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放

实验课程 名 称 实验项目 名 称 实验项目 类 型 射治

放射物理学 疗

实验设计方案

教

学院专业 研

医学影像学 室

鼻咽癌调强放射治疗计划的制作 综合性实验 实验班级 医学影像系2012级 李贤富 谢力 实验地点 医学影像系放射治疗仿真实验室 方 案 郭飞 编写人 项目合作人员 实 验 2015.11.18 时 间 一、实验摘要 调强放射治疗技术(Intensity modulated radiation therapy, IMRT)是放射治疗中最为先进的技术,IMRT可有效改善肿瘤靶区剂量的适形度,同时降低周围危及器官的受照剂量。IMRT计划制作又是其中最为关键的一环。 本实验课主要利用逆向调强放射治疗原理,针对鼻咽癌常规放疗临床靶区进行调强放疗计划制作。实验器材主要使用医学影像系放射治疗仿真实验室配备的放射治疗计划系统（Treatment Planning system，TPS）进行计划制作。制作过程中，学生需要灵和运用调强放射治疗射野原则，合理设置计划优化参数，根据计划制作结果反馈情况，实时调节优化参数，直至满意为止。制作完成后进行计划评估，其中包括靶区百分深度剂量曲线适形度（CI）的评估、剂量体积直方图(DVH)中显示的临床危及器官风险受照量的评估、子野数量和机器所需跳数（MU）的评估。每位学生应独立完成计划制作，根据计划评估值情况进行综合评分。 本实验目的在于让学生深度理解逆向调强放射治疗基本原理，了解临床放射治疗计划制作的基本流程，在计划制作过程中积累经验，为临床培养放疗物理师做准备。 二、实验目的 采用独立制作计划的方式，让学生理解逆向调强放射治疗基本原理，熟悉临床放射治疗计划制作基本流程，明白在放疗计划制作过程中TPS的运作原理，初步了解在TPS中参数设置的逻辑性和合理性原则。 三、实验仪器、设备和材料 红蜘蛛教学监视软件、视频教学白板、仿真实验室放射治疗计划系统（Treatment Planning system，TPS）24台，独立存储服务器1台（容量20T）。 四、实验设计方案 1.实验原理 它启发于CT成像的逆原理，即当CT的X射线球管发出强度均匀的X线束穿过人体后，由于其组织厚度与组织密度不同，其强度分布就变成了不均匀的射线束，反向投影后形成了组织的影像。反之，如果放射治疗给与一个不均匀的射线束照射，则出来的射线束就变成均匀而投射到靶区中。 调强放射治疗，即是把每一个辐射野分割成多个细小的野（也叫做线束）。在制定计划时，按照靶区的三维形状和与相关危及器官之间的解剖关系，对这些线束分配以不同的权重，使同一个射野内产生优化的、不均匀的强度分布，以便使通过危及器官的束流通量减少，而靶区其他部分的束流通量增大。(图1示) 不同权重的线束 射野内强度分布 PTV—照射靶区 图1调强放射治疗原理图 而逆向调强放射治疗正是基于次原理之上，由计算机反馈优化完成。其主要步骤为，先由医生确定处方剂量，包括靶区的照射剂量和靶区周围危及器官的耐受剂量，然后由计算机给出实现该结果的方法和参数，从而实现治疗计划的自动最佳优化。治疗计划的优化是逆向计划系统的重要组成部分，治疗计划的可靠性和效率直接影响治疗的精度和疗效。 2、实验内容、流程 从服务器上导入已启动电脑，批复图像，进勾画的鼻咽癌病例根据靶区形状，设定设定优化参数，入IMRT模块 计划评估 登陆TPS DICOM图像 系统参数 进行计划优化 结果不满意，重新优化 利用红蜘蛛教学监视软件将计 计划完成 划结果调入视频教学白板进行 3、实验步骤 总体分析并评分 ⑴登陆TPS系统：将学生带入影像系仿真实验室，每人分配一台电脑，启动电脑，提供TPS登陆密码，登陆进入TPS系统中的图像处理界面。 ⑵导如图像：在图像处理界面中选择独立存储服务器上的事先已经勾画好的鼻咽癌病例图像，点击Import键（导入键）导入到本地TPS系统中。 ⑶批复图像，进入IMRT模块：在图像处理界面中点击右上角Approval键（批复键）对图像进行勾画确认。确认完毕，点击切换标签IMRT module，进入IMRT计划模块。 ⑷设定照射野参数：学生可根据调强放疗原理，在BEAM选项内自由设定照射野方向，外放MARGIN值（边缘值）设定为0.5 cm，照射野大小选择AUTO（根据靶区形状自动设定），照射中心选择PTV体积中心。Number of Beams（照射野数目）一般设定为5 ~ 9个。其余值默认。 ⑸设定子野参数：在Sequencing Parameters 选项内将Minimum Segment Area（最小子野面积）设定为2 ~ 10cm2, Minimum Change Between Consecutive Segments（子野抑制因子）设定为2 ~ 5cm2，Minimum Segment Width（最小子野宽带值）设定为0.5cm, Min MU/Segment (MU)(子野最小跳数)设定为3 ~ 10MU。其余值默认。 ⑹设定优化算法和处方剂量：在IMRT Calculation Properties选项内将优化算法选择pencil beams（笔形束），计算网格选择0.3cm,处方剂量输入6000 cGY ,照射次数选择30次。其余值默认。 ⑺设定优化参数，开始计划优化：进入计划优化界面，在Prescription选项卡中设置参数。首先将勾画器官PTV设定为TAG(目标靶区)，将spinal cord(脊髓)，brainstem（脑干），eyeball（眼球），len(晶体)，parotid（腮腺），mandibular（下颌骨），optic nerve（视神经），temporal lobe（颞叶），SKIN(外轮廓内未定义组织)设定为OAR（危及器官）。PTV选项中设定MAX值（剂量最大限制值）为6600，MIN值（剂量最小限制值）为6000。OAR选项卡中分别设置Under DVH（临床限制剂量体积）上限值和MAX（剂量最大限制）值，其设定值范围需要小于计划评估要求的最大限制值，且根据计划结果实时调整。给定完毕后，点击右下角Apply（应用）按钮带入系统。点击calculation（开始计算）按钮开始进行计算机自动优化。优化过程中根据实时变化的DVH（剂量体积直方图）图形不断调整危及器官的临床限制剂量体积和剂量最大限制值，要求在不影响靶区剂量分布的情况下尽量减小该值。实时关注靶区剂量分布，观察最大值和处方剂量体积的变化，通过调整选项后面的weight值（权重值）或改变危及器官优化函数条件，来达到期望的目标结果。参数设定范围需要在危及器官限制剂量和靶区处方剂量之间做出权衡，最终带入TPS自动运算直至完成。 ⑻计划评估：计划完成后，通过DVH图和靶区剂量分布曲线对计划进行评估，评估标准以满足临床剂量限制要求为准。若其中有项目未达到临床限制剂量要求，需要更改优化参数，重新制作计划。 ⑼计划分析、评分：计划制作完成后，使用红蜘蛛教学监视软件，依次将其完成的计划投影到视频教学白板进行分析、评分。评分标准包括①计划系统操作评分:主要考察学生对放射治疗计划系统的熟悉程度，看其能否在带教老师的指导下合理设置计划参数，并开始优化运算。②物理应用和临床指标评分:物理应用主要考察学生制作的调强计划的能否为现有直线加速器所执行，包括子野形态考察、子野数量和机器所需跳数（MU）考察（图2）。临床指标主要考察学生制作的调强计划能否满足放疗医师评估要求，为临床所用，依据靶区适形度指数（CI）、剂量体积直方图(DVH)进行评估。其中，靶区适形度指数（CI）的计算公式参照文献： CI＝（VTref/VT）×（VTref/Vref） 式中VTref为参考等剂量线所覆盖的靶体积，VT为靶体积，Vref为参考等剂量面所包含的总体积。CI值在0 ~ 1之间，越大越好。DVH图评估包括靶区的D95、D93、D110是否满足处方剂量要求，危及器官的Dmax、D1、V20、V30、V50是否小于临床风险受照量（图3）。③计划分析和讨论评分:主要考察学生对调强放疗原理的理解能力和计划制作过程中的逻辑分辩能力（能阐述出某一条件的实现，需要依赖于其他哪些条件）。 子野最小面积 ＞2cm2 子野最长直径 ＜40cm 子野最小跳数 ＞5MU 子野数量 ＜150个 机器所需跳数 ＜1500MU 图2物理应用指标 PTV（靶区） D95＞6000cGY V110＜20% V93＜1% spinal cord(脊髓) Dmax＜4500cGY D1＜5000cGY brainstem（脑干） Dmax＜5400cGY D1＜6000cGY eyeball（眼球） Dmax＜2200cGY V20＜50% len(晶体) Dmax＜600cGY D1＜900cGY parotid（腮腺） Dmax＜6000cGY V32＜50% V26＜60% mandibular（下颌骨） Dmax＜5400cGY D1＜6000cGY optic nerve（视神经） Dmax＜5400cGY D1＜6000cGY temporal lobe（颞叶） Dmax＜5400cGY V20＜50% V30＜30% 图3临床应用评估指标 4、项目完成后达到的对学生的成果要求 ⑴学生需要独立完成鼻咽癌调强放射治疗计划设计。 ⑵最终计划能够满足物理应用和临床指标，即所有物理参数均能达到限制值标准且可为临床执行。