自动化和临床上最佳放疗癌症治疗计划

用辐射进行灭菌癌细胞的癌症治疗是全球性问题。每年，全世界，大约有1800万癌症患者，其中三分之一是用辐射治疗。

放射疗法是使用精心挑选的高能辐射光束来消毒癌症，并且通常与其他类型的治疗一起进行，例如化疗和/或手术。辐射将直接递送到受影响的区域中以杀死癌细胞而不损害周围的健康器官和组织。治疗是复杂的，非常患者特异性;它必须为每位患者唯一量身定制。

纪念Sloan Kettering Cancer Center（MSKCC）开发和应用了先进的优化工具（例如，分层约束优化，凸近似，拉格朗日乘数），以及辐射递送过程的仔细建模，提供更好的规划，更快，更便宜的放疗治疗。在癌症护理中对复杂的，高尺寸约束优化的需求很清楚，因为每个癌症患者在肿瘤的形状和位置的形状和位置是独特的，以及周围健康组织的辐射敏感。

辐射从各种取向递送到患者的身体。每个“强度调制”辐射处理需要定制输送光束的辐射强度图，以杀死癌细胞，而不会对附近的正常器官和组织产生过度危害。寻找这些患者特异性的设置，正确优先考虑不同剂量的疾病，并实现对多个正常组织的预期避免，是一种复杂的和劳动密集型任务，必须在有限的时间内实现。

大多数目前的规划优化方法依赖于放射治疗规划者的经验和技能，以指导这些权衡或寻求根据过去可接受计划的特征创建计划。

该方法

MSKCC将此问题制定为分层约束优化问题，以更好地捕获控制计划内可接受的剂量权衡的潜在临床哲学：某些剂量目标比其他目标更重要。例如，递送足够的肿瘤剂量至口腔癌症可能被认为比避免减少唾液功能更重要。

对于每位患者，通过求解两个大规模连续约束优化问题，优化递送机参数。第一级优化问题可确保足够的辐射剂量给肿瘤;二级优化问题最小化辐射对临界健康器官。使用约束，每个优化问题都严格禁止过量辐射剂量超过组织耐受性的健康器官。由此产生的优化问题很大，并且具有数十万个变量和约束的非凸起。

为了允许快速患者访问并解决临床合理的时间范围内的优化问题，团队利用多个高级优化工具（例如，凸近似，拉格朗日乘数和顺序凸编程），以减少典型的计算时间为1-2小时最大化患者计划质量。

临床实现

纪念Sloan Kettering Cancer Center在临床上实施了这种复杂的优化技术，内部称为回声（加急受限的分层优化）。该技术在临床实施之前验证，具有广泛的回顾性比较研究，比较自动回声计划与经验丰富的规划者产生的手动产生的计划。还进行了广泛的作品来改善剂量测定，确保优化问题解决方案靠近治疗机器递送的剂量分布。

该团队证明了回声计划具有一致的高质量，并且通常提供更好的肿瘤照射，并降低辐射剂量给关键的健康器官，因此预期改善结果。此外，回声导致临床工作流程改善，模拟和治疗之间的较短时间（从5天至4天）。

超过3,000名患者迄今受益于回声放射治疗治疗。MSKCC及其患者的益处包括：1）流线型和更有效的工作流程（例如，增加容量）;2）减少规划努力;3）改进的计划质量;4）更大的规划一致;5）加急治疗众多患者严重疼痛和迫切需要治疗。回声系统在临床上被委托，用于几种疾病部位（前列腺，肺，脱侧，寡头和颈部），并将在未来两年内扩展到​​MSKCC的所有放射治疗治疗计划。

回声系统最终将探索以更广泛的方式影响患者护理的方式，最有可能与商业伙伴一起影响，包括资源受限的国家，其中获得高技能放疗规划者非常有限，并且具有成本效益的资源利用是必须的能够满足癌症治疗需求。