被动呼吸控制技术革新及患者实时在体质量控制平台建立的研究

Respiratory motion reduces the treatment benefits from the IMRT and VMAT techniques and increases the difficulties for organs at risks (OARs) sparing and accurate treatment delivery. Currently, it is crucial to develop new techniques for reducing respiratory motion effects and ensuring accurate treatment delivery. Based on the passive breath control equipment developed on our previous study and on the requirements from clinical treatment, we will modify and improve our passive breath control equipment and incorporate the latest techniques with real-time surface imaging, real-time surface monitoring and in-situ 2D X-ray imaging for anatomy monitoring during treatment. A new passive breath control technique with real-time surface and inner anatomy structure monitoring will be developed. After that, a novel IMRT optimization method with beam angle and multicriteria optimization algorithms will be implemented for increasing the delivery efficiency. The new passive breath control technique based on real-time surface and inner anatomy structure monitoring will be integrated into the novel IMRT and VMAT for fast treatment deliveries. Meanwhile, a new in-vivo patient dosimetry verification system based on electronic portal imaging device (EPID) will be developed for realizing quick and real-time patient quality assurance purpose. The final purpose is to create a new system that combines all these real-time surface imaging and monitoring, anatomy imaging with in-situ X-ray and in-vivo patient dosimetry verification techniques. This basic application study will provide evidences for the new breakthrough of precise radiotherapy with breath-hold technique.

呼吸运动降低了调强（IMRT）及容积弧形调强（VMAT）技术在腹部肿瘤放射治疗获益的同时增加了危及器官保护及计划精准实施的难度。当前呼吸控制技术存在不足，迫切需要研发新技术来减少靶区运动并确保治疗的精准。本课题在前期研发的被动呼吸控制设备（PBG）的基础上对PBG进行拓新，并整合现有最新的体表成像、体表实时监测及体内的在线二维解剖成像技术，研发出基于实时体表-体内联合监测的被动呼吸控制新技术；然后通过创新性的射野角度优化及多目标优化技术来提高IMRT计划的实施效率，实现基于被动呼吸控制新技术下的快速IMRT及VMAT治疗。同时，研究出基于电子射野影像系统的患者在体（in-vivo）剂量验证技术，完成在治疗位上实时、快速的患者在体出射剂量的质量控制。最终期望立足基于被动呼吸控制新技术和在体剂量验证技术，获得治疗体位和出射剂量的双重质量控制，为实现呼吸控制下精准放射治疗的新突破提供依据。

肿瘤放射治疗的目的在于使得靶区获得足够高剂量的同时最大程度的减少正常组织的受量。呼吸运动降低了调强（IMRT）及容积弧形调强（VMAT）技术在腹部肿瘤放射治疗剂量学获益的同时增加了危及器官保护及计划精准实施的难度。当前呼吸控制技术存在不足，迫切需要研发新技术来减少靶区运动并确保治疗的精准。同时对IMRT和VMAT技术本身，强有力的质量控制技术和方法是确保IMRT和VMAT治疗优势的必需前提。本项目研究内容为在前期研发的被动呼吸控制设备（PBG）的基础上对PBG进行拓新，通过整合实时在线体表成像技术和实时KV级射线成像技术，改进和完善自主研发的PBG系统，并研究IMRT在治疗计划系统中本身的计划质控以及通过研究出射剂量算法及与EPID的实测剂量进行比较分析的在治疗位上的在体剂量质控，实现治疗前和中的双质控。研究结果上， 通过整合现有最新的体表成像、体表实时监测及KV级的三维解剖成像技术，研发实现了基于实时体表-体内联合监测的被动呼吸控制新技术。该新技术通过治疗前的三维解剖影像进行精准摆位，治疗中实施体表监测来确保被动呼吸控制的屏气位置稳定来实现治疗的准确和运动幅度的减少。治疗计划上通过创新性的射野角度优化及多目标优化整合的新优化技术（BAMCO），使得 IMRT计划的执行效率提高近30%，实现了基于被动呼吸控制新技术下的快速IMRT治疗。质量控制上，在计划设计阶段研究出五中常见肿瘤基于核密度估算模型的TPS计划质控来确保治疗计划设计中的质量；在计划执行阶段，实现了基于电子射野影像系统的患者在体（in-vivo）剂量验证技术，完成在治疗位上实时、快速的患者在体出射剂量的检测和质量控制。本项目的意义在于通过被动呼吸控制技术的改进提高和计划设计和实施的双质控技术创建，针对目前国内外呼吸控制和计划设计的部分相关研究的瓶颈问题进行解决和突破。基于体表-体内实时监测的呼吸控制技术及患者治疗计划设计和实施的质控技术实现，将有望以后成为国产技术产品，推广到国内，这对提高治疗精度及效率、降低科室成本上有重要意义!