利用獨立準直器開展調(diào)強放療算法研究

1、    利用獨立準直器開展調(diào)強放療算法研究戴建榮胡逸民 提要研究利用獨立準直器(簡稱IC)調(diào)整射野強度分布。設(shè)計了兩種遞推的辦法來計算射野片序列，采用模擬煺火算法優(yōu)化射野片的照射順序。并以在Varian 600C加速器上實施三個臨床調(diào)強射野為例，估計IC調(diào)強放療的照射時間。照射時間一般在5至10min。它近似與機器劑量率成反比，并受調(diào)強算法、矩陣元素大小以及強度分級數(shù)的影響。 關(guān)鍵詞獨立準直器算法調(diào)強放療 Intensity-Modulation Radiotherapy Using Independent Collimator:Algorithm St

2、udy Dai JianrongHu Yimin Cancer Institute (Hospital),Chinese Academy of Medical Science Peking Union Medical College ABSTRACTTo investigate algorith ms for independent colli mator (IC) to modulate beam intensity distributions.Field-setting sequences wer e determined for three clinical intensity dist

3、ributions with two forward algorit hms.The delivery order of all fields in the sequences was optimized in order to minimize the overall jaw-moving time.Suppose treatments were performed with Var ian 600C,delivery time was calculated.The delivery time was between 5min to 10mi n,It was approximately i

4、nversely proportional to machine dose rate,and also rela ted to algorithm,number of intensity levels and metrix element size. KEY WORDSIndependent collimator AlgorithmIntensity-modulation radiotherapy 適形放療(Conformal Radiotherapy、簡稱 CR)是指射線照射形成的劑量分布適合靶區(qū)形狀，從而可以在減少或不增加周圍正常組織受照劑量的同時、增加靶區(qū)劑量、達到提高治療增益比的目的。

5、從理論上講，實施CR的任何一種方法必須能夠調(diào)整射野內(nèi)的射線強度分布，故適形放療又被稱為調(diào)強放療(Intensity_modulationRadiotherapy,簡稱IMRT)。目前臨床開展調(diào)強放療的方法歸納起來有四種1：(1)射束修整器(BeamMo difier),包括擋塊、楔形板和補償器。其缺點是制做費時、擺位困難。(2)斷層治療(Tomotherapy)，以Peacock公司的NOMOS系統(tǒng)為代表2。其優(yōu)點是將工作人員從制做、搬動擋塊和補償器的體力勞動中解放出來；缺點是治療時間長，并且由于床步進運動的誤差，可能造成薄層相鄰區(qū)受到超劑量或欠劑量照射。(3)多葉準直器(Multileaf

6、Collimator，簡稱MLC)，采用分片方式(Segmental mode)3或動態(tài)方式(Dynamic mode)調(diào)強4-5。MLC具有NOMOS系統(tǒng)的優(yōu)點，并可縮短治療時間至數(shù)分鐘，故成為實施調(diào)強放療的主要方法。其缺點是MLC加工精度高，計算機控制復(fù)雜；價格昂貴(約30萬美元)；葉片間有漏射線，形成的射野半影大。(4)窄束掃描(Scanning Beam)，典型代表是Scanditronix MM50回旋加速器6。其優(yōu)點是不僅可以做X線調(diào)強，且可調(diào)整射線能量以及做電子線調(diào)強。但由于價格極其昂貴(約800萬美元)，至今全世界僅有約十家放療中心應(yīng)用。獨立準直器(Independant Co

7、llimator，簡稱IC)已成為國外醫(yī)用直線加速器準直系統(tǒng)的標準配置，國內(nèi)北京醫(yī)療器械研究所也已研制成功。IC由兩對葉片構(gòu)成，四個電機分別單獨驅(qū)動每個葉片，可形成射野中心偏移準直器軸線的矩形野。國外已利用IC各葉片獨立運動特點實現(xiàn)動態(tài)楔形板功能7，這實際是沿一個方向調(diào)整射野強度分布。我們希望利用IC調(diào)整射野內(nèi)2維的強度分布，以期建立一種新的既勞動強度輕又經(jīng)濟的調(diào)強放療實施方法，國內(nèi)外文獻尚未見類似報道。本文介紹IC調(diào)強放療的射野片序列算法，并以三個臨床調(diào)強射野為例估計所需的照射時間。 1.材料與方法 1.1計算IC射野片序列 與MLC類似，IC調(diào)強可以采用分片方式，且一組射野相繼射來實現(xiàn)所需

