子野权重优化对CMS XiO宫颈癌调强计划的影响

目的:本文分析了CMS治疗计划系统XiO在制定调强放射治疗(IMRT)计划时,子野权重优化对治疗计划结果的影响。方法:本文选取10例宫颈癌全程放射治疗病例,制定影像引导下(IGRT)的调强放射治疗计划,首先直接用静态调强(Step&Shoot)方式进行优化一步生成调强放射治疗计划(S-IMRT),之后继续进行子野权重优化(Segment weight op-timization,SWO)并生成新的治疗计划(SWO-IMRT),比较子野权重优化前后总子野数、总跳数,同时分析比较正常组织受照剂量的变化。结果:结果显示,经过子野权重优化后,总的子野数显著减少,减少约26%~31%(p<0.0001);总的机器跳数有所降低,减少约5.1%~9.7%(p<0.0001),同时,直肠、膀胱和小肠的剂量也有所降低。结论:在使用CMS治疗计划系统XiO进行宫颈癌全程调强放射治疗计划设计过程中,充分利用子野权重优化方式,可以减少总的机器跳数,降低正常组织剂量,缩短治疗时间,这既降低正常组织的毒性反应,也为肿瘤剂量的提高提供了可能。在其他病种的调强放射治疗计划设计中,子野权重优化也可以发挥重要的作用。     

局部提量方法在宫颈癌静态调强放疗中的剂量学分析

目的:通过比较采用局部提量方法前后宫颈癌静态调强放疗计划的剂量学参数,评估局部提量方法用于设计宫颈癌静态调强放疗计划的可行性。方法:选取10例接受宫颈癌调强放疗患者,基于CMS XiO 4.80计划系统,以4 500 cGy处方剂量分别对同一患者设计采用局部提量方法前后的两种放疗计划,比较两种计划的剂量学参数、机器跳数、治疗时间和二维剂量验证通过率。结果:两种计划均满足计划靶区(PTV)剂量要求,所得PTV的D2%、Dmean、D98%无明显差异(P0.05);采用局部提量方法所得PTV的靶区覆盖率、适形度指数(CI)、均匀性指数(HI)更优(P0.05);两种计划都能较好地保护危及器官。采用局部提量方法后,危及器官剂量体积均略有增大,除小肠、直肠、膀胱V45和两侧股骨头V40差异具有统计学意义外(P0.05),其它参数无明显差异(P0.05);正常组织受照剂量除V15未见明显差异外(P0.05),采用局部提量方法后,其它参数均略有增大;两种计划机器跳数和治疗时间差异具有统计学意义(P0.05),二维剂量验证通过率无明显差异(P0.05)。结论:局部提量方法有利于优化PTV的靶区覆盖率、CI、HI,对其它参数的改变在可接受范围内,建议在设计宫颈癌静态调强放疗计划时采用该方法。     

