调强放射治疗中的射野方向和强度优化技术研究

调强放射治疗计划的设计通常被分成三步，即选择射野方向，计算每个射野的强度分布以及射野强度分布的实现。以上的每一个步骤都对应一个优化问题，实际上这三个问题是相互关联的，前一个问题的输出是后面一个问题的输入。理想的是同时优化这三个问题，但由于庞大的求解空间，目前的技术还无法实现。本项目提出结合射野方向优化和射野强度优化问题，建立射野方向和强度的优化流程，研究射野个数对治疗计划质量的影响，在保证治疗计划质量的前提下，用尽可能少的数目的射野去实现治疗。本项目采用多目标优化技术对射野强度进行优化，拟研究和开发求代表性Pareto解集的多目标优化算法，进而给决策者提供一套代表性的治疗计划进行选择。

本项目主要研究了应用多目标优化技术来同时优化射野方向和射野强度。课题首先为射野强度优化问题建立了多目标模型，并提出了3种基于目标函数空间的多目标优化问题求解算法。与文献中已有的多目标优化算法相比，我们提出的算法在计算时间方面有明显的计算优势。其次对眼部肿瘤、前列腺和胰腺肿瘤的病例，我们研究了射野个数对治疗计划质量的影响。研究发现当射野数目超过一定数量时，治疗计划质量改进很小而放射治疗的时间却增加的很多，由此可为放射治疗找到最佳的射野个数。在以上研究的基础上，课题建立了同时优化射野个数、方向和强度的多目标模型并提出了优化方案。我们将提出的方案应用到一些临床病例上，取得了很好的结果。最后我们研究了辅助决策分析系统，建立了人机交互的软件系统，为治疗计划的决策者提供出一套代表性的治疗计划进行选择。课题所提出治疗计划方案可提高放射治疗计划的效率、缩短治疗的时间并改进放射治疗的质量，具有重要的意义。