实时跟踪放射治疗中标记点可见性的优化策略及算法开发

For intensity-modulated radiation therapy (IMRT), the blockage of multi-leaf collimator (MLC) obstructs the application of real-time tracking radiotherapy. Current methods includes: a) tracking with conformal fields, but only for the simple tumor; b) using kV-X ray or other auxiliary imaging devices, but not good for the extra dose and extra device. For the above limitations, the better solution is to improve the marker visibility directly for IMRT, that is, to reduce the probability of MLC blockage during beam-on time. So, the aim of this study is developing optimization strategies and algorithms to improve marker visibility. The proposed strategies and new algorithms include three advantages: a) considering marker visibility from implantation; b) optimize marker visibility under the premise of satisfying clinical requirements; c) optimize the probability of "at least two markers visible". Consequently, this study will improve the marker visibility during IMRT delivering, and provide theoretical fundamentals for future studies of real-time tracking radiotherapy.

实时跟踪应用于调强放疗最大的障碍是“标记点被叶片遮挡所导致的跟踪效果降低”。现有的解决方法为：1.利用适形野跟踪：适用范围小；2.利用kV级X射线或其他设备跟踪：增加额外剂量和额外设备。针对上述局限性，较为理想的方法是直接优化标记点可见性，即减少出束过程中标记点被叶片遮挡的概率。申请人的前期研究已建立了初步的可见性优化算法，但还不够成熟，体现在：1.必须保持剂量分布不变，导致优化搜索区域过小；2.只能优化“一个标记点可见的概率”。为此，本项目拟通过编程实现新的可见性优化算法。与现有算法相比，新算法：1.仅要求剂量分布满足临床要求，优化搜索区域扩大；2.可以优化“两个标记点同时可见的概率”。另外，本项目拟建立可见性优化策略，在穿刺植入标记点阶段就考虑可见性问题，优化植入位置/区域，以进一步提高可见性。因此，本项目的研究成果可以比现有方法更好的提高标记点可见性，为今后跟踪放疗的开展提供理论基础

实时跟踪应用于调强放疗最大的障碍是“标记点被叶片遮挡所导致的跟踪效果降低”。针对此局限性，较为理想的方法是直接优化标记点可见性，即减少出束过程中标记点被叶片遮挡的概率。申请人主要进行了四项研究内容：（1）在固定野调强治疗模式下考虑标记点可见性最大化的分子野序列算法。在利用实时跟踪技术进行调强放射治疗时，我们需要在患者体内植入标记点，以利用影像系统对患者靶区的运动进行实施跟踪。由于调强治疗时多叶准直器（MLC）会形成大小形状不同的照射子野，因此我们需要尽可能多的提高标记点的探测概率，即使得标记点尽可能的出现在EPID上。为了量化标记点的探测概率，我们提出了标记点可见性的概念，即标记点可见时间与射野照射时间的百分比比值。我们采用随机生成的测试野以及临床测试野进行算法评估。结果表明，经子野序列最优后，标记点可见性均达到了最大值；（2）在旋转调强治疗模式下考虑标记点可见性最大化的叶片轨迹算法。该研究内容与（1）相关，只是在旋转调强模式下进行的叶片轨迹的优化，优化目标也是标记点可见性的最大化。结果表明，经叶片轨迹优化后，标记点可见性达到了最大值；（3）治疗前穿刺阶段考虑标记点可见性的肿瘤靶区内标记点植入位置的优化。前面的研究内容已经实现了对于给定的标记点植入位置，计算得到最优化的子野序列或者叶片轨迹，使得对每一个照射野，标记点可见性均达到最大化。但标记点植入的位置会影响照射野中标记点可见性的高低，因此，开展选取最佳标记点植入位置的研究是必要的。本研究现已初步实现对于给定的患者靶区及治疗计划，得到最佳的标记点植入位置，并保证植入位置的可行性；（4）在实时跟踪治疗方面，建立能够对肿瘤靶区内部标记物更快、更准的实时探测算法，以能够在治疗过程中实时探测肿瘤位置，实时调整射线束或者治疗床以与内部肿瘤运动同步，以达到既能提高肿瘤控制率也能保护周围的正常组织，实现实时跟踪放疗，取得更好的治疗效果。