双侧乳腺癌同步放疗设计中多射野中心及固定钨门技术的应用

目的:拟利用双射野中心及固定钨门限定射野范围方式分别设计双侧乳腺癌的容积弧形旋转调强及三维静态调强放疗计划,并对两者放射治疗计划的结果进行评价,分析此放疗技术在临床治疗的可行性。方法:选取8例确诊且进行放疗的双侧乳腺癌患者进行回顾性研究。利用Ray Station v4.5系统,基于Trilogy加速器参数分别设计两种固定射野的调强计划:双射野中心容积旋转调强(D-VMAT)、双射野中心三维静态调强(D-sIMRT)。肿瘤计划靶区(PTV)处方剂量为5 000 cGy/25 f,要求双侧乳腺靶区PTV-L、PTV-R均至少95%以上的靶区体积达到处方剂量,利用剂量体积直方图及计划系统的Clincal goal工具比较两者剂量分布、靶区剂量的均匀性及适形性和心脏、双肺、肝脏、脊髓等重要危及器官的剂量差异。结果:两种双中心固定射野的调强计划均可以满足双侧乳腺肿瘤靶区的处方剂量,同时重要器官的剂量满足临床放疗医师限定标准。D-VMAT计划在剂量均匀性指数(HI)及靶区适形度指数(CI)方面均优于D-s IMRT计划(P0.05)。两者在心脏V_(20)、肝脏V_5和D_(mean)以及脊髓D_(max)保护上并无明显差异。D-s IMRT与D-VMAT计划在全肺的剂量上相比较,后者可以显著降低全肺区域的剂量受量,V5(47.9%±4.6%vs 42.2%±3.9%, P=0.001)、V20(22.9%±6.7%vs 17.5%±4.3%, P=0.021)、V_(30)(15.7%±5.8%vs 11.7%±3.6%, P=0.031)、D_(mean)[(1 222.5±246.7)cGy vs(1 009.5±161.3)cGy, P=0.009],且能更好降低心脏的平均剂量(P0.05);机器跳数MU为(1 177±311 vs 908±130, P=0.036)。结论:双射野中心及限定射野钨门技术的调强计划均可以满足双侧乳腺癌的临床放疗实施,同时D-VMAT计划可给予靶区更好的剂量均匀性及适形性,降低心脏和肺放疗损伤剂量以及提高治疗效率。     

食管癌IMRT计划设计降低子野数及MU数方法研究

目的:研究降低食管癌调强计划子野数及MU数的可行性方法。方法:(1)射野方向:IMRT计划由物理师按照经验非均匀共面布野。(2)优化强度级数:分别设计为12、10、8、6优化强度级数。(3)围绕PTV连续定义六个和PTV同心的空心环并限制每个环剂量的计划(4)直接子野优化方法:使用DMPO模式设计,该模式允许预先设定最多子野数。结果:(1)选择的共面非均匀布野与均匀布野调强计划相比,肿瘤靶区的适形度、均匀性较好,总子野数和MU数无差异。(2)优化强度级数为12、10和8的计划质量基本相当,都满足食管癌临床要求,但优化强度级数为8的计划总子野数减少17%,MU数基本不变。(3)设定同心环并限制每个环剂量的计划,肿瘤受照剂量的适形度和正常组织受量均明显好于没有设定椭圆环的调强计划,同时该计划总子野数减少23%、总MU数减少9%。(4)与两步法调强计划相比,DMPO模式PTV的适形度更好,总子野数比原计划减少37%,总MU数减少16%。结论:通过优化强度级数选择、定义治疗靶区同心空心环、直接子野优化等方法,在不改变甚至提高原计划质量的前提下,可以减少食管癌IMRT计划总子野数和MU数。     

鼻咽癌调强放疗和常规放疗的颞叶剂量学比较

目的：利用三维治疗系统分析鼻咽癌调强放疗计划和常规放疗计划中颞叶和肿瘤靶区的剂量分布,比较调强放疗和常规放疗计划中颞叶剂量的差别。方法：选择20例鼻咽癌（T1～2期）患者,采用三维治疗计划系统对每例患者制定调强放疗和常规放疗计划。分别计算颞叶平均剂量、D1%V60和靶区的平均剂量、靶区覆盖率V95%、不均匀指数,比较调强放疗计划和常规放疗计划中的颞叶剂量的差别。结果：1．调强放疗计划和常规放疗计划中颞叶的平均剂量分别是：21．33±1．63和36．79±1．79（P=0．000）;D1％：56．95±1．55和67．65±1．15（P=0．000）;V60：0．20±0．22和8．33±0．59（P=0．000）。2．PTVlnx,PTVlnd,PTV2和PTV3的平均剂量分别是：66．23±0．87,66．29±1．56,59．42±2．54,54．04±3．81。3．PTVlnx,PTVlnd,PTV2和PTV3的剂量不均匀指数分别是：1．04±0．03,1．08±0．05、1．18±0．06和1．28±0．09。4．PTVlnx,PTVlnd,PTV2和PTV3的靶区覆盖率V95%均大于99％。结论：调强放疗能够在颞叶和靶区形成比较理想的剂量分布。调强放疗显著降低了颞叶受量,并能提高靶区的剂量。     

