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医疗健康领域:精准放射治疗(软件)项目

文章来源: 发布时间: 2018-06-14

  所处阶段:成熟待产业化 

  成果来源:核能安全技术研究所 

  必要性及需求分析: 

  根据2013年世界卫生组织公布的最新数据,全世界每年患癌症人数大幅度增长,2013年检验出的新增癌症患者数已经超过1400万名。这与2008年的患者人数1270万人相比有明显增加。同期,癌症患者的年死亡人数也有所增加,从过去的760/年增加到820/年。世界卫生组织预测到2020年前,全球癌症发病率将增加50%,即每年将新增1500 万癌症患者。 

  恶性肿瘤的治疗模式已从过去“单一的治疗”模式向“以手术、放疗、化疗及免疫治疗等多种治疗手段相互配合的综合治疗”模式转变,且已逐渐被广大临床肿瘤工作者和患者接受并推广,较大地提高了疗效,并减少了并发症的发生。但放疗仍然在恶性肿瘤治疗中居重要地位,据统计,目前大约70%以上的肿瘤患者需要不同程度地接受放射治疗。 

  放射治疗的最理想效果是给予肿瘤细胞根治剂量,而不损伤正常组织。放射治疗一般采用X射线、γ射线、质子、重离子、中子等治疗肿瘤,通过放疗计划系统可以设计出正常组织受照剂量不超标的放疗计划,不同射线的物理特性不同,因此需要对应的放疗计划系统进行放疗计划的设计,使肿瘤放射治疗效果基本达到了放射治疗的理想目标。 

  放疗软件系统是放疗的“神经中枢”,放疗计划系统性能和计算精度直接影响治疗效果,并且不同的放疗设备结构不同,治疗方式有所差别,因此发展自主知识产权的放疗软件系统尤为重要。国产放射治疗软件系统的研发将支撑实现高端放射治疗系统国产化,掌握核心技术,降低治疗费用,真正造福于民。 

  目前,国内放疗市场基本上被国外厂家垄断,而国内尚无高端放疗系统,相关产品在性能和功能上与国外产品差距较大。根据中国疾控中心辐射安全所发布数据,我国每百万人口所占加速器仅美国的十分之一,如果我国要达到中等发达国家水平,则至少要增加两到三倍放疗设备。随着人民生活水平的提高,及目前日益增加的癌症发病率,肿瘤治疗及治愈急需要先进的放疗技术,急需要更多的放疗设备来进行治疗,提高癌症病人的生存质量。 

  目标及主要任务: 

  对精准放射治疗软件系统关键物理与技术进行研究,包括高精度5D自动建模、分区分时耦合剂量计算方法、多目标逆向计划优化方法、基于X成像系统及红外的动态肿瘤实时跟踪技术、基于伴随算法和扰动理论的实时剂量反演方法等,发展一系列先进算法,开发精准放射治疗计划系统、图像引导精准放射治疗系统和剂量引导精准放射治疗系统。预计十三五期间相关系统将成为国内放疗软件行业主导产品,提高国内放疗国产化水平,产生的直接经济效益将高达约数亿元。 

  主要研究任务如下: 

   1)高精度5D自动建模 

  ? 直接耦合CAD工程模型及人体模型的蒙特卡罗建模软件MCAM,可以精确建立加速器模型 

  ? 基于医学影像自动建立精确人体剂量模型(三维几何(解剖结构与形状)、时间信息(呼吸运动、消瘦浮肿)以及物理信息(组织密度、元素成分)) 

  1.   分区分时耦合剂量计算方法 

  ? 蒙特卡罗有限笔形束剂量计算方法(MCFSPB):基于蒙特卡罗与非均匀修正,可精确快速求解全空间剂量场 

  ? 混合剂量计算方法(HDC):可以自动分区为解析与蒙卡区域,混合精确求解剂量场 

  2.   多目标逆向计划优化方法 

  逆向计划的关键是优化算法的收敛性,为兼顾优化过程的全局寻优效果和收敛速度问题,提出多次优化耦合方案,即针对实际优化问题的复杂程度,研究优化算法(单目标、多目标)、剂量计算方法(1D2D3DMC)与优化问题复杂性(肿瘤位置、组织不均匀程度、解剖结构复杂程度等)之间的耦合关系,找出针对各类优化问题最佳的耦合方案,而遗传算法和模拟退火算法相结合的混合优化算法能够在保证优化效果的前提下加快优化收敛速度。 

