基于等效均匀剂量的调强放疗逆向计划一体优化方法研究

Intensity modulated radiotherapy (IMRT) is a hot issue in the research field of radiotherapy. It is difficult to meet the optimum dose distribution as well as increase patient survival benefit for the existing traditional physics dose IMRT. This project will define a new concept of equivalent uniform dose (EUD) which associated with the dose volume curve, and will research model from the traditional physical dose goal to the biomedical goal. Furthermore, we will consider the hardware constraints which associated with ray modulation and establish the integrated model based on EUD finally. Thus, the model considers both the biomedical properties of different tissues and the expression of traditional physical dose, and adds the irradiation angle and irradiation field characteristics into optimization framework. This model will reach the global optimal solution of the inverse plan by using the heuristic method finally, which could inhibit complication probability and kill cancer cells as much as possible at the same time, as well as improve the survival benefit. The research conclusion will enrich the theory and technology of precise radiotherapy, and has a wide application prospect in the treatment of malignant tumor. Integrated optimization theory is put forward from traditional divide and rule optimization in this research, and could be applied to other complicated large-scale multi-objectives multi-constraints optimization problem to provide the reference for solving other optimization problems.

调强放疗技术是放疗研究领域的热点问题。现有的基于传统物理剂量的调强放疗逆向计划难以在满足剂量最优分布的同时提高病人的生存获益。本项目将定义一种新的与剂量体积曲线有紧密联系的等效均匀剂量概念，实现物理剂量模型到以生物医学需求为目标的模型转变，通过进一步综合考虑与射线调制硬件相关的约束，最终建立基于等效均匀剂量的逆向计划一体化模型。模型既考虑了不同组织的生物医学特性，又兼顾了传统物理剂量表达，并且将照射角度和子野特性等一并纳入优化框架中，采用启发式方法获取逆向计划的全局最优解，能在尽可能杀灭癌症细胞的同时抑制并发症发生的概率，提高生存获益。课题的研究结论将丰富精确放疗领域的关键理论与技术，在恶性肿瘤的治疗上有较大的应用前景。课题破除传统分而治之优化思路而提出的一体优化理论，还可以为解决其它复杂的大规模多目标多约束的优化问题提供借鉴。

项目背景：针对目前调强放疗中基于物理剂量的三维剂量雕琢提高了肿瘤局部控制但并非都能转化为生存获益的问题，研究和建立一种基于等效均匀剂量的调强放疗逆向计划一体优化新模型,为恶性肿瘤的精确放疗提供可靠的技术手段和理论依据，同时为其他类似的大规模多目标多约束优化问题提供新的解决思路。.主要研究内容：基于等效均匀剂量的生物医学模型研究；调强放疗逆向计划子系统一体化建模研究；子系统一体规划模型优化求解方法研究。.重要结果及关键数据：1、为将生物医学目标与放射剂量建立更为合理的联系，我们引入一种新的等效均匀剂量的概念，并称之为等效生物剂量。它与传统等效均匀剂量的最大不同在于刻画器官的功能活性概率，而不是细胞群的存活概率。2、针对传统逆向计划系统存在的问题，提出了一种基于二次规划模型抑制总出束时间的动态调强放疗优化方法，该方法具有最优解唯一；无凸凹槽欠剂量；总出束时间约束下的最优剂量分布等一系列优点。3、针对直接子野逆向计划求解收敛慢，两段式逆向计划难以兼顾到硬件需求的问题，提出了一系列的基于多叶准直器的硬件约束数学表达。并且，建立了一种新的带有临床需求和硬件约束的调强放疗一体化逆向计划模型。4、针对启发式算法结果不唯一、可能存在更优解，确定型算法所适用的数学模型非常有限等问题，提出了一种基于生物医学等效均匀剂量约束的调强放疗逆向优化方法，该算法在全局寻优时采用启发式算法，而局部寻优则针对凸规划模型进行确定性求解。5、针对广泛将两步优化直接整合为单步优化的一体优化思路，提出了一种兼顾两段式优化和直接子野优化优点的整合优化策略，即采用带有反馈信息的两步法整合优化策略来控制总机器跳数和总子野个数这两个重要指标。 .科学意义：建立的基于等效均匀剂量的调强放疗逆向计划一体优化方法，有望实现放疗建模从传统物理剂量模型向生物医学模型的转变，进一步推动更加深入的生物医学适形调强放疗的理论研究。