直肠癌术前不同照射技术剂量学比较

目的:通过比较常规放疗(Con-RT)、三维适形放疗(3DCRT)和调强放疗(IMRT)3种放疗计划模式的剂量分布,探讨直肠癌术前放疗的理想计划模式。方法:选取10例直肠癌术前患者,采用三维治疗计划系统对每例患者分别行3野Con-RT、3野三维适形(3DCRT3)、5野三维适形(3DCRT5)、5野调强放疗(IMRT5)和7野调强放疗(IMRT7)计划设计,利用剂量体积直方图(DVH)评价5种照射技术下靶区和危及器官的体积剂量分布,处方剂量为50 Gy。结果:Con-RT计划中肿瘤靶区(GTV)的最小剂量为(4991.5±69.1)c Gy,靶区内有冷点。计划靶区(PTV)的适形指数(CI):IMRT7IMRT53DCRTCon-RT;PTV的剂量不均匀指数(HI):Con-RT3DCRT33DCRT5IMRT5IMRT7。相比3DCRT计划,IMRT计划减少了小肠、膀胱、股骨头的V40、V50体积(P0.05)。结论:直肠癌术前放疗中Con-RT计划的靶区剂量分布不均,适形度差;相比于3DCRT计划,IMRT计划剂量分布均匀,适形度优,危及器官高剂量照射体积明显减少;在剂量分布和适形度方面,IMRT7计划优于IMRT5计划。     

螺旋断层放疗在胸中下段食管癌治疗中对心脏功能保护的研究

【摘要】目的:对比胸中下段食管癌螺旋断层放疗和适形调强放疗心脏的剂量分布,分析螺旋断层放疗前后的心肌酶谱,评估螺旋断层放疗在食管癌治疗中对心脏功能的保护作用。方法:筛选37例胸中下段食管鳞癌患者,为每位患者制定适形调强放疗和螺旋断层放疗计划,比较两种放疗方式的计划靶区（PTV）、心脏的剂量学参数。同时在螺旋断层放疗前一周及一周后进行心肌酶谱检查,并对放疗心肌酶谱进行对比分析。结果:螺旋断层放疗的PTV与心脏最大剂量,心脏V20、V30、V40、V50、V60均明显低于适形调强放疗,差异有统计学意义（P<0.05）;两种放疗方式的PTV适形度指数差异有统计学意义（P<0.05）,而PTV均匀性指数、TOMO前后心肌酶谱差异无统计学意义（P>0.05）。结论:螺旋断层放疗在靶区剂量分布优于适形调强放疗的条件下,能显著降低心脏的最大剂量,并且引起的早期心肌损伤不明显,对心脏起到更好的保护作用。     

铅门跟随技术与铅门固定技术在乳腺癌根治术后调强放疗中的剂量学比较

目的:研究比较铅门跟随技术(JTT)与铅门固定技术(SJT)在乳腺癌根治术后调强放疗中的剂量学差异。方法:在Eclipse TPS(11.0)上采用AAA算法对40例乳腺癌根治术后患者(含锁骨上区,左侧20例、右侧20例)分别采用两种治疗技术设计放疗计划。在95%体积的计划靶区(PTV)满足处方剂量的前提下,尽量降低危及器官的剂量。比较两组治疗计划的剂量—体积直方图及机器总跳数,评估靶区及危及器官的剂量分布。分别将两组治疗计划用Portal Dosimtry进行剂量验证。结果:两组计划的靶区剂量分布均达到临床处方剂量的要求。PTV最大剂量与平均剂量差异无统计学意义。JTT增加了机器跳数,具有极显著性差异(t=4.18,P0.01);JTT动态调强计划中全身的V_5、V_(10),健侧肺D_(mean),患侧肺、心脏、肝脏的V_5、V_(10)和D_(mean),脊髓的D_(max)和D_(mean)的均低于SJT动态调强计划的相应值,差异有统计学意义(t=-11.8~-3.3,P0.01);患侧肺、心脏、肝脏的V_(20)、V_(30)、V_(40)差异无统计学意义。结论:乳腺癌根治术后放疗患者采用固定射野动态调强放疗JTT与SJT两种技术,其靶区和危及器官受量均能满足临床治疗要求,而JTT能够更好地降低正常组织和危及器官的低剂量照射。     

