放疗计算系统的历史

一、放疗计算系统的历史

放疗计划的剂量计算已有40年历史。Tsien首次将计算技术用于放疗。他使用打孔卡片来贮存数字化的等剂量曲线，以便多个照射野的剂量分布能够总和。每一射野计算大约500点剂量分布，费时10～15分钟，此方法比用描绘纸和划线板要快一些，上世纪60年代后期开始采用治疗计划系统，当时的治疗计划系统有以下几种特性。

(1)将放疗照射野的贮存信息用于临床;(2)允许将描绘患者信息的资料进入系统;(3)设计出照射野的角度及射野轮廓;(4)计算剂量分布;(5)显示剂量分布。

这些特性在早期治疗计划系统中还不成熟。早期的剂量计算方法也很简单。早期商用治疗计划依赖于专门的硬件，使用的硬件专供放疗使用。随后普通计算机可用于制订治疗计划。今天，所有的治疗计划系统使用的都是普通计算机。普通计算机的发展使得制订计划的硬件更经济、更新，同时软件的开发也很快。

计算机技术促进了放疗计划系统的发展，计算速度较快的计算机使更先进的计算剂量的方法在临床上得以应用。随着CT的出现，三维放疗计划(RTP)和更复杂的剂量计算开始发展了。3－D RTP要求更精确的剂量计算。CT及3－D RTP允许更复杂的照射野安排。反过来要求更高级的剂量计算，但必须权衡精确性和剂量计算速度的关系。

重要的是剂量计算方法和计算机硬件要匹配，如果剂量计算快速却不精确，没有任何益处。快速但相对不精确的剂量计算有用。重要是保持软件的精确性和计算速度的均衡。

患者和剂量分布的描述:在计划系统中，患者的描述有多种多样的方式。手工计算剂量将患者作为一块组织，患者体表面垂直于特定源皮距射线束。当照射野为矩形;病灶中心在射野中心轴上;入射线垂直于患者体表面;皮肤轮廓接近于射野大小;射野在相对同质区时。在这些情况下，该患者的描述是高度精确的。在RTP系统中，最简单的患者描述是一条或几条皮肤的轮廓线。获得轮廓线有多种方式或通过焊锡线表面轮廓或通过CT。两维或三维皮肤轮廓进入或数字化后进入计划系统。这些程序将患者作为同质组织进行描述，也允许表面纠正。患者异质性可采用诸如像表面描绘一样的封闭轮廓进行描绘。按照指定的组织密度将异质的组织具体地勾画出。在CT影像上，肺、骨、气腔能半自动地勾画出，指定区域的电子密度能从CT值上推断出。这种方法存在的问题是像骨、肺这些组织本身并不是同质的，骨和肺密度大约有50%不同。

最精确描述是3－D逐点或按照像素描述患者。治疗区的一系列CT影像构成了最精确的、可用于剂量计算的患者描述。这是因为CT值和电子密度是几乎一对一的关系。对于每台CT应该确定电子密度和CT值的对应关系。通过不断地校准，要确保这种关系。采用电子密度描述的剂量算法之所以很容易使用，是由于并不需要异质性的轮廓。只有在用对照剂在膀胱或脑肿瘤产生的与骨相似的CT值时才例外。对照剂通常用在帮助组织分割。CT扫描的空间不可靠性不超过2%。这种不确定性导致剂量不确定性小于10%。MRI信息不涉及电子密度。MRI影像成像过程中易形成伪影，因此MRI不可能取代电子密度信息用于剂量计算。CT在放疗中仍然是主要影像方式，在许多情况下，由于MRI能提供很好组织对照，MRI作为CT辅助手段应用将越来越多。

CT像素的分辨力和剂量计算的空间点应该匹配。CT容量通常由10～100幅影像组成，分辨力为512×512，在横向像素小于1mm，纵向小于20mm。影像储存量为5～50MB，光子束剂量计算笛卡尔格子点的空间范围为每边2～10mm。CT层厚常作为剂量格子的像素大小。光子束剂量计算的剂量格子空间大小为128×128×CT层数，因此和用于描述剂量计算的格子相比，CT像素有很好的分辨力。为了节省影像处理的时间，全部CT影像要立刻存贮。如果适当地降低CT影像分辨力256×256，这样横、纵向分辨匹配好，对剂量计算的影响较小。如果分辨力降至256×256以下，则丢失的影像信息太多。