8、的強度分布，每個射野片用形成照射范圍的準直器葉片位置和照射強度來定義。射野內(nèi)初始的強度分布可用一個兩維矩陣ID0(m,n)表示，其中m和n分別表示矩陣沿準直器X和Y兩個方向的大小，下標0表示強度矩陣是初始矩陣。矩陣中每一個元素的強度值可用0和MaxI之間的一個整數(shù)值表示，MaxI表示最大強度級。例如，在圖1所示的強度矩陣中，mn5，MaxI10。由于每個元素的實際大小和位置不影響計算射野片序列，因此在計算射野片序列時，本文沒有直接采用準直器坐標系，而是采用矩陣坐標系，兩者之間是平移縮放關(guān)系。矩陣坐標系原點位于矩陣元素(0，0)位置，坐標軸刻度是矩陣元素編號。在計算實施照射的計算機控制文件時，每

9、個射野片的準直器葉片位置將轉(zhuǎn)換到準直器坐標系中。 圖1隨機產(chǎn)生的5×5強度矩陣，強度分級數(shù)為11。 對于任何已知的強度矩陣，可以用許多個IC射野片序列來實現(xiàn)。顯然，效率最低的辦法是每次只照射一個矩陣元素；效率稍高的一種辦法是將IC視為MLC的一對葉片，也就是將所有射野片的寬或長限定為一個元素的寬或長；效率最高的辦法應(yīng)該保證照射時間最短，因此計算射野片序列實際上是一個組合最優(yōu)化問題。因直接求解很困難，作者設(shè)計了兩種遞推的辦法。 方法1基本思路是在強度矩陣中找出最大可以照射的矩形范圍作為一個射野片，其計算過程分為三步：(1)搜索初始強度矩陣，找出最大可以照射的矩形區(qū)域作為射野片，1，照射

10、強度等于此區(qū)域內(nèi)所有元素的強度最小值。(2)將射野片1照射對ID0(m,n)的強度貢獻減去，得到強度矩陣ID1(m,n)。(3)對ID1做第一和第二步處理可求得射野片2的參數(shù)；依次類推求其它射野片直至強度矩陣為零。 方法2基本思路是在強度矩陣中找出一個矩形范圍作為一個射野以保證剩余的強度矩陣復(fù)雜度最低。強度分布的復(fù)雜程度可用它所包含的塊數(shù)來衡量。所謂"塊"是指強度大于零且相等的相鄰元素所能構(gòu)成的最大矩形范圍，一個非零元素不能同時屬于兩個或兩個以上的塊中。例如，在圖1所示的強度矩陣中，強度2、5、8、9均有兩個相鄰元素構(gòu)成塊，而其它元素均單獨成塊，故此強度矩陣總塊數(shù)為21。方

11、法2的計算過程分為四步：(1)從初始強度矩陣ID0(m,n)找出一個強度最大的元素。(2)圍繞這個元素。根據(jù)可使強度矩陣總塊數(shù)減少最多的原則確定射野片1的葉片位置和照射強度。(3)將射野片1照射對ID0(m,n)的強度貢獻減去，得到強度矩陣ID1(m,n)。(4)對ID1(m,n)做第一和第二步處理可求得射野片2的參數(shù)；依次類推求其它射野片直至強度矩陣為零。 1.2優(yōu)化IC射野片的照射順序 當射野片序列確定后，需要優(yōu)化射野片的照射順序以減少照射過程中因準直器葉片移動所需的時間。從一個射野片位置變化到下一個射野片位置時準直器四個葉片同時開始移動，但可能不會同時到達各自的指定位置，因此葉片總移動時