胸部肿瘤内外照射方式的靶区剂量分布和肺受照剂量

目的:比较插植照射和调强照射两种照射方式在胸部肿瘤靶区内的剂量分布和肺受照剂量。方法:选取18例接受插植放疗的胸部肿瘤病人,分别制作计划靶区(PTV)处方剂量为120 Gy的调强计划和临床靶区(CTV)处方剂量为120Gy的插植计划。计算D_(95)(靶区95%体积的受照剂量)、D_(90)、D_(50)、D_(30)、靶区倍率因子曲线和肺V_(20)、V_(30)。结果:调强放疗和插植放疗计划的肺V_(20)分别为(21.50±16.89)%和(33.73±12.12)%(P0.05),肺V_(30)分别为(14.63±13.29)%和(29.86±12.55)%(P0.05)。调强计划PTV和插植计划CTV的D_(95)无统计学差异(P0.05),D_(90)、D_(50)和D_(30)具有统计学差异(P0.05)。结论:调强放疗的靶区剂量分布比较均匀,而插植照射的靶区剂量分布呈高梯度变化且越靠近靶区中心剂量越高;在内照射三维计划系统中设计内照射计划时,靶区剂量均匀性验收要求应该区别于外照射方式。     

基于图像变形配准的肺癌自适应放疗剂量学研究

目的:应用图像配准技术实现肺癌自适应放疗中剂量的累加,并评价放疗计划中靶区、正常组织和危及器官相应的剂量学改变。方法:选取9例接受自适应调强放射治疗的肺癌患者,这些患者在经过20次分次治疗后,重新采集CT图像,运用变形图像配准技术将2次CT图像进行剂量累加,得到累加剂量以及相关计量学参数,然后比较自适应放疗及常规的调强放射的剂量学差异。结果:经自适应放疗,大体肿瘤体积(GTV)体积相对于放疗前平均缩小53.2%,靶区肿瘤受照剂量相对于常规调强放疗计划平均提高0.41 Gy;肺组织V_(20)、V_(30)分别平均降低2.17%、3.32%;心脏V_(30)平均降低1.14%,V_(40)降低2.98%;脊髓最大受照剂量降低1.21 Gy。结论:肺癌放疗过程中,自适应放疗相对于常规调强放疗能提高靶区受照剂量,有效减少周围正常组织剂量,降低放疗副作用的发生。     

颈段及胸上段食管癌调强放射治疗计划的比较

目的：射野数目的多少在调强放射计划中直接影响着靶区的适形性（conformity）,均匀度（uniformity）以及对周围危及器官（organs at risk,OAR）的保护。本文就颈段及胸上段食管癌,对不同射野数目进行调强放射治疗计划的比较。方法：回顾继往颈段及胸上段食管癌病例,从中挑选5位患者,运用5,7,9个射野的调强放射治疗计划,同时对IMRT的靶区运用200 cGy/fx,30fx总共60 Gy剂量,比较在这个给定相同的剂量的条件下,通过剂量体积直方图（dose volumehistograms,DVH）,等剂量曲线分布（iso-dose distributions）以及靶区的适形指数（conformity index,CI）等来比较各个计划中计划靶区（planning target volume,PTV）,以及危及器官（OARs）的剂量学差异。结果：随着射野数目的增加靶区适形度以及等剂量线分布越来越好。7、9个射野对肺的损伤也不像想象中那么大。甚至7、9野的IMRT在肺的V20更低。结论：相比5个射野的IMRT计划,7个射野能提供更好的适形度和均匀性,以及对肺组织的保护;而相比9野计划,7个射野能运用更短的治疗时间和更少的加速器跳数（monitor unite,MU）,减少器官运动对靶区剂量的影响。     

