| 齐妙,刘君怡,李仕军,等.基于共轭梯度法的调强近距离放射治疗计划优化方法的研究[J].中华放射医学与防护杂志,2025,45(1):56-62.Qi Miao,Liu Junyi,Li Shijun,et al.Treatment plan optimization for intensity-modulated brachytherapy based on the conjugate gradient algorithm[J].Chin J Radiol Med Prot,2025,45(1):56-62 |
| 基于共轭梯度法的调强近距离放射治疗计划优化方法的研究 |
| Treatment plan optimization for intensity-modulated brachytherapy based on the conjugate gradient algorithm |
| 投稿时间：2024-01-03 |
| DOI：10.3760/cma.j.cn112271-20240103-00004 |
| 中文关键词: 调强近距离放射治疗 治疗计划优化 共轭梯度法 |
| 英文关键词:Intensity-modulated brachytherapy Treatment plan optimization Conjugate gradient method |
| 基金项目:国家自然科学基金(12275372);安徽省重点研究与开发计划项目(2023s07020020);中国科学技术大学双一流医学物理与生物医学工程交叉学科平台(YD2140000601) |
| 作者 | 单位 | E-mail | | 齐妙 | 中国科学技术大学核科学技术学院, 合肥 230001 | | | 刘君怡 | 中国科学技术大学核科学技术学院, 合肥 230001 | | | 李仕军 | 中国科学技术大学核科学技术学院, 合肥 230001 | | | 常艳奎 | 中国科学技术大学核科学技术学院, 合肥 230001 | | | 周解平 | 中国科学技术大学附属第一医院放疗科, 合肥 230001 | | | 闫冰 | 中国科学技术大学附属第一医院放疗科, 合肥 230001 | | | 程勇 | 中国科学技术大学附属第一医院放疗科, 合肥 230001 | | | 吴爱东 | 中国科学技术大学附属第一医院放疗科, 合肥 230001 | | | 裴曦 | 安徽慧软科技有限公司, 合肥 230026 | | | 徐榭 | 中国科学技术大学核科学技术学院, 合肥 230001
中国科学技术大学附属第一医院放疗科, 合肥 230001 | xgxu@ustc.edu.cn |
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| 中文摘要: |
| 目的 探索共轭梯度法(CG)在调强近距离放疗(IMBT)的治疗计划优化中的应用。方法 使用通用蒙特卡罗软件TOPAS进行调强192Ir源的建模,并计算得到单位剂量贡献矩阵,构建基于加权最小二乘法的目标函数,采用CG算法对其进行求解,从而实现IMBT计划优化。通过5例临床宫颈癌病例进行60°射束展宽的IMBT计划优化验证CG方法的优化效果。采用相关样本Wilcoxon检验进行组间比较,对比45°、60°、90°、120°及180°展宽下的IMBT剂量分布,给出临床宫颈癌IMBT的最优方案。结果 使用CG方法完成了5例60°射束展宽的IMBT计划优化,平均用时22.2 s。在保证靶区剂量覆盖的前提下,IMBT计划的膀胱和直肠的平均D2 cm3分别为3.66和1.97 Gy,相较于传统近距离计划分别降低0.54和0.69 Gy。5种类型射束展宽的IMBT计划靶区D90%均达到6 Gy且差异无统计学意义(P > 0.05),且膀胱平均D2 cm3均低于传统近距离计划(P ＜ 0.05),其中60°射束展宽效果最佳,降低了0.61 Gy。45°、60°和90°射束展宽下的直肠平均D2 cm3相较于传统近距离计划分别降低了0.63、0.54和0.45 Gy,差异具有统计学意义(P ＜ 0.05)。结论 CG方法能够快速优化出符合临床要求的IMBT计划,且60°射束展宽能够达到较好的优化效果,对未来IMBT在临床中的实现具有一定的指导意义。 |
| 英文摘要: |
| Objective To investigate the application of the conjugate gradient (CG) algorithm to treatment plan optimization for intensity-modulated brachytherapy (IMBT). Methods The general Monte Carlo software TOPAS was utilized to simulate the 192Ir source of IMBT, and the unit dose contribution matrix was calculated. An objective function was established using the weighted least squares method and was solved using the CG algorithm to achieve optimized IMBT treatment plans. The optimization was validated using five clinical cervical cancer cases under modulation width 60°. The dose distributions of IMBT treatment plans under 45°, 60°, 90°, 120°, and 180° modulation widths were compared using the Wilcoxon test to determine the optimal IMBT treatment plan for cervical cancer treatment. Results The CG algorithm successfully optimized IMBT treatment plans under modulation width 60° for five cases within 22.2 s on average. On the premise of sufficient target dose coverage, the average D2 cm3 values of the bladder and rectum in IMBT treatment plans were 3.66 and 1.97 Gy, respectively, representing reductions of 0.54 and 0.69 Gy compared to traditional brachytherapy plans. For the five modulation widths, the D90% values of all IMBT treatment plans reached 6 Gy, without statistically significant differences (P > 0.05). The average D2 cm3 values of the bladder in IMBT treatment plans were significantly lower than those in the traditional brachytherapy plans(P ＜ 0.05), with modulation width 60° associated with the greatest reduction of 0.61 Gy. In contrast, the average D2 cm3 values of the rectum under 45°, 60°, and 90° modulation widths decreased by 0.63, 0.54, and 0.45 Gy, respectively, compared to traditional plans, with statistically significant differences(P ＜ 0.05). Conclusions The CG method enables rapid achievement of optimized IMBT treatment plans that meet clinical requirements, and modulation width 60° contributes to valid dosimetric optimization. This study can serve as a guide for the clinical implementation of IMBT. |
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