基于锥束CT的高精度近距离治疗技术研究

Brachytherapy is generally considered as an indispensable treatment for advanced cervical cancer. It is one of the core technologies to improve the cure rate of cancer by effectively controlling the dose deviation of brachytherapy. Due to the lack of real-time imaging and a fast and accurate dose calculation method, the displacement of source channels and the deviation of dose calculation have become the two main reasons that affect the accuracy of brachytherapy..This project intends to study the key problems of Cone-beam CT in the application of brachytherapy technology through the combination of clinical application assessment, theoretical calculation and experimental verification: 1) Analyze the clinical application performance of the three kinds of scatter correction methods to determine the suitable clinical application; 2) Propose GPU-accelerated Monte Carlo dose calculation method of brachytherapy to achieve both dose accuracy and efficiency; 3) The experimental brachytherapy model is designed and the dose calculation accuracy based on brachythrapy CBCT images is studied. Finally, high-quality and high-precision brachytherapy CBCT images are obtained. The CT value error is controlled within 20 Hounsfield unit(HU). Besides, a fast and accurate brachytherapy dose calculation method is achieved. The deviation between calculation and measurement is controlled within 1% and the calculation time is shortened within two minutes. This will provide a scientific basis for the clinical application of high precision brachytherapy based on Cone-beam CT.

近距离治疗被认为是中晚期宫颈癌治疗不可或缺的治疗技术，有效控制近距离治疗剂量偏差是提高肿瘤治愈率的核心技术之一。由于缺乏实时影像及快速精确剂量计算方法，使得施源通道移位、剂量计算偏差成为目前影响近距离治疗精度的两类主要原因。.本项目拟通过临床应用评估、理论计算和实验验证相结合的方法，针对锥束CT应用于近距离治疗技术的关键问题开展研究：1)分析三种散射校正方法临床应用性能，确定适用于临床近距离治疗CBCT的散射校正方法；2)提出GPU加速的蒙特卡罗近距离治疗剂量计算方法，实现剂量计算精度和效率兼顾；3)建立近距离治疗实验模型，研究基于锥束CT的剂量计算精度。最终获得高质量高精度的近距离治疗锥束CT影像，将CT值误差控制在20HU以内，实现快速精确近距离治疗剂量计算，将计算与测量偏差控制在1%以内，计算时间缩短在2分钟以内，为基于锥束CT的高精度近距离治疗技术的临床应用提供科学依据。

宫颈癌在全球女性癌症发病率中排名第四位，近距离治疗作为各期别宫颈癌根治性放疗中必不可少的重要部分，能明显降低宫颈癌局部复发率，提高患者生存率。目前，临床近距离治疗精度不足的主要原因在于缺少实时影像和快速精确剂量计算方法。为从根本上解决上述问题，本课题提出了基于锥束CT的高精度近距离治疗技术，我们围绕着该技术展开了系统研究。.首先，基于实验模型，完成了对先验信息法、源调制法和束阻断法三种散射校正效果的评估，确定了先验信息法相对最适用于CBCT引导近距离治疗技术，证明其不仅能极大提升现有临床工作效率，还能满足组织精确勾画和剂量精确计算要求。在此基础上，我们还完成了基于临床实际患者的临床可行性研究。其次，针对临床近距离治疗剂量精度：（1）研究了不同方向施源器移位对二维/三维近距离治疗剂量学，明确了缺乏实时图像引导造成的宫颈癌近距离治疗精度偏差；（2）建立了放射源蒙卡物理计算模型，研究了近距离治疗时人体不同组织的吸收剂量差异，证明了不同组织元素成分及密度会影响近距离治疗剂量分布；（3）对比研究了两种临床常用剂量计算方法与基于CT影像的蒙卡计算剂量差异，发现了现有方法在近源位置和高密度区的剂量计算上均存在明显不足。同时，我们初步建立了GPU加速下近距离治疗蒙卡计算方法，完成了水中计算效率和精度评估。最后，我们自主研制了国内首台宫颈癌近距离治疗实验模型，能满足多种实验场景应用要求。基于该模型完成了各散射校正方法的投影数据采集，并通过热释光探测器对实验模型内部进行了精确的剂量测量，其测量结果与模拟计算结果吻合较好，验证了本课题整体方案的可行性。.围绕宫颈癌近距离治疗这个研究主题，我们还做了很多相关研究工作：如基于U-net卷积神经网络的宫颈癌临床靶区和危及器官自动勾画研究；三种补量技术在晚期宫颈癌放疗中的应用研究，铱源驻留步长对宫颈癌三维近距离治疗的影响研究，等等。