  3.   基于X成像系统及红外的动态肿瘤实时跟踪技术 

  针对动态肿瘤在放射治疗中难以精确定位的难题,本项目充分利用图像处理技术和实时定位技术,基于红外定位原理,建立呼吸运动误差预测模型,提出一种放射治疗动态肿瘤实时跟踪方法,达到快速、精确、无创、受外界环境影响小的临床要求。 

  4.   基于伴随算法和扰动理论的实时剂量反演方法 

  以最终实现病人治疗过程的实时剂量验证为目标,在准确模拟三维辐射场的基础上,依据粒子输运理论和求解方法,采用伴随算法和扰动理论等有关反演手段,研究发展根据体外测量剂量场反演体内剂量场的方法。将反演计算得到的剂量场与三维计划系统计算得到剂量分布进行比较,可得出病人实际照射的误差,根据误差大小对病人的治疗计划或治疗方案进行修正,从而完成剂量验证的目的。 

  针对临床需求,把核心技术转化成能够解决临床问题的实用化产品,主要产品如下: 

  1.   精准放射治疗计划系统 

  a)   支持光电子放疗、质子放疗、中子放疗等多种放疗方式; 

  b)   具有导入、勾画、配准融合、计划设计、计划比较、导出等功能。 

  2.   图像引导精准放射治疗系统 

  a)   支持双正交X射线二维影像的三维重建; 

  b)   支持三维影像弹性配准; 

  c)   支持红外定位跟踪。 

  3.   剂量引导精准放射治疗系统 

  a)   支持计划重优化功能。 

  现有工作基础: 

  中国科学院核能安全技术研究所·FDS团队历经10余年长期科研攻关,对精准放射治疗关键物理与技术进行深入系统研究,突破多维人体自动精准建模、快速精准剂量计算、逆向计划优化、患者智能摆位以及实时剂量反演与验证等一系列核心关键技术,开发了具有自主知识产权的精准放射治疗系统ARTS。该系统集调强放射治疗、图像引导放射治疗及剂量引导放射治疗于一体;同时发展了具有中国人解剖学特征的数字人模型及仿真人体实物模体,并开展了临床辐照实验研究。在以国家“973”计划和中央级科研事业单位修购专项等为代表的一系列项目的支持和资助下,取得了一系列重大的研究成果,先后获安徽省科学技术一等奖;在相关刊物上累计发表学术论文100余篇,申请20余项国家发明专利,完成博士/硕士学位论文40多篇;经安徽省科技厅批准,成立了安徽省精确放疗工程技术研究中心;已与中科院上海应用物理研究所签署了《质子治疗计划系统研发》项目合作协议,正式启动首套国产质子放射治疗计划系统(TPS)研发。 

  预期经济和社会效益: 

  目前国内大部分三甲医院都有放疗设备及对应的软件系统,但是随着放疗技术的不断更新,放疗系统也需要不断的更新换代,因此三甲医院对先进放疗计划系统的需求仍是旺盛。由于国外系统价格昂贵等原因,目前主要在三甲医院中引进使用。据不完全统计飞利浦的pinnacle系统在约300家医院使用,医科达公司的产品XIO系统在约200家医院使用,瓦里安的Eclipse系统在约100家医院使用,国外计划系统的价格都在百万量级左右。 

  而除三甲医院外的医院,放疗设备并不健全,有的是有硬件,没有放疗软件系统,有的是国内常规放疗计划软件产品比如拓能的维纳斯、川大奇林产品。但是随着对放疗精度的要求,急需要放疗软件系统,因此这些医院成为放疗软件系统的主要需求者。 

  截止目前,我国公立医院9684家,民营医院8437家,其中三甲医院1475家,解放军医院255家,武警医院82家,其他医院16309家。二甲及以下医院中约10000家医院缺乏放射治疗计划系统,按照每家医院采购3套系统,每套系统100万元计算,当前市场需求约300亿元。而中国人口基数大,目前人均医院放射治疗计划系统远远没有达到世界平均水平,如果要达到世界平均水平,将至少再新增2~3万家医院。预计510年内,市场需求总量将达到800亿。按照1%的市场份额进行最低限度预估,进入市场3年内利润将达到数亿元。 

  目前,国内质子重离子放疗也在如火如荼的建立,已经建成质子重离子医院2家,已获批建立和在建的医院有13家,而国内正在评估建立的单位据不完全统计有十余家。因此未来5~10年内,质子重离子放疗软件系统也将是一大卖点。 

  实施方式/模式: 

  为了更好的加快推进精准放疗产业化,可以通过联合公司或者融资的方式进行产业化推广,产品通过商业化渠道销售到医院,同时提供软件升级、培训等服务。另外,也可以通过投资管理点的方式建立放疗中心,增加我国接受放疗人数,提高人们医疗水平。 

  附件:图片 

   

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