調(diào)強(qiáng)放射治療(Intensity Modulated Radiotherapy,IMRT)通過(guò)調(diào)制非均勻光子通量分布,能夠在保證靶區(qū)劑量覆蓋率、適形性的同時(shí)降低危及器官和周圍組織的受量,在臨床上得到了廣泛應(yīng)用。在IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)中,由于理想的優(yōu)化目標(biāo)提前未知,物理師通常會(huì)參照統(tǒng)計(jì)所得的臨床規(guī)范選擇目標(biāo),再利用人工試錯(cuò)的方式對(duì)其反復(fù)調(diào)整直到計(jì)劃滿意為止。但該種方式會(huì)導(dǎo)致計(jì)劃設(shè)計(jì)效率和計(jì)劃質(zhì)量完全受限于計(jì)劃者的經(jīng)驗(yàn)豐富程度和實(shí)際可投入臨床的時(shí)間、精力�；诮�(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的計(jì)劃設(shè)計(jì)方法通過(guò)學(xué)習(xí)大量先驗(yàn)計(jì)劃并以此構(gòu)建患者幾何解剖特性與其劑量學(xué)特性間的關(guān)聯(lián)模型,可在新患者計(jì)劃設(shè)計(jì)前預(yù)測(cè)其大致的劑量學(xué)特性,將該特性作為優(yōu)化初始化目標(biāo)可有效保證計(jì)劃設(shè)計(jì)的效率以及計(jì)劃同質(zhì)性。但常見(jiàn)的預(yù)測(cè)目標(biāo)形式為DVH和劑量學(xué)指征項(xiàng),均屬于累積型劑量信息,將該類信息作為優(yōu)化引導(dǎo)會(huì)失去對(duì)劑量的空間控制,且無(wú)法滿足精細(xì)的體素級(jí)劑量調(diào)整的目的。以三維劑量分布為預(yù)測(cè)目標(biāo)并將其作為優(yōu)化引導(dǎo)是最理想的計(jì)劃設(shè)計(jì)方案。目前研究多以構(gòu)建更精確的預(yù)測(cè)劑量分布模型為目的,對(duì)預(yù)測(cè)的使用鮮有提及,但考慮到預(yù)測(cè)固有的不確定性、三維劑量信息的復(fù)雜性,對(duì)預(yù)測(cè)三維劑量的有效利用應(yīng)為預(yù)測(cè)引導(dǎo)計(jì)劃設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。因此,本文在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部已有三維劑量分布預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上,首先針對(duì)預(yù)測(cè)劑量分布在優(yōu)化中的有效利用以及保證輸出優(yōu)化計(jì)劃質(zhì)量的最大限度改善,提出了基于預(yù)測(cè)劑量分布引導(dǎo)和gEUD混合模型的計(jì)劃優(yōu)化方法,該方法利用預(yù)測(cè)劑量分布構(gòu)建體素級(jí)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),使輸出劑量逼近預(yù)測(cè),并通過(guò)添加等效均勻劑量目標(biāo),對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行修正,同時(shí)擴(kuò)大優(yōu)化求解空間。由10例宮頸癌IMRT計(jì)劃的重新優(yōu)化結(jié)果與其原始計(jì)劃的比較可知:優(yōu)化方法可保證靶區(qū)劑量的覆蓋率和均勻性,且有效地減少危及器官的受量。此外,出于對(duì)預(yù)測(cè)不確定性對(duì)優(yōu)化結(jié)果影響的考慮,本文建立了一種以預(yù)測(cè)劑量序列為引導(dǎo)的計(jì)劃優(yōu)化方法,該方法通過(guò)構(gòu)建更具包容性的預(yù)測(cè)應(yīng)用目標(biāo)函數(shù),可提高優(yōu)化在處理預(yù)測(cè)不確定性上的自由度。實(shí)驗(yàn)將優(yōu)化計(jì)劃與原始計(jì)劃比較以驗(yàn)證方法的有效性,同時(shí)將其與預(yù)測(cè)點(diǎn)劑量分布引導(dǎo)優(yōu)化所得計(jì)劃進(jìn)行比較以進(jìn)一步評(píng)估該方法的性能。從10例IMRT計(jì)劃的比較結(jié)果可知:該優(yōu)化方法可保證輸出計(jì)劃質(zhì)量不差于甚至優(yōu)于原始計(jì)劃,但與預(yù)測(cè)點(diǎn)劑量分布引導(dǎo)的優(yōu)化方法間存在權(quán)衡。本文針對(duì)預(yù)測(cè)三維劑量分布在放療計(jì)劃優(yōu)化中的應(yīng)用,首先實(shí)現(xiàn)了一種基于預(yù)測(cè)劑量分布引導(dǎo)以及gEUD混合模型的IMRT計(jì)劃優(yōu)化方法,該方法可有效利用預(yù)測(cè)劑量分布信息,同時(shí)保障輸出計(jì)劃的質(zhì)優(yōu)性;并通過(guò)探索新的預(yù)測(cè)劑量?jī)?yōu)化目標(biāo)形式,提出了以預(yù)測(cè)劑量序列為引導(dǎo)的計(jì)劃優(yōu)化方法,可有效保證輸出計(jì)劃的同質(zhì)性。
【學(xué)位單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：R730.55
【部分圖文】：

