第十一章 光子束外照射放射治疗的计算机治疗计划系统
M.D.C. EVANS 翻译：黄晓延 祁振宇 Department of Medical Physics， McGill University Health Centre， Montreal, Quebec, Canada
11.1 引言
计算机治疗计划系统(TPS)用于体外放射治疗可设计射束形状并计算剂量分布，以达到最大的肿瘤控制和最小的正常组织并发症。病人解剖结构和肿瘤靶区可用3-D模型描绘出来。治疗计划系统的整个过程包括许多步骤，医学物理师负责整个TPS的完整性，以保证为外照射提供精确、可靠的剂量分布和相关计算。治疗计划本身通常由剂量师设计，在实际执行前必须经放射肿瘤医师批准。 1970年之前，通常手工设计治疗计划，直接描绘或铅线脱模病人身体轮廓图，再将标准等剂量图叠加到轮廓图上。计划非常依赖于剂量师对射野权重和楔形板的选择。
上世纪70年代以来，随着CT的发展和计算能力的提高，发展了基于CT的计算机治疗计划系统，它能够直接将剂量分布叠加到病人横断解剖图并观看。 整个治疗计划过程包括许多步骤，由射线数据获取、输入到治疗计划系统，再经过病人数据的获取，治疗计划产生，最终将数据传输到治疗机上。 在图形、计算和优化方面，治疗计划系统作了连续的软硬件的改进。系统针对“虚拟病人”，能够以射线方向观视(BEVs)显示照射野并可产生具有任意剂量分布的数字化重建X光片图（DRR）。剂量计算也已经由简单2D模型，经过三维模型发展到三维蒙特卡罗技术，随着计算能力的不断提升，计算速度更快。 基于有经验的专业人员所做的试验和误差逼近的传统正向治疗计划已经被逆向计划取代，逆向计划利用剂量优化技术来满足对靶和危及器官的剂量要求。通过使用基于CT、核磁共振影像或其他数字成像技术的剂量体积直方图DVH，使
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得剂量优化成为可能。这些优化的计划利用强度调制的放射治疗（IMRT）给予靶体积需要的剂量，同时约束危及器官的剂量。
计算机治疗计划系统是一种迅速发展的治疗模式，但却对软件和硬件有严重依赖性。所以必须由相关专家建立可实施的质量保证程序，该程序应反映TPS在临床的使用情况，同时应包括充分的内容以保证治疗的正确实施过程。 11.2 系统硬件
11.2.1 治疗计划系统的硬件
TPS基本硬件包括CPU、图形显示、内存、数字化设备、输入输出装置、存储和网络通讯装置。由于硬件性能更新很快，通常应使用最先进的设备同时考虑到以后的升级。
CPU至少在内存和处理速度上要达到操作系统和治疗计划软件的要求，特别应考虑系统速度、随机访问数据存储器、可用内存和网络能力等的规格。 图形显示器一般要满足病人横断解剖图按照1：1比例显示，典型的尺寸是17-21英寸(43-53cm)或以上，分辨率至少要亚毫米级别以避免失真。可用视频卡和其他硬件装置来加强图形的显示速度。
存储和存档功能可通过可移动式媒体或网络来实现，可移动式媒体包括软盘、可写硬盘、光盘或数位视频磁碟DVD，也可能包括数字音频磁带(DAT)，然而，有报道指出这些装置的长期稳定性不好。也可以通过网络在远程计算机或服务器上存储，这些存储操作可以在闲时自动执行；存档操作包括射野数据和参数、CT图与剂量分布等与病人相关数据、传输到配备记录验证系统的直线加速器的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。典型的情况是背后有照明的写字板，用磁性或声学式触针来跟踪形状。无论卧式还是立式的扫描仪都可用于将纸或X光片等硬拷贝转成数字图像。视频画面截取工具也可用于图像的数字化。
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输出装置包括输出文本或图形的彩色激光打印机或绘图机，它们可以网络共享。硬拷贝输出可以是纸质的或通过激光照相技术产生的胶片。
建议为CPU、数据服务器和其他重要设备如用作存储和存档的设备配置不间断电源UPS。在一般电力供应出现故障时UPS能提供后备电源并保证计算机能正常关机，它还能作为稳压器使用。
通信硬件包括本地工作站的调制解调器、以太网卡和连接不同外围设备和工作站的多路集线器。大的网络需要至少100MB/S的快速交换机来传送图像文件，无论网络大小，根据速度要求，物理连接可以选用同轴电缆、光缆或双绞线。 TPS的硬件运行环境要符合温度和湿度的要求。所以在科室中与TPS相关的仪器的摆放位置很重要。 11.2.2 治疗计划系统的配置