胰腺癌伽玛刀和加速器治疗计划剂量学比较

目的:比较分析OUR-QGD型γ刀和两种加速器治疗技术胰腺癌治疗计划的剂量学数据,为临床选择放疗技术提供参考。方法:选取20例胰腺癌病例,每例设计靶中靶(Target in Target,TIT)、调强(IMRT)和γ刀三种治疗计划。处方剂量为50 Gy包绕95%的PTV。计算比较三种计划的PTV靶区适形指数和均匀性指数,通过DVH计算靶区剂量和周围要害器官剂量。结果:IMRT计划的PTV靶区适形度最好,TIT计划次之,γ刀计划最差,均匀性指数γ刀计划也要劣于IMRT和TIT计划,但γ刀计划周围正常组织的剂量相对较低,而靶区剂量比TIT和IMRT计划要高得多。结论:根据物理剂量学数据,γ刀治疗胰腺癌可显著提高靶区剂量,同时很好地保护周围正常组织;TIT和IMRT也是治疗胰腺癌的有效方法。     

容积旋转调强与固定野调强在宫颈癌术后放疗中的剂量学比较

目的：比较容积旋转调强（vMAT,美国瓦里安公司商品名为RapidArc）与9野固定野调强（IMRT）两种放射治疗技术在宫颈癌术后放疗中的剂量学差异。方法：采用两种治疗技术对10例宫颈癌术后患者设计计划,处方剂量设置为46ay／23次．危及器官限量参考临床常规要求,靶区接受标准为95％处方剂量要包绕97％以上靶区体积。比较两种技术的剂量体积直方图、治疗时间、机器跳数、靶区和危及器官剂量分布差异。结果：RapidArc技术靶区平均剂量略高于9IMRT技术．且具有统计学意义,靶区均匀性、适形度、危及器官受量相比9IMRT技术,虽然都没有统计学意义,但是RapidArc技术机器跳数较9IMRT减少63．6％,平均治疗时间节省70％。结论：RapidArc技术在剂量学分布上与9IMRT技术相当或略有优势,治疗时间及机器跳数大大减少。     

鼻咽癌CDR-VMAT与ss-IMRT剂量学比较评估

目的：分别比较鼻咽癌（NPC）恒定剂量率容积调强（CDR-VMAT）方式和7野、9野静态调强（ss-IMRT）方式的计划质量及治疗效率,提供临床参考意义。方法：对10例NPC患者以相同的处方剂量,但分别采用CDR—VMAT、7野SS—IMRT和9野ss-IMRT方式设计计划。比较三组计划在剂量分布、靶区适形指数（cI）与均匀性指数（HI）,不同危及器官（OAR）的剂量以及治疗计划的执行时间的差异。结果：三种执行方法均能满足临床剂量要求,与7野调强相比（7F-IMRT）,恒定剂量率方式（CDR-VMAT）靶区PTV7n4最小剂量D98％略优,适形指数CI较好（p=0．006）;靶区PTV66、PTV60、PTV54的均匀性指数HI较好（p=0．010,0．003,0．032）;且靶区PTv。的最小D98％最大剂量D98％较优（P=0．022,0．036）。与9野调强（9F—IMRT）J（R比,除靶区PTV。和PTV。中位剂量D50％略低及PTV60最小剂量D98％略差外（P=0．001～0．021）,其它比较参数无显著差异。危及器官方面（OrganatRiskOAR）,9野调强计划中,脊髓、腮腺可以得到更好的保护（p=0．032,0．047）。CDR-VMAT和7野、9野调强计划组总机器跳数（Mu）分别为552（＋48）MU、748（＋87）和730（＋76）MU,使用CDR-VMAT方式跳数分别减少36％和32％。结论：与7野调强比较,在危及器官剂量相似的情况下,CDR-VMAT容积调强和9野调强方式均提高靶区内的剂量分布,且CDR-VMAT方式可提高治疗效率。     

