的面积≥2cm）外照射靶区剂量分布的规定第16页，共69页，2023年，2月20日，星期一靶区剂量归一的规定点

治疗计划系统中，靶区及正常组织中的剂量分布均表示成以靶区内某一点剂量归一的相对剂量分布的形式，该点称为靶区剂量归一的规定点。ICRU报告中对此作了规定（七原则）第17页，共69页，2023年，2月20日，星期一ICRU报告对靶剂量规定点的说明规定1：靶剂量应针对具体的解剖部位、照射技术及其剂量分布；对一个以上的计划靶区，应该有相应的靶剂量。一旦靶剂量规定点确定以后，不应随疗程中照射野及其安排的改变而改变。规定2：对只有一个计划靶区或多计划靶区的第一个计划靶区（通常是肿瘤区），靶剂量规定点选在计划靶区中心或中心附近。对多计划靶区的第2，第3个计划靶区，靶剂量规定点应是解剖部位和剂量分布的代表点，并应注明这些点的位置。第18页，共69页，2023年，2月20日，星期一规定3：靶剂量以及其他剂量规定点不能选在剂量变化梯度大的地方，即剂量规定点应至少离开射野边缘2cm规定4：对固定野（包括等中心和固定源皮距）照射，按下述方法选取靶剂量规定点：①单野照射时，靶剂量规定点应选在照射野中心轴上计划靶区中心处；②等剂量比的两个对穿野照射时，靶剂量规定点应选在两照射野中心轴的中点；剂量比不等时，靶剂量规定点应选在两照射野中心轴上计划靶区中心；③两野或三野以上交角照射时，靶剂量规定点应选在照射野中心轴的交点处ICRU报告对靶剂量规定点的说明第19页，共69页，2023年，2月20日，星期一ICRU报告对靶剂量规定点的说明规定5：X线旋转治疗时，靶剂量规定点应选在旋转主平面的旋转中心处；当旋转角小于270°时，靶剂量规定点也可选在计划靶区中心处。旋转中心的安排应使得计划靶区中心的剂量接近于最大剂量。规定6：高能电子束单野照射当线束垂直入射时，靶剂量规定点应选在射野中心轴上最大剂量点处；当线束斜入射或使用不规则射野时，若用计算机计算剂量分布，靶剂量规定点选在射野中心轴上计划靶区中心处；若用查表计算时，靶剂量规定点应选在假设射野垂直入射时，射野中心轴上最大剂量点处；第20页，共69页，2023年，2月20日，星期一ICRU报告对靶剂量规定点的说明规定7：如果靶区剂量分布的剂量归一点（100%）与上述靶剂量规定点一致时，100%等剂量线就代表靶剂量；如果不一致时，用相应的等剂量线计算靶剂量。第21页，共69页，2023年，2月20日，星期一剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明如何提高增益比？★放射源照射技术射野设计时间剂量因子第22页，共69页，2023年，2月20日，星期一放射源的合理选择单野照射，肿瘤区域剂量分布不均匀对较深部的肿瘤，应选择较高的射线能量X射线高能X射线剂量分布特性与理想曲线比较第23页，共69页，2023年，2月20日，星期一放射源的合理选择对一般20cm体厚的患者，10~25MVX射线比较理想体厚特别大（≧30cm）时，选用32MVX射线X射线第24页，共69页，2023年，2月20日，星期一放射源的合理选择常用相对野结合治疗中位或偏位病变X射线相对野照射，前后距离25cm的中位病变32MVX射线骨吸收重第25页，共69页，2023年，2月20日，星期一X射线剂量特性与理想剂量曲线比较高能电子束剂量特性与理想剂量曲线比较高能电子束只适用于治疗表浅、偏心部位的肿瘤，且以单野照射较好放射源的合理选择第26页，共69页，2023年，2月20日，星期一电子束和X射线混合束治疗不同深度的肿瘤放射源的合理选择A—8MVX射线B—合成剂量分布（1:1）C—20MeV电子束剂量比变化？第27页，共69页，2023年，2月20日，星期一高传能线密度（LET）射线：快中子、π负介子和其他重离子等放射源的合理选择比较理想第28页，共69页，2023年，2月20日，星期一剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明如何提高增益比？放射源照射技术（体外）：SSD、SAD、ROT射野设计时间剂量因子第29页，共69页，2023年，2月20日，星期一体外照射技术固定源皮距（SSD）技术固定放射源到皮肤的距离在标称源皮距下，将治疗机的等中心放在患者皮肤上（A点），而靶区中心T放在放射源S和皮肤入射点A两点连线的延长线上技术要点机架转角、患者体位要准确第30页，共69页，2023年，2月20日，星期一体外照射技术技术要点升床要准确旋转（ROT）技术以靶区中心T为旋转中心，用机架的旋转运动代替SAD的机架定角照射等中心定角（SAD）技术将治疗机的等中心置于靶区中心T上第31页，共69页，2023年，2月20日，星期一剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明如何提高增益比？放射源照射技术射野设计——X(γ)射线射野时间剂量因子第32页，共69页，2023年，2月20日，星期一X（γ）射线射野设计原理单野照射X射线剂量特性与理想剂量曲线比较靶区范围很小（如颈、锁淋巴结）时适用除此之外，临床上不主张用单野照射第33页，共69页，2023年，2月20日，星期一X（γ）射线射野设计原理共面射野1.两野交角照射偏体位一侧病变（如上颌窦癌）楔形滤过板α=90°-θ/2内野第34页，共69页，2023年，2月20日，星期一适当增减楔形角的大小，可分别在射野远、近端得到偏高的剂量30°楔形板60°楔形板第35页，共69页，2023年，2月20日，星期一X（γ）射线射野设计原理当靶区所在部位有组织缺损，必须加楔形板共面射野2.两野对穿照射（两射野中心轴的交角θ=180°）中位病变第36页，共69页，2023年，2月20日，星期一3.共面四野照射——两对对穿野正交治疗增益比≈两野对穿技术的两倍第37页，共69页，2023年，2月20日，星期一X（γ）射线射野设计原理共面射野4.三野照射靶区位于体位中心而不能使用两野交角照射两野对穿照射因不能得到较高的射线剂量靶区附近有重要器官而不能用四野照射技术腹部肿瘤如胰腺、腹膜后等病变用的最多第38页，共69页，2023年，2月20日，星期一三野技术中射野方向的设置在病变（靶区）和重要器官之间设立“安全线”（如A—A’）过靶区中心作“安全线”的平行线B—B’（对穿野的方向）过靶区中心作B—B’的垂直线OC，确定第三野的入射方向确定对穿野应使用的楔形板的楔形角、三野的剂量配比第39页，共69页，2023年，2月20日，星期一X（γ）射线射野设计原理共面射野5.