简单的TPS配置可以是一个单机系统，一个CPU即可满足处理各项功能和通信的要求。在这种配置下，用户数可能会少一些，一般不共享用于存储和打印的外围设备的权限。对网络的要求也有限制，然而即便是这种单机配置的治疗计划系统现在也例行要求用网络交换机来与数字影像装置如CT机进行通讯。 大的系统通常运转在整个医院网络上，也可能基于英特网的通信系统。很多大型治疗计划系统操作和接入的装置将不会直接联接，而必须通过许多使用通信协议（如传输控制协议/网际协议TCP/IP ）的网络转接来进入。这些大系统也可能有一个用于病人数据、数字影像、射野数据、剂量计算等文件处理任务的远程服务器。有很多用户和远程工作站的大型区域TPS配置可能要求有网络管理员处理安全维护、用户权限、网络、备份、存档等任务。 11.3系统软件和计算算法
剂量计算算法是计算机治疗计划系统软件最关键部分。该模块要能正确地表述病人体内的剂量分布，还可以计算射野照射时间或剂量监测器跳数（MU）。
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剂量计算由简单二维模型、到部分三维的点核（point kernel）方法，再发展到可将感兴趣体积内所有原射线和散射的影响都考虑的全三维模型。 11.3.1. 计算算法
治疗计划系统有很多剂量计算算法，由于计算能力的快速发展，这些技术的实现也处于持续不断的进步中。有关治疗计划系统剂量算法的详细内容可以在文献中找到，本章的参考书目中收录了小部分。
在理解深奥的治疗计划系统运算算法前，有必要适当了解手工剂量计算方法，有很多文件充分讨论了这些方法，包括 Johns、Cunningham、Khan、Hendee和Ibbot等。
ICRU42号报告里列出了按年代顺序发展的光子和电子剂量计算算法，它提供了计算光子线中心轴百分深度量和剂量分布曲线图的典型例子，也提供了电子束计算的典型例子，包括计算中心轴深度剂量的经验和半经验方法，以及计算剂量分布曲线图的经验方法。
早期的TPS通过一系列方形射野在水中的2D射野数据来计算剂量分布，这些数据包括中心轴百分深度剂量和几个深度的OAR。
为了加快计算，中心轴数据被转换和存储为延伸到无限远处的PPD数据，同时剂量分布曲线图按由源点发出的扇形线与表面深度的交点来存储。这种方式下，通过查找表格，将数据快速叠加到病人的外部轮廓上产生剂量分布。这种类型的计算算法可用于光子束和电子束治疗计划，能快速进行剂量计算。然而，通常它不能真正再现病人3-D散射情况。
在CT广泛使用于治疗计划以前，可根据传统模拟机得到的治疗射野的BEV胶片计算不规则射野的放射剂量。。采用中心轴和离轴的剂量数据集，使用0野的TAR和计算深度的散射空气比（scatter-air rate，SAR），将射野的原射线与散射线组份分开，通过Clarkson积分法计算不规则射野内感兴趣点的剂量。
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现在射野计算算法是将放射线分解成原射线和次级射线（散射线），再分别进行处理。在这种方法中，由于射野形状、强度、病人几何位置和组织不均匀性等变化而导致的散射线的改变在剂量分布计算中都被考虑到了。
有一种这类模型，使用卷积的方式，将模体中任意点的剂量表述为原射线和散射线的相加。这类模型使用迭代superposition的原理，充分考虑由于病人或射野几何引起的原射线通量的改变和局部散射对能谱离散分布的改变。对非发散源和均匀体模这类特殊的条件，卷积积分可用于简化并加速这些计算。
蒙特卡罗或随机取样技术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反应，以此计算剂量分布。
蒙特卡罗技术能通过考虑个体直线加速器的几何结构、射野成形装置（如挡板、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，他们允许考虑大量的病人复杂治疗条件。为了得到可接受的统计结果，蒙特卡罗技术要求模拟大量粒子的历史，随着计算能力的提高，可将计算时间缩短到可接受水平，几分钟就可以计算一个治疗计划，该方法正逐步应用于日常治疗计划中。
笔形束算法通常用于电子束剂量计算。这种技术中，将某一点能谱离散分布或剂量内核在体模内沿直线相加获得笔状射野或剂量分布。通过整合患者表面的笔形束并顾及笔形束初级强度的改变，以及修正笔形束形状随深度和组织密度的变化，可以获取辐射剂量的分布。
如Cunningham指出，治疗计划算法不断发展，从解析法、矩阵法、半经验公式发展到3-D积分方法。
由Sterling发展的分析模型法，通过两个表达式的乘积计算剂量，一个表达式模拟PDD，另一个模拟射野的离轴成份。这个模型已扩展到可考虑射野的屏蔽和楔形板的硬化效应。
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