论文部分内容阅读
重离子束(heavy ion beam)相比于放射治疗常用射线(光子)主要有两方面优势:在物理学上重离子具有倒转的深度剂量分布,即Bragg曲线,可以通过对束流能量的调节实现对肿瘤靶区高剂量的精确辐照,并且重离子束在穿越人体组织时能量损失小使入射通道上的正常组织受到较少的剂量;在生物学上重离子束在Bragg峰区具有高的传能线密度(linear energy transfer,LET)因而具有高的相对生物学效应(relative biological effectiveness,RBE),而在坪区的LET较低,其生物学效应与常规放疗中的X射线相似,可以保证对肿瘤靶区具有高剂量辐照的同时实现对附近正常组织和危及器官(organ at risk,OAR)的有效保护。因此基于以上两方面优势,重离子束被誉为二十一世纪的最佳放疗用射线。在传统的光子放疗中,基于逆向计划(inverse planning)的调强放疗(Intensity Modulated Radiation Therapy,IMRT)逐渐发展成为一种成熟的治疗技术而被广泛应用于各大放射治疗中心。IMRT通过调节入射束流的强度对靶区进行非均匀照射,不同入射方向的束流叠加最终得到理想的剂量分布,相比于正向计划而言,对肿瘤靶区的辐照强度与对正常组织或危机器官的保护效果都得到了极大的提高。并且随着技术的发展与日益完善,不断有新的调强技术被提出,其中Shepard教授提出的基于模拟退火原理的直接射野孔径优化(direct aperture optimization,DAO)算法可以实现对照射野(beam’s eye view,BEV)方向上多叶光栅(Multileaf Collimator,MLC)叶片位置与孔径权重的同时优化,在优化子野时不再需要预先计算出强度通量图(intensity map),达到通过较少子野数量即可实现高度适形的照射效果。但是在重离子治疗中,真正意义上的调强技术仍未实现,因此为了将常规放疗中的DAO-IMRT技术应用到重离子治疗中来,本论文基于被动式束流配送系统开展了一系列针对改进DAO模型的模拟研究,发展基于DAO原理的重离子放射治疗技术。考虑到光子与重离子束流模型的区别,本论文工作在每个BEV方向上提出纵向分层的概念,并考虑重离子治疗的横向散射因素建立高斯形束流模型,对不同的靶区模型进行模拟优化得到一系列较为理想的优化结果。结果显示重离子治疗中基于DAO原理的剂量优化可以实现使用少量子野达到较高的剂量适形效果,直接得到每个子野的MLC叶片位置与相应的权重。对于标准的凹形靶体(TG119测试模型的简化模型),本论文工作模拟了多个BEV方向束流的叠加照射,结果显示在基于被动式束流配送系统重离子治疗下可以初步实现调强放疗技术。在对展宽布拉格峰(spread-out Bragg peak,SOBP)纵向展宽的研究中,考虑到放射生物学模型中RBE随深度的变化对肿瘤靶区生物有效剂量的影响,在被动式束流配送系统下采用基于不同展宽的微型脊型过滤器(mini ridge filter,mini-RF)的双微小展宽峰(mini-SOBP)组合照射方法针对重离子的分层照射治疗方式进行优化。理论计算显示对于不同初始能量的12C离子束,利用较大和较小两种半高宽(full width at half maximum,FWHM)的mini-SOBP组合叠加,得到了按生物有效剂量和物理吸收剂量均匀两种方式展宽的SOBP,实现了在减少照射分层数缩短治疗时间的同时,减小SOBP远端剂量跌落距离(distal dose fall-off distance,通常为SOBP远端剂量80%-20%之间的纵向距离),使肿瘤靶区后方正常组织或危及器官得到最大程度的保护。