伽玛射线立体定向放疗的物理基础研究

The field of Gamma-ray stereotactic radiotherapy developed rapidly in recent years in China. New models of gamma knife were put in the market and many more patients were treated. However, no significant technique progress has been achieved because no basic physics research was conducted in advance. Physics problems, which should be solved urgently, are as follows: 1). There is no theoretical methods to evaluate the design of new models, and consequently it is hard to say which design is better; 2). There is no effective measurement devices to examine the focusing situation of each source; 3). No optimization algorithms meet clinical requirements, and can be used routinely. Based on previous work, this project will aim to solve the aforementioned problems. It has three components. The first component is to develop a universal method to evaluate gamma knife's design through simulating two representative gamma knifes (OUR rotating gamma knife and Elekta static gamma knife). The second component is to set up a more scientific and more detailed quality control method with a novel measurement device. This device can hold a film on a cylindrical surface off the focus, and therefore can determine the focusing status of each individual source. The third component is to develop optimization algorithms meeting clinical requirements, and to avoid manual adjustments of treatment plans. The outcome of this project will lay down a solid physics ground for R&D, test, and clinical applications of domestic gamma knifes. It will promote the field to grow healthily.

近年我国伽玛射线立体定向放疗行业发展很快，机型不断更新，临床应用不断推广。但因缺乏物理基础研究的支持，技术水平停滞不前。急需解决的物理问题有:1) 无γ刀物理设计评价方法，不能判定不同机型的优劣; 2) 缺有效的剂量测量装置，不了解单个源的聚焦情况; 3) 无符合临床要求的计划优化算法，只能手工设计。本项目将在前期工作的基础上，针对这三个问题展开研究，主要研究内容是：1) 利用Monte Carlo 程序EGS4模拟计算两种典型γ刀(奥沃的旋转聚焦γ刀和医科达的静态聚焦γ刀)的剂量场，建立γ刀物理设计的通用评价方法; 2) 设计加工一个新颖的测量装置，在离焦点一定距离的圆柱面上插胶片测量，确定每一个放射源的聚焦情况，建立更科学、更细致的质控方法; 3) 建立符合临床要求的优化算法，解决计划靠手工的问题。项目成果将为γ刀、尤其是国产γ刀的研发、检测和临床应用奠定物理基础，促进全行业健康发展。

按照研究目标，本项目建立了以γ刀单源剂量场蒙特卡罗模拟结果为基础，以旋转偏移法合成所有源总的剂量贡献的γ刀多源剂量场计算模型。该模型相比原有的模型既提高了剂量场分布结果的空间分辨率也显著提高了模拟计算效率。其次，该模型充分利用了γ刀系统特有的旋转对称性，能方便的根据需要修改单源的结构尺寸，并按照放射源实际的空间分布合成总的剂量分布，并以此为基础计算γ刀的半影宽度和输出因子，为评价γ刀的性能，指导γ刀设计提供了有效的工具。.本项目还探讨了可变准直器高度、固定准直器高度、Co源半径、Co源高度以及Co源源焦距的变化对γ刀性能的影响，指出可变准直器高度、固定准直器高度以及Co源半径的变化对国产伽马刀和进口伽马刀的剂量场的影响不明显，但Co源高度特别是Co源源焦距的变化对国产伽马刀和进口伽马刀剂量场的影响都最为显著。且与国产OUR XGD伽马刀相比，Leksell 4C的剂量场分布对于Co源高度及Co源源焦距的变化更为敏感，即其对加工精度和装配精度的要求更高。.本项目设计加工了一个新型的γ刀测量装置，并使用该装置测量了国产OUR XGD型γ刀和进口Elekta Perfexion型γ刀的单个射束自身的聚焦特性，建立了测量方法和分析方法。此外，为了拓展该模体的应用范围，设计加工了底座支架，使其不仅可用于γ刀的测量，还可用于常规加速器的X刀的测量。.本项目用优选的既往病例建立专家库，通过数据挖掘技术，实现了γ射线立体定向放疗刀治疗计划自动优化。通过C++编程实现功能模块，利用194例病例数据建立专家库。用匹配指数评价病例间是否相似，用综合考虑靶区欠量比率（UTR）、组织超量比率(OTR)的一致性指数（PCI）评价计划质量。程序能自动生成UTR为89%，PCI为82%，临床能够接受的治疗计划，测试病例的计划生成时间均在2 min以内。随着专家库病例增多，能适应更多不同病例的计划制定，并大大减少计划制定时间。.本项目成果为伽玛刀、尤其是国产伽玛刀的研发、监测和临床应用奠定了一定的基础，下一步将寻求和国产伽码刀公司合作，实现成果转化，推动产品技术升级。