剂量引导放射治疗中三维剂量重建方法研究

发布时间：2017-10-03 04:11

  本文关键词：剂量引导放射治疗中三维剂量重建方法研究

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【摘要】：剂量引导放射治疗是通过在分次治疗间或分次治疗中监测肿瘤和周围正常组织实际接受剂量偏差,及时修正放疗计划,从而保证治疗剂量与计划剂量精确吻合的前沿性放疗技术。三维剂量重建方法是剂量引导放疗实现的基础和关键,而目前三维剂量重建方法存在计算速度慢、精度低难以满足临床要求等问题,导致剂量引导放疗难以在临床得到推广应用。本文对剂量引导放疗中三维剂量重建方法进行了深入研究,以解决上述问题并达到提高剂量引导放疗临床实用性的目的。 根据广泛调研,本文首先对基于非晶硅电子射野影像装置(EPID)的射野剂量刻度方法进行了系统性研究。在充分研究非晶硅EPID剂量响应特性的基础上发展了基于修正因子库的快速剂量刻度方法,修正了伪影效应、射野大小、模体厚度和离轴位置对非晶硅EPID剂量刻度的影响。通过多种临床照射野测试,结果表明该方法可以在毫秒时间内实现EPID影像到射野剂量的精确转换,剂量刻度平均误差在1.5%以内,为三维剂量重建方法的实现提供必要的基础。 其次,在课题组原有剂量反演模型的基础上,发展了基于蒙特卡罗有限笔形束剂量计算引擎(MCFSPB)和迭代算法相结合的快速三维剂量重建方法,并对快速迭代算法涉及到的关键步骤进行了详细研究。通过规则野和两例临床调强病例进行测试,结果表明在保证原有剂量反演模型精度的前提下将强度反演时间缩短到3-4s,提速约50倍,极大提高了该三维剂量重建方法的临床实用性。 最后,为解决现有三维剂量重建方法对剂量计算引擎和射野剂量刻度方法精确性的依赖,提高三维剂量重建方法在非均匀模体(如人体)中的精度和稳定性,探索发展了基于射野灰度影像的直接反投影三维剂量重建方法。该方法根据原射线强度遵从指数衰减定律的特性,通过射线反投影方法由EPID测量面原射线强度分布反推射线入射模体前的强度分布。其中,在原射线提取和反投影计算过程中所用散射核和衰减系数考虑了不同模体厚度和离轴位置的散射和能谱变化效应的影响,均经过大量的实验测量拟合计算得到。采用均匀模体、辐射仿真人体模型和临床调强病例对直接反投影三维剂量重建方法正确性和临床实用性进行了测试,结果表明该方法在精度和稳定性两方面均优于迭代剂量重建法,为实现剂量引导放疗的临床应用提供了技术支持。
【关键词】：剂量引导放射治疗 射野剂量刻度 剂量验证 剂量重建
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R730.55;TP391.41
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 引言11-23
• 1.1 放射治疗的发展历史11-13
• 1.1.1 放射治疗的意义11
• 1.1.2 放射治疗的历史11-12
• 1.1.3 放射治疗技术发展及分类12-13
• 1.2 剂量引导放射治疗13-20
• 1.2.1 剂量引导放疗发展意义13-14
• 1.2.2 剂量引导放疗国内外研究现状14-18
• 1.2.3 剂量引导放疗关键技术18
• 1.2.4 剂量引导放疗中三维剂量重建方法研究进展18-20
• 1.3 精准放射治疗系统ARTS20
• 1.4 论文研究目标和意义20-21
• 1.4.1 研究目标20-21
• 1.4.2 研究意义21
• 1.5 论文主要内容和结构21-23
• 第二章 相关基础理论与方法23-31
• 2.1 非晶硅电子射野影像装置(EPID)23-25
• 2.1.1 非晶硅EPID工作原理23-24
• 2.1.2 非晶硅EPID实现剂量验证的解决方法24-25
• 2.2 蒙特卡罗有限笔形束剂量计算方法(MCFSPB)25-27
• 2.3 迭代算法数理基础27-28
• 2.4 反投影算法数理基础28-29
• 2.5 小结29-31
• 第三章 基于非晶硅EPID的射野剂量刻度方法研究31-45
• 3.1 非晶硅EPID剂量学响应特性研究31-37
• 3.1.1 非晶硅平板探测器与影像采集31-33
• 3.1.2 非晶硅EPID剂量学响应特性实验研究33-35
• 3.1.3 结果与分析35-37
• 3.2 基于非晶硅EPID的射野透射剂量刻度方法37-41
• 3.2.1 非晶硅EPID影像-剂量刻度模型的建立37-38
• 3.2.2 非晶硅EPID影像-剂量刻度模型参数的确定38-39
• 3.2.3 模型参数计算结果39-41
• 3.3 正确性测试和分析41-44
• 3.3.1 规则野测试42-43
• 3.3.2 非规则野测试43
• 3.3.3 结果分析43-44
• 3.4 小结44-45
• 第四章 基于MCFSPB的快速迭代三维剂量重建方法研究45-61
• 4.1 概述45-46
• 4.2 基于MCFSPB的快速迭代三维剂量重建方法46-51
• 4.2.1 三维剂量重建模型的建立46-47
• 4.2.2 快速迭代求解策略47-49
• 4.2.3 算法实现流程49-51
• 4.3 测试与结果分析51-60
• 4.3.1 正确性测试52-54
• 4.3.2 临床例题测试54-59
• 4.3.3 讨论59-60
• 4.4 小结60-61
• 第五章 直接反投影三维剂量重建方法研究61-87
• 5.1 基于射野灰度影像的直接反投影三维剂量重建方法61-67
• 5.1.1 直接反投影三维剂量重建模型61-63
• 5.1.2 EPID平面原射线响应值计算与反投影63-64
• 5.1.3 源强度分布的刻度与转换64-65
• 5.1.4 算法实现流程65-67
• 5.2 散射核的实验测量与计算67-75
• 5.2.1 散射核计算原理67-69
• 5.2.2 散射线与原射线比值(SPR)实验测量与计算69-71
• 5.2.3 散射核计算与结果71-75
• 5.3 衰减系数实验测量与计算75-77
• 5.3.1 衰减系数计算原理75-76
• 5.3.2 衰减系数实验测量与计算76-77
• 5.4 测试与结果分析77-85
• 5.4.1 正确性测试77-80
• 5.4.2 临床例题测试80-85
• 5.4.3 讨论85
• 5.5 小结85-87
• 第六章 总结与展望87-91
• 6.1 总结87-88
• 6.1.1 论文内容总结87-88
• 6.1.2 论文主要创新点88
• 6.2 展望88-91
• 参考文献91-99
• 致谢99-101
• 在读期间发表的学术论文101-103
• 在读期间申请专利103-105
• 在读期间参与项目105

【参考文献】

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本文编号：963074