三野交角照射：如食管肿瘤第40页，共69页，2023年，2月20日，星期一X（γ）射线射野设计原理共面射野6.旋转照射单野通过靶区中心绕患者旋转一定范围皮肤剂量小，靶区剂量高，靶区外剂量下降快第41页，共69页，2023年，2月20日，星期一相邻野设计射野相邻，会导致射野相接后超剂量或欠剂量射野交接处得到均匀剂量分布的方法：两相邻射野彼此向外倾斜两相邻射野在皮肤隔开半野挡块Or独立准直器特殊楔形挡块第42页，共69页，2023年，2月20日，星期一不对称射野不对称射野：射野中心轴偏离线束中心轴的射野如：靶区中段每次给200cGy靶区上、下段每次给300cGy第43页，共69页，2023年，2月20日，星期一剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明如何提高增益比？放射源照射技术射野设计时间剂量因子：分次数、次间隔、分次剂量、总疗程时间第44页，共69页，2023年，2月20日，星期一细胞存活理论线性标尺的细胞存活曲线细胞存活分数在一定剂量范围内呈现指数杀灭特征第45页，共69页，2023年，2月20日，星期一基本概念早（急性）反应组织：照射后损伤出现早或增殖快的组织如皮肤、黏膜、骨髓、精原细胞等大部分肿瘤组织属于早反应组织晚反应组织：损伤在照射开始后很长时间才表达或增殖慢的组织如肺、肾、脊髓、脑等第46页，共69页，2023年，2月20日，星期一线性二次(L-Q)模型线性二次模型（linearquadraticmodel,简称L-Q模型），对放射治疗的分割、特别是精确放疗中“减时增量”提供了计算依据。注意：该方法不能完全替代临床的经验和判断。第47页，共69页，2023年，2月20日，星期一线性二次(L-Q)模型

线性二次模型：如果一个DNA分子的两个链或一个染色体的两个臂同时受损时，细胞才被杀灭。可以是单个电离粒子作用的结果也可以是两个不同电离粒子协同作用的结果单个电离粒子作用事件的概率正比于照射剂量：S：细胞照射后的存活分数；