Pinnacle计划系统脚本在调强放疗计划中的应用研究

目的:应用pinnacle计划系统脚本的记录与回放功能,实现调强放疗计划设计的自动执行,并分析运用脚本功能产生的调强计划的剂量分布特点,研究脚本功能在调强放疗计划设计中的应用前景。材料与方法:随机选取6例左侧乳腺癌保乳术后的患者,应用Pinnacle7.6c计划系统,通过脚本的记录与回放功能,实现调强放疗计划的设计,并以体积剂量等参数评价由此产生的调强计划的剂量结果。结果:通过在6例左侧乳腺癌保乳术后调强计划设计中脚本的应用研究,发现脚本功能能序贯处理调强计划设计的操作步骤,并节省计划设计的时间;与合理的调强优化参数相结合,一遍优化就能够获取满意的剂量结果。结论:脚本功能能够简化计划的操作步骤并缩短计划设计时间,对于相同部位、分期、处方剂量等临床要求相同的病种,设定相同的合理的优化目标函数,运用脚本功能能够快速完成调强治疗计划的设计。     

Segmentation of IMRT plans for radical lung radiotherapy delivery with the step-and-shoot technique

The purpose of this work was to determine a segmentation protocol for the treatment of localized non-small-cell lung cancer (NSCLC) with intensity-modulated radiotherapy (IMRT) that is as effective as possible while practically simple and hence robust to known practical inaccuracies. This study focused on the stratification of continuous profiles into a discrete number of intensity levels. The selection of the segmentation parameters for the delivery of the fluence profiles using multiple static fields has been considered. Five-field equispaced IMRT treatment plans of five patients with NSCLC were selected. The study comprised nine treatment plans for each patient, starting from a conformal plan, optimizing it for IMRT and then segmenting it utilizing different numbers of segments in each case and optimizing for segment weights separately. A conformal plan, optimized for beam directions, collimator and wedge angles, was also used for comparison with the IMRT plans, so as to consider the best coplanar conformal case. A dose objective for the PTV and the organs-at-risk plus a constraint for the spinal cord were set for all inverse plans. All stages were compared with the aid of dose-volume histograms, dose distributions at the plane of the isocenter, intensity maps for key beams and plots of PTV homogeneity and overall conformality versus complexity. The unsegmented IMRT plans gave the best results but cannot be realized in practice with an MLC. They were best approximated by plans that needed 106-167 segments to deliver, but did not deteriorate significantly when approximated by plans which required 26-40 segments in total. All segmented IMRT plans gave a better lung sparing than the conformal plans, indicating that the deterioration of IMRT plans following segmentation is not equivalent to that of unmodulated, conformal plans. However, optimized conformal plans have the potential to approach the lung sparing achieved by segmented IMRT plans. Among the IMRT situations examined, five-field treatment plans for the lung, utilizing a maximum of 40 segments in total, have proven to give a good approximation of the IMRT plans with continuous modulation.     

