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1、光子束外照射治疗计划系统,概念系统硬件系统软件和计算算法数据获取临床测试与质量保证定期的质控治疗计划的独立审核实践：国产TPS简介与应用,光子束外照射治疗计划系统概念,一、概念,计算机治疗计划系统（treatment planning systems,TPS）：用于体外放射治疗的射束形状和剂量分布设计，以达到最大的肿瘤控制和最少的正常组织并发症的计算软件系统。传统的正向计划设计基于有经验的专业人员进行设计和误差分析。调强放疗（Intensity modulated radiotherapy,IMRT）逆向计划是利用剂量优化技术来满足计划设计者设定的靶区和危及器官的剂量要求。,一、概念计算机治疗
2、计划系统（treatment plann,TPS,三维放射治疗的实施,三维放射治疗的实施,二、系统硬件,治疗计划系统的硬件：包括中央处理器、图形显示器、内存、数字化仪、输出装置、储存和网络通讯装置。存档操作包括：射野数据和参数、CT图像及剂量分布等与病人相关的数据、以及传输到配备了记录与验证系统的直线加速器上用于病人摆位的数据。数字化仪：用于手工输入病人的横断面轮廓和BEV方向的不规则射野形状。通常为背光写字板，用磁性触针来进行形状的手工描迹。,二、系统硬件治疗计划系统的硬件：包括中央处理器、图形显示器、,（一）卷积算法 将介质中任意点的剂量表述为原射线和散射线成份的叠加。这类算法是将放射线分
3、解为原射线和次级射线或散射线成分，再分别进行处理。由于射束形状和强度、病人几何结构和组织不均匀性变化导致的散射线改变在计算剂量分布时会得到体现。,系统软件和计算算法,（一）卷积算法系统软件和计算算法,（二）蒙特卡罗/随机取样法 蒙卡技术基于跟踪大量粒子的运动过程，包括粒子从放射源射出后在病人体内和体外进行的多阶散射相互作用，以此计算剂量分布。蒙卡技术能通过个体化计算每台直加的几何结构、射野形成装置（如档块、多叶准直器）、病人不规则表面和密度不均匀等因素来准确模拟粒子相互作用的物理特性，他们允许考虑大量复杂的病人治疗条件。,（二）蒙特卡罗/随机取样法,（三）笔形束算法 通常用于电子束剂量计算。将
4、某一点的能谱或剂量内核在模体内沿直线相加获得笔形射线束或剂量分布。通过对患者表面的笔形束进行积分来计算原射线的强度改变，以及随深度和组织密度的变化修正笔形束的形状，可以得到剂量的分布。,（三）笔形束算法,射野修饰器,TPS需要处理的部分装置和需要特别考虑的主要事项包括：光子束修饰器（准直光栏、档块、补偿器、多叶准直器、楔形板）和电子修饰器（限光筒Cone、挡板、组织等效物）,射野修饰器TPS需要处理的部分装置和需要特别考虑的主要事项包,光子束修饰器,准直光栏：射野的大小通过电动的准直装置（准直光栏）来确定。TPS会将准直光栏所处位置形成的半影计算在内，还考虑由于准直器的设计造成的横向与纵向开野
5、对称性的不同。档块：TPS需要计算射野的屏蔽效果，通过考虑档块的有效衰减来降低遮挡区域下的总剂量。MLC：几乎可代替所有传统安装的射野档块，只有岛状档块和过分弯曲的档块除外。典型的MLC的叶片在等中心平面的宽度为0.51.0cm。TPS应考虑叶片的设计，以模拟其穿透和半影。楔形板：TPS能模拟平行或垂直于物理楔形板主轴的剂量效应。Bolus:TPS可设计个体化的组织补偿器，以解决组织缺失问题或修饰剂量分布使其与不规则靶区形状适形。,光子束修饰器准直光栏：射野的大小通过电动的准直装置（准直光栏,电子束修饰器,限光筒(Cone或Applicator):是电子线的外部准直器，以减少电子束在空气中的扩
6、散。,电子束修饰器限光筒(Cone或Applicator):是电子,薄的低熔点挡铅：显著影响电子射野的剂量学特性（特别是PDD和输出因子），TPS应能模拟这些影响。,薄的低熔点挡铅：显著影响电子射野的剂量学特性（特别是PDD和,图像显示,射束方向观（Beams eye view,BEV）医生方向观（rooms eye view,REV）BEV经常与DRR一起协助评估肿瘤的覆盖及挡板或MLC射束修整效果。REV给使用者提供了机架与治疗床之间关系的直观显示，有助于避免在按虚拟模拟摆位时碰床。DRR：是根据病人CT数据，利用数学方法重建的射线穿透投影图像。,确定叶片位置,图像显示射束方向观（Beam
7、s eye view,BEV）,模拟照射,模拟照射,剂量体积直方图,DVH可分为微分DVH（differential DVH）和积分DVH（cumulative DVH），前者的纵轴代表接受了横轴所指示剂量的体积；后者的纵轴代表接受了等于或大于横轴指示剂量的体积或百分体积。DVH不能表示剂量的位置信息，但将其叠加可帮助评估不同计划的优劣。,剂量体积直方图DVH可分为微分DVH（differentia,优化和剂量监测跳数计算,算法可优化射野权重、几何形状、靶区和危及器官的最大和最小剂量限值。TPS的照射跳数计算与计算过程和归一方法直接有关。要求有：相对射野大小的输出因子、楔形因子、托盘因子和机器
