头颈部肿瘤调强放疗计划的个体化生物优化研究

The Intensity-modulated radiotherapy (IMRT) planning method is generalized and physical factor based nowadays, which ignores the individual biological difference betweent patients and can not supply the best radiotherapy treatment plan at protecting critical organs around tumor target. Our previous clinical observation and biological modeling experience proved that, the individual biological variation in different patients will bring significant effects to IMRT planning. Therefore, it was proposed to realize the individual biological IMRT optimization by establishing the individual biological predicting model. This project aims to study the individual biological optimization for head and neck cancer IMRT. First, to establish individual biological predictive models for head and neck cancer; second, to construct biological objective functions for IMRT optimization; and finally to apply the individual biological predictive factors into the IMRT planning process. This project is expected to spare more organs at risk while keeping the tumor control probability.

目前，肿瘤调强放疗计划的设计主要采用群体化的物理指标优化方法。该方法忽略了患者间存在的个体化生物指标差异，无法有针对性地为患者提供最优的放疗计划，导致患者肿瘤周围重要器官没有得到更好的保护。在前期临床观察及生物建模相关研究工作的基础上，我们发现患者间个体差异和生物模型的参与，将对调强放疗计划的优化产生显著性影响，提示可以通过建立个体化生物预测模型，实现调强放疗的个体化生物优化。本项目针对头颈部肿瘤患者临床个体化特征，首先建立面向头颈部肿瘤患者腮腺和耳蜗并发症的个体化生物预测模型，进而有针对性地构造生物优化目标函数，最终将该目标函数应用于调强放疗计划的优化过程中，制定出体现患者个体化差异的肿瘤调强放疗计划，在保证肿瘤控制概率的同时，更好地保护肿瘤周围重要器官。

目前，肿瘤调强放疗计划的设计主要采用群体化的物理指标优化方法。该方法忽略了患者间存在的个体化生物指标差异，无法有针对性地为患者提供最优的放疗计划，导致患者肿瘤周围重要器官没有得到更好的保护。在前期临床观察及生物建模相关研究工作的基础上，我们发现患者间个体差异和生物模型的参与，将对调强放疗计划的优化产生显著性影响，提示可以通过建立个体化生物预测模型，实现调强放疗的个体化生物优化。. 本项目针对头颈部肿瘤患者临床个体化特征，建立了面向头颈部肿瘤患者腮腺和耳蜗并发症的个体化生物预测模型，进而有针对性地构造了生物优化目标函数，并最终将该目标函数应用于调强放疗计划的优化过程中，制定出了体现患者个体化差异的肿瘤调强放疗计划，在保证肿瘤控制概率的同时，更好地保护了肿瘤周围重要器官。. 项目产生的重要结果包括：1. 发现头颈部肿瘤放疗后，耳蜗平均受照射剂量超过46Gy的患者出现神经性听力下降的风险显著提高（R2=0.70），放化疗组比单纯放疗组亦有显著提高（p<0.05）；2. 证明用于拟合NTCP模型的最大似然函数非凸，遗传算法是最稳定的优化方法；3. 提出一种新的放疗并发症预测方法并获得国家发明专利授权，在患者接受实际治疗前，针对将要接受不同剂量分割方案进行治疗的患者群体，提供有区别的个体化的预测，体现了不同剂量分割方案对产生放疗并发症而表现出的显著差异；4. 发现放疗直线加速器多叶光栅叶片到位精度小于2mm的随机误差对于体内剂量分布影响很小，而叶片外扩或内收引起的误差影响显著，并证实多叶光栅日志文件可以作为质控工具监测放疗执行精度。5. 将放射生物学指标作为优化条件应用于调强放疗计划制定过程中，并证实该方法可以有效降低肿瘤周围危及器官受照射剂量，降低并发症概率的同时不降低肿瘤控制概率；6. 提出了一种从Pinnacle放疗计划系统导出并重建剂量体积直方图（DVH）的方法，已申请发明专利；7. 开发了“放疗处方等效剂量换算器”等4款专业软件，并获得软件著作权。