12、間TM等于準直器四個葉片移動所需的最長時間之和， 其中N是射野片數(shù)目；max是求最大值函數(shù)；fabs是求絕對值函數(shù)；i-1和i是兩個相鄰射野片的編號；X1i、X2i、Y1i和Y2i是形成第i個射野片的準直器四個葉片在準直器坐標系中的坐標；Vx、Vy分別是準直器X和Y方向葉片運動速度。 求TM最小值的問題類似與"旅行推銷員"問題，后者是指有一個推銷員要去N個分別位于(Xi，Yi)的城市進行推銷，并于最后返回他出發(fā)的城市，要求每個城市只能去一次，而且所經(jīng)過的路徑盡可能短，求推銷員途徑城市的順序。這類問題可以用模擬煺火算法求解8。 1.3估計IC調(diào)強放療的照射時間 盡管由于目前還

13、沒有實現(xiàn)IC調(diào)強放療的計算機控制功能，IC調(diào)強放療的照射時間不能根據(jù)實驗確定，但可以根據(jù)治療機參數(shù)來估計。射野一次放療所需時間(即治療時間)由患者擺位時間和照射時間兩部分組成。擺位時間主要取決于治療部位和是否采用了輔助擺位裝置，與具體的調(diào)強方法無關(guān)，因此可以僅根據(jù)照射時間來比較兩種IC射野片序列計算方法。對于傳統(tǒng)放序，照射時間就是出束時間；對于IC調(diào)強放療，因為采用的是分片技術(shù)，照射過程中需要多次中斷照射、調(diào)整射野位置，因此照射時間TI等于總出束時間TB與準直器葉片總移動時間TM之和， TITBTM(2) (3) 其中Ii是第i個射野片的照射強度；MUPI是單位強度對應(yīng)的機器跳數(shù)；MUR是機器

14、每分鐘照射的跳數(shù)，即機器劑量率；其它符號參見公式(1)。 劑量率和準直器葉片運動速度與加速器型號有關(guān)，同樣的強度分布在不同加速器上實施所需的照射時間會有差別，本文以Varian600C加速器為例，計算用兩種射野片序列計算方法實施三個臨床調(diào)強射野所需的照射時間。Varian600C最高劑量率是250MU/min;準直器葉片運動速度卡表測量結(jié)果是X方向120cm/min，Y方向72cm/min；請注意，這里未考慮準直器葉片運動范圍限制。射野強度分布數(shù)據(jù)來自紐約MemorialSloanKettering醫(yī)院的治療計劃系統(tǒng)。系統(tǒng)采用筆束卷積的物理模型計算劑量，采用迭代優(yōu)化法計算射野強度分布9。因為該

15、院采用MLC動態(tài)技術(shù)實施調(diào)強放療，計算時筆束Y方向大小只能取MLC葉片寬度1cm，X方向大小取0.2cm。野1和野2是鼻咽癌射野，野3是前列腺癌射野。它們的強度分布如圖1所示，在離散為強度矩陣時采用這樣一些參數(shù)；矩陣元素X方向大小分別取0.2、0.5和1.0cm，Y方向大小固定為1.0cm；最大強度級分別取5、10和20，也就是強度分級數(shù)分取6、11和21。 圖2(a)鼻咽癌射野強度分布 圖2鼻咽癌射野強度分布 圖2(c)前列腺癌射野強度分布 2結(jié)果 2.1優(yōu)化射野片照射順序的作用 經(jīng)優(yōu)化后準直器葉片總移動時間明顯下降。例如當采用方法1計算，強度矩陣元素大小為0.5cm×1.0cm，

16、強度分級數(shù)為11時，三個臨床調(diào)強射野總移動時間從優(yōu)化前的2至3min減少到優(yōu)化后的約1min，減少量接近70%(表1)。 表1優(yōu)化前后準直器葉片總移動時間 (單位：min)。 野號 1 2 3 矩陣大小 14×11 18×8 18×8 優(yōu)化前 3.01 2.12 2.56 優(yōu)化后 0.89 0.66 0.82 減少量(%) 70.43 68.87 67.97 2.2計算方法對照射時間的影響 由表可知，對于同一個強度分布，實現(xiàn)它所需的照射時間采用的計算方法有關(guān)。在組成照射時間的兩項中，出束時間的貢獻是主要的；稱動時間貢獻小，無論是采用哪種方法，其長短都在1min左右

