放疗中非均匀VMAT模型建立与技术实现研究

As the mainstay techniques in radiation therapy, IMRT and VMAT produce highly conformal dose distribution for most of the complex targets while sparing critical normal tissues or organs. However, the IMRT technology has been proved to be very complicated and of limited efficiency. With the improved efficiency, VMAT technique has to tolerate compromise of plan quality due to minimization of intensity modulation for fast delivery of treatment plan. . Based on our previous work, this project aims to optimize the VMAT intensity modulation to achieve better balance between plan quality and delivery efficiency. A non-uniform VMAT optimization model will be established to develop a specific non-uniform VMAT technique with the purpose of generating a single arc VMAT-based plan with the non-uniform beams and intensity modulation levels using our customized software tools. The verifications will be conducted using patient imaging database with various clinical diseases. Dosimetric parameters, quality assurance and the feasibility of the machine delivery will also be evaluated.. The proposed non-uniform VMAT technique is to design a novel, effective approach to produce a single-arc plan with integrating advantages from current IMAT and VMAT for improving plan quality and delivery efficiency.

束流调强技术(IMRT)及容积弧形调强技术(VMAT)是目前放射治疗的主流技术。但IMRT优化方案复杂、布野依赖人工、治疗效率低;VMAT技术在保证高效放疗的同时相对简化射野各方向上强度优化，降低了放疗优化方案的质量。本研究将着重研究VMAT优化模型的两个均匀性：“①弧内子野个数均匀等分”②“等分的子野同方向上数目单一”并进行改良，构建非均匀VMAT优化模型，自主研发创建非均匀VMAT新技术。新技术在保留常规VMAT高效性的同时结合IMRT特点加强照射野方向上的优化，可以提高放疗方案的质量、有效减少正常组织照射容积、保护正常器官；此外，新技术实现所研发的人工智能放射治疗优化软件，能够减少人为原因造成的误差，提高放射治疗计划的制作精度及效率，最终改善患者的治疗疗效和生活质量。本研究探讨的新技术具有效率更高、更智能的优势，在医疗人力资源紧缺的今天，尤其具有现实意义且符合肿瘤放疗的未来发展趋势。

研究背景：针对目前主流放疗两大技术：束流调强技术（Intensity-modulated Radiation Therapy, IMRT）及容积弧形调强治疗（Volumetric modulated Arc Therapy, VMAT）存在的瓶颈：IMRT技术优化复杂, 加速器执行时间长，效率较低；VMAT技术虽然具有高效性较人性化，但其优化模型却在一定程度上对放疗计划的质量进行了妥协。故临床上迫切需要一种综合IMRT与VMAT优点的新技术，在保证优化方案质量的同时提高放射治疗效率。.主要研究内容：本研究通过改良常规VMAT数学模型，对射野角度、机架运动速度进行优化以完成多控制点运行，独创基于多子野优化的非均匀NU-VMAT新技术，新的优化方案的产生采用自动化获取方式（基于现有先进的治疗计划系统程序接口进行无缝连接）。.重要成果：已发表论文6篇，并获得专利一项。.关键数据：NU-VMAT新技术在脑胶质瘤放射治疗中相比VMAT技术可以降低脑干和眼晶体组织的剂量约11.0%和7.2%；在肺、膀胱、直肠肿瘤的放疗中较之VMAT技术，可降低46.3%、6.2%和59.8%的机器跳数；较之IMRT,可减少56.8%、32.7%和42.2%的治疗时间；QA验证结果显示，新技术在绝对剂量和面剂量的误差均值<2%，面剂量γ分析通过率均值为97.61%。.科学意义:本研究对传统的vmat优化算法进行了深入、系统的研究，创新性的建立了非均匀的NU-VMATt数学模型及相关新技术，具有重要的学术价值。依托先进的全数字化医用放射治疗设备，实现了非均匀VMAT技术。对现有放射治疗技术的优化改进研究，并前瞻性地开展了NU-VMAT技术在小体积肿瘤SBRT治疗、大体积肿瘤乳腺癌治疗和复杂化肿瘤鼻咽癌治疗中的应用效果，取得了具体的临床资料，可为可为今后开展该领域的研究提供第一手基础资料。同时，优化方案能自动获取非均匀的VMAT计划，有效地减少人为因素造成的误差，提高放射治疗计划制定的准确性和效率，解放人力。在当今医疗和人力资源短缺的情况下，具有广阔的临床应用前景。