8、的其他相关因子。,优化和剂量监测跳数计算算法可优化射野权重、几何形状、靶区和危,三、数据获取与输入,机器数据：各种机械结构参数、MLC叶片的设计和运动参数、限光筒的尺寸等信息射野数据的获取与输入：PDD、OAR、沿对角线的剂量分布图和楔形野的横向线剂量分布图、中心轴的楔形因子、托盘因子、其他附件因子等。基于蒙卡的TPS需要加速器射束路径上各部件的组成成分和几何参数的准确资料。如波导窗、靶、均整块、散射薄、穿透电离室、准直光栏、MLC、档块与托盘，以及其他任何电子或光子射束可能遇到的器件。,三、数据获取与输入机器数据：各种机械结构参数、MLC叶片的设,病人数据,病人的解剖数据输入方式：数字化仪输
9、入;CT扫描图像;CT/PET、CT/MRI等融合的图像。数据可通过DICOM3（digital imaging and Communications in Medicine）或者DICOM RT格式输入TPS。,病人数据病人的解剖数据输入方式：数字化仪输入;CT扫描图像,光子束外照射治疗计划系统课件,PET/CT图像融合:解剖和功能信息的结合,PET/CT图像融合:解剖和功能信息的结合,病人数据,CT值必须转换为电子密度和散射本领。方法：取一圆形水等效模体，插入模拟正常人体组织如骨头和肺的已知组织密度的插入物，进行CT扫描，得到用户自定义的查阅表，用此表可将CT值转换成电子密度和散射本领。,
10、病人数据CT值必须转换为电子密度和散射本领。方法：取一圆形水,利用专用模体测试CT模拟功能,利用专用模体测试CT模拟功能,四、临床测试与质量保证,误差：TPS的不确定度和误差可能来自治疗计划过程诸多步骤中的任何一步。分百分误差和距离误差两类：百分误差描述剂量分布的高剂量区如照射体积内的误差；距离误差描述高剂量梯度区如建成区或半影区的误差。,四、临床测试与质量保证误差：TPS的不确定度和误差可能来自治,验证：数据验证的任务是在测量或输入的数据与TPS产生的数据间进行严格的比较。标准的测试数据组，如美国医学物理师协会（American Association of Physicists in Me
11、dicine，AAPM）第23号工作组数据集可以用于评估TPS的性能。临床测试：可以将测试例的TPS计算结果与胶片或电离室的测量结果进行比较。,验证：数据验证的任务是在测量或输入的数据与TPS产生的数据间,光子束外照射治疗计划系统课件,光子束外照射治疗计划系统课件,测试实例,Therac 20(18MV)方野 5x5SSD=SAD=100 cm 2%,测试实例Therac 20(18MV),测试实例,Therac 20(18MV)方形野 5x5SSD=SAD=100 cm 深度 3 cm 4 mm 2%,测试实例Therac 20(18MV),Therac 20(18MV)楔形野 9 9SSD
12、=SAD=100cm45 wedge 深度3 cm 4 mm 2%,测试实例,测试实例,测试实例,Therac 20(18MV)中心轴挡块SSD=SAD=100cm 16x161x4x7 cm(w,l,t)档块，中心轴4 cm 2%,测试实例,测试实例,Therac 20(18MV)中心轴挡块SSD=SAD=100cm 16x161x4x7 cm(w,l,t)档块，中心轴4 cm 3cm 深 4 mm 2%,测试实例 Therac 20(18MV),测试实例,Therac 20(18MV)肺组织测试SSD=SAD=100cm 16x166x12cm(w,l)肺 8 cm 深,0.29g/cc
13、深度 12 cm 4mm 2%,测试实例Therac 20(18MV),测试实例,Therac 20(18MV)斜入射SSD=SAD=100cm 照射野 10 x10机架 45 深度3 cm 4mm 2%,测试实例Therac 20(18MV),测试实例,9 MeV 电子束 照射野 15x15SSD=100深度0.5 cm 4 mm 7%,测试实例,测试实例,9 MeV 电子束照射野 15x15SSD=1003x18x1cm(w,l,t)气腔 1 cm 深深度2.3 cm 4 mm 7%,测试实例,TPS使用了大量的数据，这使得对所有的数据进行例行验证非常困难或不可能。对所有的TPS推荐定期检
14、查是使用标准几何参数体模，采用多种射野和射束修饰器，检查剂量分布和射野跳数。,用户,剂量数据患者数据,厂家,TPS,用户,剂量分布,TPS-黑匣子的功能,准确性,局限?,TPS使用了大量的数据，这使得对所有的数据进行例行验证非常困,五、定期的质控,五、定期的质控项目临床实例周月季年硬软件升级后硬件解剖信息,六、治疗计划的独立审核,输入影像是否正确靶体积和敏感器官定义是否合理计划是否遵循主管医师的处方剂量等中心与摆位标记的关系照射野设制是否符合治疗机要求是否使用非对称照射野照射野权重是否合理靶体积的剂量变化计划归一点和剂量值是否正确是否符合剂量限值(DVH)是否使用档块,楔形板,MLC,补偿器,如使用:形状,位置,方向是否正确所有计划参数是否打印,并输出至治疗机计划中最大剂量需确定和评估,六、治疗计划的独立审核输入影像是否正确,七、实践：国产TPS简介与应用,下面进入TPS实践过程，将结合理论基础运用于临床。下面附一篇关于建模的文章，有兴趣的同学可以下载：三维治疗计划系统光子线数学模型参数的确立,七、实践：国产TPS简介与应用下面进入TPS实践过程，将结合,
