被动呼吸门控下腹部肿瘤的剂量反馈自适应放疗技术研究

The abdominal cancers, such as gatric and liver cancers, have high incidences in China. It has been confirmed that the radiotherapy can improve their local controls ,however,the abdominal cancer radiation has its special features compared with other sites cancer because of its low surrounding normal tissue tolerance and its suspectible to intra-fractional respiratory motions and inter-fractional organ deformations. All these effects can lead to the variation between the actually delivered dose and planned dose. Therefore,it is crucial to reduce the repiration motions by integrating reasonable techniques and using advance algorithms to optimize the treatment plans for better target coverage and normal tissue sparing; meanwhile, the online or offline geometric and dosimetric verfication model should be established to study the intrafractional dose varies and ensure the accuracy of the treatment delivery. This study will develop a new treatment strategy of combining a homemade passive breath control device, a commercial realtime position management (RPM) system, and the volumetric modulated arc therapy (VMAT) for passive breath hold radiotherapy in the pelvic cance. Compared to the current techniques, the new treatment strategy has the advantages of less treatment delivery time and better normal tissues sparing. Besides, this study will also inspect the reconstruction of online three dimensinal cone beam CT (CBCT) with the passive breath control technique, named as gated CBCT.Based on fractional gated CBCT images,the feasibility of online dosimetric verfication will be examined and then a clinical model for following treatment adjustment will be studied using the dosimetric feedback from the fractional dosimetric information.The final purpose is to establish an adaptive radiotherapy strategy based on dosimetric feedback for the abdominal radiotherapy, which will benefit to further development of the outcomes-guided personalized radiotherapy.

腹部肿瘤如胃、肝癌是我国的高发肿瘤。腹部肿瘤的放射治疗已被证实可提高局部控制率,与其他肿瘤相比，腹部肿瘤周围正常组织剂量耐受低，且呼吸运动和器官移动皆可影响每次治疗时靶区的确定性，导致实际治疗的剂量分布与计划的不一致，因此迫切需要综合多种物理技术以减少运动和形变的影响；同时需要建立实时的空间几何和剂量验证及反馈技术模型，来保证分次治疗间治疗实施的准确性。本课题在前期研究中，改进和综合了现有的门控技术，并研发一项被动呼吸控制设备，计划在本研究中结合容积弧形调强技术来实现被动呼吸控制下的腹部肿瘤放疗，实现最优化正常组织保护的同时最大限度的减少治疗时间。同时研究出被动呼吸控制下三维锥形束CT影像的采集和重建，建立分次放疗基于锥形束CT影像的剂量分布验证及利用分次剂量分布进行在线或离线剂量反馈修正的临床模型，研究出被动呼吸门控下基于剂量反馈的自适应放疗技术，为未来疗效引导的个体化放射治疗奠定基础。

背景：腹部肿瘤的调强放疗受呼吸运动和分次治疗间解剖学改变的影响。目前商用的主动呼吸控制技术及呼吸门控技术可减少外放边界，但各自却存在临床应用的不足。因此迫切需要研究出整合现有技术优势的新技术来减少呼吸运动的影响及提高治疗效率。同时，研究出监测实际实施剂量准确度的技术来保证治疗的质量。.主要研究内容及重要结果：.1）基于PBG技术的在线影像引导：自主设计一运动模体平台进行研究，可实现运动幅度和周期的可调。采用不同屏气模式采集模体CBCT的影像质量，发现都有足够的影像质量来区分模体中的不同组成部分，但在加入“自由呼吸”部分的影像（PBHCBCT）中可见明显的条状伪影。模体研究中最大的配准误差为0.4mm。所有PBHCBCT都可顺利完成影像引导。.2）PBG下基于门控式CBCT引导的容积调强技术在胃癌放疗中的应用：采用自主研发的PBG设备并与RPM整合应用于患者治疗，利用在线BPHCBCT影像引导和呼吸屏气控制（PBH）下的容积调强（RapidArc）技术来完成治疗的实施。通过交替屏气和自由呼吸的方式完成治疗。采用PBH CBCT进行治疗前患者治疗位上的位置验证。所有治疗的患者门控RapidArc治疗都被顺利实施。PBHCBCT采集过程中采用了2－3个呼吸屏气及1－2个自由呼吸，但采集时间与常规采集一致。相比于自由呼吸CBCT，PBHCBCT可实现在线影像引导且显著减少了呼吸运动而致的运动伪影。.3）建立基于分次PBHCBCT影像的剂量追踪技术研究：PBHCBCT可用于剂量计算，通过与计划剂量的作差可获得剂量分布差异图，利用不同的颜色对不同的剂量差异进行显示可实现快速直观的定性化剂量验证。对明显差异的分次，可快速作出判断并引导后续对导致原因的仔细分析。根据勾画的正常组织轮廓可实现定量化的接受剂量分析，实现分次剂量追踪。.科学意义：项目研究了PBG与RPM在临床中的整合使用。PBG中利用RPM系统来建立体表标志点与体内与呼吸相关的靶区运动关系并进行实时监测，然后通过被动呼吸控制装置切断患者呼吸，使患者被动地处于屏气状态并进行治疗，该技术兼顾实时信号反馈和高效治疗实施的优点。通过该新被动门控系统与目前最新的容积调强技术和新模式的成像技术，创新性实现了在线门控锥形束CT（CBCT）引导下的呼吸控制容积调强治疗技术，在兼顾计划质量的同时达到高效率的目的，适用于国内多患者的中心。.