?方式，可根據(jù)輸入和反饋輸出以及期望輸出信息來(lái)不斷調(diào)整輸入和輸出內(nèi)部各??個(gè)節(jié)點(diǎn)間的鏈接關(guān)系（圖２－１），從而實(shí)現(xiàn)有效的關(guān)聯(lián)構(gòu)建。利用該模型可有效??預(yù)測(cè)患者的三維劑量分布信息。??產(chǎn)?ｎｐｕｔ?Ｈｉｄｄｅｎ?Ｏｕｔｐｕｔ??Ｌａｙｅｒ?Ｌａｙｅｒ?Ｌａｙｅｒ??圖２－１．人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)??Ｆｉｇｕｒｅ?２－１．?Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ?ｎｅｕｔｒａｌ?ｎｅｔｗｏｒｋ??（２）?Ｌｉｕ等人［３６］提出了基于光流模型的劑量分布預(yù)測(cè)方法，利用光流算法并根??據(jù)靶區(qū)和危及器官的相對(duì)位置關(guān)系將多張劑量分布圖進(jìn)行配準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行主成??分分析后即可得到劑量分布模型。利用該模型可預(yù)測(cè)出較為準(zhǔn)確的三維劑量分??布。??２．３本章小結(jié)??本章介紹了調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃設(shè)計(jì)中的優(yōu)化技術(shù)以及基于經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的劑量學(xué)目??標(biāo)預(yù)測(cè)。第一節(jié)介紹了逆向放療計(jì)劃優(yōu)化技術(shù)（通量分布圖優(yōu)化模型），主要內(nèi)??容包括劑量計(jì)算法、優(yōu)化模型、優(yōu)化算法、常見(jiàn)的劑量學(xué)優(yōu)化目標(biāo)形式及其優(yōu)??缺點(diǎn)；第二節(jié)列舉了基于先驗(yàn)知識(shí)的劑量學(xué)優(yōu)化目標(biāo)預(yù)測(cè)方法，包括ＤＶＨ曲線、??劑量學(xué)指征項(xiàng)以及三維劑量分布的預(yù)測(cè)。??１６??

ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ?ｍｅｔｈｏｄ??基于預(yù)測(cè)三維劑量分布引導(dǎo)和ｇＥＵＤ混合模型的放療計(jì)劃優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)框??架如圖３－１所示，主要包含計(jì)劃危及器官集的三維劑量分布預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)劑量分布??引導(dǎo)引導(dǎo)的計(jì)劃優(yōu)化兩部分：１）危及器官集的三維劑量分布預(yù)測(cè)，利用人工神??經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法對(duì)大量先驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行智能學(xué)習(xí)，構(gòu)建質(zhì)優(yōu)計(jì)劃的劑量學(xué)特性??與患者個(gè)體化特性之間的關(guān)聯(lián)，并通過(guò)測(cè)試集得出優(yōu)化實(shí)驗(yàn)所需的預(yù)測(cè)劑量分??布；２）以預(yù)測(cè)危及器官的三維劑量分布（Ｐｒｅｄ．）引導(dǎo)的計(jì)劃優(yōu)化，以將預(yù)測(cè)劑??量分布信息引入優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的方式設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，使危及器官的劑量分布在??預(yù)設(shè)硬約束條件下逼近其預(yù)測(cè)目標(biāo)的水平，同時(shí)添加危及器官的等效均勻劑量??目標(biāo)以進(jìn)一步降低危及器官的受量，求解收斂后得到自動(dòng)優(yōu)化后的計(jì)劃，比較??臨床原始計(jì)劃與優(yōu)化計(jì)劃間的質(zhì)量差異

??不同“預(yù)測(cè)”精度的三維劑量分布引導(dǎo)的優(yōu)化計(jì)劃與原始計(jì)劃的ＤＶＨ曲線??比較見(jiàn)圖３－２，從中可以看出：１）原始危及器官劑量分布引導(dǎo)優(yōu)化計(jì)劃的質(zhì)量??優(yōu)于原始計(jì)劃，說(shuō)明了預(yù)測(cè)劑量分布引導(dǎo)優(yōu)化方法的有效性；２）隨著劑量分布??預(yù)測(cè)松弛程度的增加，優(yōu)化計(jì)劃的質(zhì)量變差；３）在一定的收緊范圍內(nèi)，隨著劑??量分布的收緊，Ｕ？劃質(zhì)量是有提升的，但如果超過(guò)了這個(gè)范圍，靶區(qū)覆蓋率會(huì)??有明顯的降低，滿足不了預(yù)設(shè)的相關(guān)約束。因此針對(duì)圖３－２中患者來(lái)說(shuō)，收緊??５％的劑量分布所引導(dǎo)的優(yōu)化計(jì)劃可被認(rèn)為是患者可達(dá)的最優(yōu)計(jì)劃。以上優(yōu)化試??驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)劑量分布預(yù)測(cè)進(jìn)行松弛，可降低其引導(dǎo)優(yōu)化計(jì)劃的質(zhì)量；且若??在一定范圍內(nèi)收緊劑量分布預(yù)測(cè)，可在＋犧牲靶區(qū)的同時(shí)減少優(yōu)化ＩＩ？劃中危及??器官受量，從而提升輸出計(jì)劃質(zhì)量；兩種結(jié)果均可說(shuō)明：僅基于預(yù)測(cè)劑量分布??目標(biāo)引導(dǎo)所得的優(yōu)化計(jì)劃且質(zhì)量實(shí)際還有提升的空間。??（Ａ）?＂川??？?６〇?１??ｗ?６０?４３．５?４４?４４．５??３?一?ＰＴＶ?］?＼??
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