17、。當強度分級數(shù)為11和21時，方法1的出束時間和照射時間比方法2的短；其差別變化范圍較大，最小時不到4min，最大超過20min。當強度分級數(shù)為6時，方法1的出束時間和照射時間在絕大多數(shù)情況比方法2的短；在少數(shù)情況比方法2的長，兩者差別變化范圍大約在36min。 表2IC調(diào)強放療的照射時間(單位：min)。機器劑量率是250MU/min；準直器葉運動速度是x方向120cm/min，Y方向72cm/min；最大強度級對應(yīng)機器跳數(shù)300。 強度分級數(shù) 野號 1 2 3 矩陣元素(cm2) 0.2×1. 0.5×1. 1.×1. 0.2×1. 0.5×

18、;1. 1.×1. 0.2×1. 0.5×1. 1.×1. 矩陣大小 35×11 14×11 7×11 45×8 18×8 9×8 45×8 18×8 9×8 6 出束時間 方法1 12.72 7.68 6.00 9.36 6.48 5.04 11.28 7.68 6.00 方法2 19.20 10.56 10.08 9.36 8.88 7.92 8.88 7.68 8.40 移動時間 方法1 0.86 0.59 0.49 0.58 0.49 0.43 0.84 0

19、.71 0.57 方法2 0.73 0.59 0.51 0.57 0.56 0.49 0.63 0.61 0.56 照射時間 方法1 13.58 8.27 6.49 9.94 6.97 5.47 12.12 8.38 6.57 方法2 19.93 11.15 10.59 9.93 9.44 8.41 9.51 8.29 8.96 11 出束時間 方法1 11.04 7.56 5.76 7.56 5.40 4.44 8.64 6.36 4.44 方法2 21.96 12.48 11.55 15.60 12.36 9.72 15.12 10.44 8.28 移動時間 方法1 0.99 0.89 0

20、.69 0.81 0.66 0.49 1.01 0.82 0.69 方法2 0.96 0.68 0.63 0.88 0.80 0.57 1.09 0.77 0.58 照射時間 方法1 12.03 8.45 6.45 8.37 6.06 4.93 9.65 7.18 5.13 方法2 22.92 13.16 11.55 16.48 13.16 10.29 16.21 11.21 8.86 21 出束時間 方法1 10.26 7.50 6.00 6.30 4.86 4.38 7.38 6.42 4.32 方法2 34.62 20.40 11.52 16.08 11.64 9.00 18.90 14

21、.94 11.94 移動時間 方法1 1.35 1.03 0.88 1.22 0.88 0.80 1.39 1.09 0.81 方法2 1.19 0.93 0.63 1.32 0.97 0.61 1.54 1.08 0.73 照射時間 方法1 11.61 8.53 6.88 7.52 5.74 5.18 8.77 7.51 5.13 方法2 35.81 21.33 12.15 17.39 12.51 9.61 20.44 16.02 12.67 2.3矩陣元素大小對照射時間的影響 在保持強度分級數(shù)不變的前提下，將一個強度分布離散矩陣時，如果矩陣元素取得越大，即矩陣越小，則無論是采用哪一種計算方

22、法，出束時間和葉片移動時間均會減少，因而照射時間減少，但減少的速度逐漸減慢。以采用方法1計算野1強度分級數(shù)為11的情況為例，當矩陣元素大小從0.2mm×1.0mm增至0.5cm×1.0cm時，照射時間減少3.48min;從0.5cm×1.0cm增至1.0cm×1.0cm時，照射時間僅減少1.80min(表2)。 2.4強度分級數(shù)對照射時間的影響 當采用方法1計算同一個強度矩陣時，隨強度分級數(shù)的增加，出束時間和照射時間在大多數(shù)情況是下降，在少數(shù)情況是稍有增加；葉片移動時間在所有情況是緩慢增加。當采用方法2計算同一個強度矩陣時，隨強度分級數(shù)的增加，出束時間和