乳腺癌保乳术后两种逆向调强放疗计划的剂量学比较

目的:比较两种常见的乳腺癌术后逆向调强放疗治疗计划在靶区和危及器官上的剂量差异性,寻求乳腺癌术后调强放疗较佳的治疗计划。材料与方法:随机选取6例左侧乳腺癌保乳术后的患者,应用Pinnacle 7.6c计划系统,设计患侧乳腺切线方向小角度展开入射的4野逆向调强计划和入射角度在患侧乳腺平面内均分的5野调强计划,在计划靶区满足处方剂量的前提下,比较分析两种逆向调强计划靶区的适形度和剂量均匀性;肺的V30、V20和平均剂量,心脏的V30和平均剂量等剂量学指标。结果:通过对6例左侧乳腺癌保乳术后逆向调强计划设计中两种计划的比较发现,4野逆向调强计划对心脏和肺保护较好,而5野逆向调强计划能够给靶区带来较佳的适形度和剂量均匀性。结论:乳腺癌术后逆向调强计划的设计必须与临床紧密结合,对于基本状况良好且心肺功能较好且的患者,可以考虑用5野逆向调强计划;对心肺功能较差的患者则应优先考虑切线方向适度展开照射野入射角度的4野逆向调强计划。     

Potential for dose-escalation and reduction of risk in pancreatic cancer using IMRT optimization with lexicographic ordering and gEUD-based cost functions

Radiotherapy for pancreatic cancer is limited by the tolerance of local organs at risk (OARs) and frequent overlap of the planning target volume (PTV) and OAR volumes. Using lexicographic ordering (LO), a hierarchical optimization technique, with generalized equivalent uniform dose (gEUD) cost functions, we studied the potential of intensity modulated radiation therapy (IMRT) to increase the dose to pancreatic tumors and to areas of vascular involvement that preclude surgical resection [surgical boost volume (SBV)]. We compared 15 forward planned three-dimensional conformal (3DCRT) and IMRT treatment plans for locally advanced unresectable pancreatic cancer. We created IMRT plans optimized using LO with gEUD-based cost functions that account for the contribution of each part of the resulting inhomogeneous dose distribution. LO-IMRT plans allowed substantial PTV dose escalation compared with 3DCRT; median increase from 52 Gy to 66 Gy (a=-5,p<0.005) and median increase from 50 Gy to 59 Gy (a=-15,p<0.005). LO-IMRT also allowed increases to 85 Gy in the SBV, regardless of a value, along with significant dose reductions in OARs. We conclude that LO-IMRT with gEUD cost functions could allow dose escalation in pancreas tumors with concomitant reduction in doses to organs at risk as compared with traditional 3DCRT.     

A new method of incorporating systematic uncertainties in intensity-modulated radiotherapy optimization

Uncertainties in tumor position during intensity-modulated radiotherapy (IMRT) plan optimization are usually accounted for by adding margins to a clinical target volume (CTV), or additionally, to organs at risk (OAR). The former approach usually favors target coverage over OAR protection, whereas the latter does not account for correlation in target and OAR movement. We investigate a new approach to incorporate systematic errors in tumor and organ position. The method models a distribution of systematic errors due to setup error and organ motion with displaced replicas of volumes of interest, each representing the patient geometry for a possible systematic error, and maximizes a score function that counts the number of replicas meeting dose or biological constraints for both CTV and OAR. Dose constraints are implemented by logistic functions of Niemierko's generalized model of equivalent uniform dose (EUD). The method is applied to prostate and nasopharynx IMRT plans, in which CTV and OAR each consists of five replicas, one representing no error (the position in the planning CT) and the other four discrete systematic setup displacements in one dimension with equal probability. The resulting IMRT plans are compared with those from two other EUD-based optimizations: a standard planning target volume (PTV) approach consisting of a single replica of each OAR in the planned position and a single PTV encompassing all CTV replicas, and a PTV-PRV approach consisting of a single PTV and a single planning risk volume (PRV) for each OAR encompassing all replicas. When systematic error is present, multiple-replica optimization provides better critical organ protection while maintaining similar target coverage compared with the PTV approach, and provides better CTV-to-OAR therapeutic ratio compared with the PTV-PRV instances where there is substantial PTV-PRV overlap. The method can be used for other systematic errors due to organ motion and deformation.