立体定向放疗等效生物剂量模型研究及剂量评估系统开发

发布时间：2020-08-21 12:09

【摘要】：随着生活水平提高和环境影响,肿瘤日渐成为威胁人们健康和生命的最主要疾病之一,放射治疗作为肿瘤治疗的核心方法,在肿瘤的治疗中有着不可替代的地位。目前放射治疗过程中只有物理剂量计算而缺少等效生物剂量(Biologic equivalent dose,BED)计算,不能准确评估组织生物反应,如何将计算机技术与放射治疗技术结合做到计算机辅助决策(Computer aided decision,CAD)和精准医疗,是计算机技术重要研究领域之一。本文首先研究和改进线性二次(Linear quadratic model,LQ)模型,将改进LQ模型应用到最新的放射治疗技术立体定向放疗(Stereotactic body radiotherapy,SBRT)中,进行BED计算。然后以改进模型为核心算法开发等效生物剂量计算CAD系统,辅助肿瘤医生准确评估放疗过程中组织的生物反应,从而努力做到对肿瘤的精准治疗。使用计算机技术实现SBRT中等效生物剂量计算是CAD重要研究领域,也是放射治疗中不可或缺的工具。本文主要工作从以下几方面展开:(1)针对SBRT中LQ模型在高剂量区低估细胞存活的缺陷,提出了一种改进的LQ模型——线性二次修复模型。本文通过添加具有曲率约束能力的修复函数得到线性二次修复模型,继而对修复模型进行推导,得到基于修复模型的等效生物剂量模型。实验结果表明线性二次修复模型的拟合精度要优于LQ模型(平均χ~2/df:0.4739 vs.2.9161)。(2)针对细胞敏感性,本文在线性二次修复模型基础上提出了线性二次改进模型和细胞超敏反应模型。线性二次改进模型通过添加具有自适应能力的曲率约束修正因子对LQ模型进行改进,实验结果表明,相对于线性二次修复模型,线性二次改进模型对不同细胞系具有更强的适应性。进一步,本文还对细胞在超低剂量的超敏反应进行了探索性研究,构造了细胞超敏反应模型,用于描述细胞极低剂量条件下的生物响应。(3)根据提出的线性二次改进模型得到的等效生物剂量计算模型,本文设计实现了等效生物剂量计算评估系统。首先提取放疗计划中.dicom文件中的数量矩阵转换为.mat格式,实现了放疗剂量结构文件的可视化;然后解析计划文件得到结构矩阵和剂量矩阵,并将本文提出的线性二次改进模型作为核心算法应用到系统中计算等效生物剂量,提升了CAD系统生物剂量计算的精准性;最后基于LQ模型、线性二次修复模型和线性二次改进模型,实现了放疗剂量方案转换功能。本文通过改进LQ模型,继而得到了改进的BED模型,克服了传统BED模型在SBRT中高估生物剂量的缺点。然后将改进的BED模型应用到SBRT的等效生物剂量中,开发了等效生物剂量CAD系统,该系统实现了生物剂量的计算及可视化,量化评估了放疗过程中组织的生物效应,为医护人员提供了良好的人机交互界面和精准生物剂量计算服务,具有实际应用价值。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R730.55;TP311.52
【图文】：

设备中不断的应用，如图 1.1 所示放射治疗从传统的普通外照射发展到适形、调强，使得立体定向放射治疗应运而生。但是现在的放射治疗系统只有物理剂量计算，等效生物剂量的准确计算，导致不能准确评估组织的生物反应，成为了精准医疗的，所以急需有等效生物剂量计算能力的计算机辅助决策（Computer aided decision，D）系统的开发[3, 4]。立体定向放射治疗技术（Stereotactic body radiotherapy，SBRT）从颅内立体定向放科技术[5]（Stereotactic Radiosurgery，SRS）逐渐发展成为一种肿瘤放射治疗的新技6]。SBRT 的特点是放射疗程短（1~10 次）、单次剂量大（5~30Gy）和治疗精度高，时间内对肿瘤进行有效治疗[7]，在对原发性和转移性的肺部肿瘤治疗中，表现出了好的临床治疗效果，同时与传统放疗技术相比 SBRT 可以大大降低治疗的时间和经本[8]。但是单次大剂量带来的是更高的生物效应，更加需要严格把控，所以在进行定向放射治疗时，通过计算辅助决策系统准确计算等效生物剂量，从而对组织的生应进行准确评估努力实现精准医疗。

剂量小于TD 时与 LQ 模型曲线相同，剂量大于TD 时与多靶模了在转换剂量TD 处保持光滑和减少模型参数，假设多TD 点相切。该约束条件将模型参数从四个降低到了三个过该约束可以用其它三个参数表示 ，即：2)q为：0-（1.6）构成了完整的 USC 模型。按照 BED 模型的定生物剂量计算方法：

在低剂量区使用 LQ 模型来拟合生存的斜率来描述细胞生存曲线，LQL 模型方程为： ))TTD DTD DD D 模型中的生物学意义相同，D为分次剂量，TD区域中每单位剂量的对数杀伤。同样 LQL 模22[ /( / )][ /( / )] [( / )( )]TT T TD D DD D D D D 模型在高剂量区域局限性的简单改进。对那些以简单有效地进行拟合。

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本文编号：2799361