23、照射時間在大多數(shù)情況是明顯增加，在少數(shù)情況是稍有減少或不變；葉片移動時間在所有情況是緩慢增加(表2)。 3討論 利用IC調(diào)強的方法在臨床上是否可行，關(guān)鍵在于治療時間，也就是照射時間不能太長。照射時間一般應(yīng)控制在5min內(nèi)，最長不應(yīng)超過10min。借鑒斷層治療和MLC分片方式開展調(diào)強放療的經(jīng)驗，IC調(diào)強放療時矩陣元素大小取值范圍宜為0.5cm×0.5cm至1.0cm×1.0cm，強度分級數(shù)宜取11，由表2知相應(yīng)的照射時間一般在510min范圍，尚未達到一般應(yīng)控制在5min內(nèi)這一要求。從上述結(jié)果分析，在影響照射時間的各種因素中，最重要的是機器劑量率，然后依次是所采用的射野片序列

24、計算方法、矩陣元素大小、強度分級數(shù)和準直器葉片運動速度。照射時間近似與機器劑量率成反比，因此如果治療在高劑量率的新型加速器上進行，照射時間將減少。當強度分級數(shù)取11時，方法1優(yōu)于方法2，但是方法1不一定最優(yōu)，因此進一步改進算法也是減少照射時間的一條途徑。矩陣元素大小、強度分級數(shù)在臨床允許的變化范圍內(nèi)對照射時間的影響很小。由于準直器葉片運動速度只影響葉片移動時間，而后者對照時間的貢獻僅在1min左右，因此加快葉片運動速度對減少照射時間無實際意義。 與現(xiàn)有四種方法比較，IC調(diào)強具有的優(yōu)點包括：(1)所需投入資金很少，有助于在經(jīng)濟欠發(fā)達的國家和地區(qū)推廣調(diào)強放療；(2)與射野修整器比較，可減輕工作人員

25、的體力勞動；(3)與MLC比較，技術(shù)簡單可靠，可節(jié)省系統(tǒng)的維護費用。MLC相鄰葉片間結(jié)合緊密，一顆塵埃都有可能引起摩擦，導(dǎo)致葉片不能到位的故障；而IC各葉片均單獨分布，無相鄰結(jié)合問題；(4)矩陣元素在X和Y兩個方向的大小連續(xù)可調(diào)，而MLC葉片寬度固定，斷層治療矩陣元素大小固定；MLC葉片在等中心平面的投影寬度一般為1cm，斷層治療可選擇為1.0cm×0.84cm或1.0cm×1.68cm10。根據(jù)立體定向放療的經(jīng)驗，在治療形狀不規(guī)則的靶區(qū)時有可能需要更窄的寬度。(5)與MLC比較，具有劑量學(xué)優(yōu)點，沒有"tongueand groove"問題，沒有因MLC

26、葉片圓弧形末端引起的半影加寬問題11，12。 4結(jié)論 本文提出了利用IC開展調(diào)強放療的設(shè)想，介紹了兩種計算射野片序列的方法。在符合臨床要求的矩陣元素大小和強度分級數(shù)取值范圍內(nèi)，IC調(diào)強放療的照射時間一般在510min。進一步縮短照射時間最有效的方法是提高機器劑量率，其次是改進射野片序列算法。與現(xiàn)有方法比較，IC調(diào)強方法具有投資省、技術(shù)簡單等優(yōu)點，但在它投入到臨床之前尚需解決計算機控制問題。 承蒙紐約Memorial Sloan Kettering醫(yī)院徐椿壽教授提供射野強度分布數(shù)據(jù)，在課題進行中多次提出富有啟發(fā)性的建議。 本課題已申請發(fā)明專利，專利申請?zhí)?7116545.9 作者單位：戴建榮中國

27、醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院(100021) 胡逸民協(xié)和醫(yī)科大學(xué) 參考文獻 1 胡逸民等.適形放射治療一腫瘤放射治療技術(shù)的進展.中華放射腫瘤學(xué)雜志.1997，(6)：8-11 2 Mackie TR,et al.Tomotherapy:a new concept for the d elivery of dynamic conformal radiotherapy.Med Phys 20:1709-1719,1993 3 Bortfeld TR,et al.X-ray field compensation with muotileaf vollimations .Int J Radiat Oncol B

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