与传统的光子治疗相比较,质子束在穿越物质损失能量的过程中,能量的损失率会在其射程的末端形成一个峰,称为布拉格峰,峰值后面剂量迅速跌落为零。基于质子束这一物理优势,将质子束的布拉格峰展宽置于肿瘤的病灶处,则肿瘤会接收到最大剂量的照射,而正常组织受到较小剂量的照射。目前,笔形束扫描技术是展宽质子布拉格峰主流的方法,这一技术称为质子调强治疗(Intensity Modulated Proton therapy IMPT)。临床研究表明,IMPT在治疗早期非小细胞肺癌中具有确定的疗效,质子放疗可以更好地保护周围的正常组织。因而,肺癌的质子调强治疗具有明显的剂量学优势。虽然,IMPT具有明显的剂量学优势,要在临床中充分发挥它应有的优势,必须解决以下几个不确定性问题:(1)患者摆位不确定性;(2)CT值和质子阻止本领变换近似处理导致的射程不确定性;(3)肿瘤随呼吸运动导致的剂量投放的不确定性;(4)质子RBE效应的不确定性。这些不确定性问题,影响着质子调强计划方案的实施,处理不好会导致患者实际照射剂量与计划剂量有较大差异。针对这几个方面的问题,作者博士研究生期间,通过理论和临床实践紧密结合,展开研究取得了一定的研究成果,主要研究内容包括:(1)为了应对射程不确定性及摆位不确定性,本论文定量比较肺癌IMPT计划中,采用内靶区(Internal Targaet volume ITV)鲁棒性计划方案和常规PTV计划方案的剂量学差异。为了客观的描述这种差异,本论文定义了计划的鲁棒性评价指标。研究结果表明,与基于PTV的计划相比,基于ITV的鲁棒性计划具有计划质量高,误差稳定性好的优点,为临床实践中推荐使用ITV的概念设计IMPT计划提供了依据。另外,为了提升基于ITV鲁棒性计划的效率,基于质子IMPT和光子立体定向体部放射治疗(Stereotactic body radiotherapy SBRT)剂量学的陡峭性相似特征,论文开发了质子调强自动鲁棒性计划方法。研究结果表明,开发的质子自动鲁棒性计划方案可提高靶区梯度,降低正常器官双肺的照射剂量,计划时间提高了50%左右,为临床肺癌鲁棒性计划的设计提供了另外一种计划方案。(2)为了应对肿瘤随呼吸运动的不确定度,论文采用肺癌数据和商业的质子计划系统及治疗系统模拟软件,定义了定量评估interplay效应的指标,基于该指标。评估了患者IMPT计划的interplay效应以及缓解interplay效应最佳效果的等能量层重复扫描(iso-energy layer repainting,简称layer repainting)次数。发现了基于4DCT图像定量评估肿瘤运动的方法。研究结果表明,interplay效应导致靶区内剂量恶化,layer repainting方法可以缓解interplay效应,结合患者自身特征选择最佳的layer repainting次数。(3)为了应对RBE效应不确定性,论文采用肺癌数据,提出了增加计划射野的方法。基于可变RBE模型及LET模型,同时定量评估了靶区及危及器官剂量学指标、LET指标和鲁棒性指标随射野数目的变化趋势。研究结果表明,危及器官的最大LET值随射野数目增加而减小,计划鲁棒性随射野增加而增强。总之,临床肺癌治疗时,为了应对不确定性问题给计划带来的影响:首先,对所有患者进行4DCT的扫描,采用形变矢量长度(Deformation Vector lengths DVLs)公式定量计算肿瘤运动的最大幅度;其次,当肿瘤运动幅度小于某个阈值(例如5 mm)时,为了应对摆位和射程的不确定度,采用基于ITV的概念设计质子鲁棒性计划;另外,当运动幅度大于阈值时,需要基于4DCT设计基于CTV概念的鲁棒性质子计划,并采用定量interplay评价指标计算由于肿瘤运动导致的剂量变化,为临床选择等能量重复扫描照射方案提供依据;再者,当靶区附近存在脊髓,心脏等危及器官时,需评估计划在可变RBE模型下的剂量分布以及LET值分布,并探索多射野方式对RBE剂量分布和LET分布的影响,为此类肺癌IMPT计划是否选择多野照射提供临床依据;最后,对于确定的计划,临床如需要选择等能量层的重复扫描,可通过interplay评价指标选择最佳的等能量层重复扫描次数。整个计划过程中,可采用开发的自动质子鲁棒性计划方法提高计划效率和计划质量。