α：单位剂量的单个粒子使细胞直接灭杀的平均概率，代表不可修复的放射损伤；

D：单次照射的剂量第48页，共69页，2023年，2月20日，星期一两个电离粒子的协同作用致成的放射损伤的平均概率正比于受照剂量的平方：β为单位剂量平方的两个粒子使细胞杀灭的平均概率线性二次(L-Q)模型两个可能事件的总效果称为L-Q模型一次剂量D照射后的存活率：第49页，共69页，2023年，2月20日，星期一线性二次(L-Q)模型α损伤——不可修复的损伤β损伤——可修复的损伤当两类损伤的效应相等时，即：称为L-Q模型参数，代表了细胞存活曲线的曲度，以及细胞对亚致死损伤的修复能力。α/β比值代表组织损伤的特征剂量:第50页，共69页，2023年，2月20日，星期一交点剂量：为了控制肿瘤，剂量必须大于交点剂量。高于D交，晚反应组织的损伤>肿瘤组织解决办法：分次照射；立体定向治疗或调强治疗或质子重离子治疗第51页，共69页，2023年，2月20日，星期一解决途径——分次照射分次剂量越小，对晚反应组织保护越大常规分次照射的分次剂量应低于两种曲线的交点剂量最佳分次剂量一般约为交点剂量的50%D交=2~5Gy，D最佳=1~2.5Gy×第52页，共69页，2023年，2月20日，星期一解决途径——立体定向治疗或调强适形治疗几何保护因子交点剂量立体定向治疗：f≈0.71，D交≈50Gy，最佳剂量≈

25Gy第53页，共69页，2023年，2月20日，星期一解决途径——质子放射治疗

质子极高的速度进入人体，在体内与正常组织或细胞发生作用的机会极低，当到达癌细胞的特定部位时，速度突然降低并停止，释放最大能量，产生Bragg峰（博拉格峰），将癌细胞杀死，同时有效地保护正常组织。由于质子治疗具有穿透性能强、剂量分布好、局部剂量高、旁散射少、半影小等特征，尤其对于治疗有重要组织器官包绕的肿瘤，显示出较大的优越性。适应症比较广泛，均有较好的疗效。国外临床治疗数据表明，质子治疗肿瘤有效率达到95%以上，五年存活率高达80%，被高能物理界和医学界评估为疗效最好、副作用最少的治疗方法。

第54页，共69页，2023年，2月20日，星期一解决途径——质子放射治疗山东淄博万杰医院博拉格质子治疗中心世界第四、国内第一（唯一）第55页，共69页，2023年，2月20日，星期一解决途径——质子放射治疗山东淄博万杰医院博拉格质子治疗中心第56页，共69页，2023年，2月20日，星期一小结剂量分次方式的影响因素“4R”（修复、细胞的增殖、细胞周期的再分布、肿瘤内乏氧细胞的再氧合）因素在早反应正常组织、肿瘤组织、晚反应正常组织中的相互作用射线种类照射技术（外照射、内照射、内外照射结合）第57页，共69页，2023年，2月20日，星期一时间剂量因子实用型数学模型TDF（时间剂量因子）模型L-Q线性二次模型第58页，共69页，2023年，2月20日，星期一TDF模型NSD为正常组织的总耐受剂量；

T/N为次间平均间隔时间（d）；d为分次剂量（cGy）；

N为达到总耐受剂量时应给的分次数体外照射时：第59页，共69页，2023年，2月20日，星期一TDF模型短寿命同位素临时插植治疗时：λ为同位素的衰变常数；r0为插植时初始剂量率（cGy/h）短寿命同位素永久性插植治疗时（T→∞）：长寿命同位素低剂量率连续照射时：T为插植时间（h）；r为剂量率（cGy/h）第60页，共69页，2023年，2月20日，星期一TDF模型体外照射和近距离照射结合时：对疗程间或内、外照射间的间断休息，需要用衰减因子修正：T为某一疗程的时间；G为该疗程结束后，下一疗程开始时的间隔

上述的TDF方程均为常量等式，不能反映组织本身的特征第61页，共69页，2023年，2月20日，星期一L-Q线性二次模型生物等效剂量（BiologicallyEffectiveDose，BED）其中：第62页，共69页，2023年，2月20日，星期一L-Q线性二次模型近距离低剂量率连续照射时：