质子调强放射治疗中计划优化关键技术研究

发布时间：2017-09-03 08:07

  本文关键词：质子调强放射治疗中计划优化关键技术研究

  更多相关文章： 质子放疗 主动扫描 计划优化 扫描路径 等效均匀剂量

【摘要】：质子束由于其独特的布拉格峰等物理特性,已应用到放疗中,近些年更是发展迅速。质子调强放疗计划采用主动扫描的输运方式,通过调节扫描束权重,能够精确地将质子束大部分能量输送到靶区内,形成与靶区适形的高剂量分布并降低周边正常组织或器官所受剂量,保护正常组织或器官。在计划设计中,除了需要调节扫描束权重外,还存在扫描束数量众多、大量扫描束权重低、扫描路径长等问题,严重影响计划实施质量。另外,传统的剂量约束和剂量体积约束没有考虑生物学效应,而基于生物学效应的等效均匀剂量(EUD)调强优化,能从疗效上提高放疗计划质量。本文对质子调强放疗计划优化关键技术包括扫描束权重优化方法、扫描束关键实施参数优化方法、基于EUD的调强最优化方法等进行了深入细致的研究,以达到提高质子放疗效果的目的。首先,发展了一种基于布拉格峰位置的扫描束预选的扫描束权重最优化方法。根据布拉格峰位置筛选在靶区内的扫描束,基于共轭梯度法优化出最优剂量分布,实现了精选扫描束并快速优化扫描束权重。选取美国医学物理学家学会(AAPM)TG-119号报告中的模拟例题、典型临床鼻咽癌和前列腺病例进行测试,测试结果表明,在10～20min内优化出满足约束的剂量分布,剂量分布效果明显优于光子放疗计划。本文方法满足临床要求,实现了快速优化扫描束权重,使得放疗计划质量得以提高。其次,发展了一种结合排除法、置零法的扫描束数量最优化方法。扫描束数量最优化方法通过排除对剂量分布贡献低的扫描束,置零低权重扫描束并重新投入优化计算,大大减少了扫描束数量。实现了基于遗传算法的扫描路径最优化方法,转换扫描路径问题为旅行商模型,基于遗传算法求解最短路径。选取TG-119号报告中的模拟例题和鼻咽癌临床病例进行测试,测试结果表明：在保证计划结果的同时,扫描束数量最高可降低50.75%,降低扫描路径长度53.15%,降低治疗时间15.98%,增强了放疗计划鲁棒性,提高了放疗计划实施质量。最后,发展了一种基于等效均匀剂量更新目标的调强最优化方法,结合阶梯式约束设置,修改二次型剂量目标函数中的剂量目标参数,解决了剂量约束和剂量体积约束不能整体上对DVH曲线的变化方向约束等问题,整体改善放疗计划优化结果。通过鼻咽癌病例和前列腺临床病例进行测试,最高可将危及器官最大剂量降低了1291.75 cGy, V50降低到66.39%,大幅度提高了放疗计划质量。通过对质子调强放疗计划优化关键技术的深入研究,本文方法能够迅速优化质子调强放疗计划,提高放疗计划质量。
【关键词】：质子放疗 主动扫描 计划优化 扫描路径 等效均匀剂量
【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】：2016
【分类号】：R730.55
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 引言15-27
• 1.1 研究背景15-20
• 1.1.1 放射治疗的意义15-16
• 1.1.2 质子放射治疗的意义16-17
• 1.1.3 质子放射治疗的历史17-18
• 1.1.4 质子放射治疗技术的发展及分类18-20
• 1.2 质子调强放射治疗发展现状20-24
• 1.2.1 质子调强放射治疗的实现方法20-22
• 1.2.2 质子调强放射治疗计划优化22-23
• 1.2.3 国内外研究现状23-24
• 1.2.4 精准放射治疗系统ARTS24
• 1.3 论文研究目标和意义24-25
• 1.4 论文主要内容和结构25-27
• 第二章 理论与技术基础27-37
• 2.1 最短路径问题27-30
• 2.1.1 概述27
• 2.1.2 问题描述27-28
• 2.1.3 研究现状28-30
• 2.2 共轭梯度法30-32
• 2.2.1 概述30
• 2.2.2 共轭方向30-31
• 2.2.3 共轭梯度法31-32
• 2.3 遗传算法32-36
• 2.3.1 概述32-33
• 2.3.2 编码33-34
• 2.3.3 群体初始化34
• 2.3.4 适应度计算34
• 2.3.5 遗传进化策略34-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第三章 基于布拉格峰位置扫描束筛选扫描束权重优化方法37-53
• 3.1 扫描束权重优化方法研究37-42
• 3.1.1 基于布拉格峰位置的扫描束精选39-40
• 3.1.2 扫描束权重优化40-42
• 3.2 测试与结果分析42-51
• 3.2.1 模拟测试42-46
• 3.2.2 鼻咽癌病例46-48
• 3.2.3 前列腺病例48-51
• 3.3 本章小结51-53
• 第四章 质子调强计划中扫描束关键实施参数优化方法53-71
• 4.1 协同权重优化的扫描束数量优化方法54-60
• 4.1.1 运行流程54
• 4.1.2 扫描束数量优化54-56
• 4.1.3 测试及结果分析56-60
• 4.2 基于遗传算法的最短扫描路径优化方法60-68
• 4.2.1 优化模型61
• 4.2.2 优化算法61-65
• 4.2.3 测试及结果分析65-68
• 4.3 本章小结68-71
• 第五章 基于剂量目标修正的调强最优化方法71-85
• 5.1 算法设计和运行流程71-74
• 5.2 基于目标修正的调强最优化方法74-76
• 5.2.1 基于目标修正的EUD约束研究74-76
• 5.2.2 阶梯式设置EUD约束76
• 5.3 测试与分析76-83
• 5.3.1 鼻咽癌测试77-81
• 5.3.2 前列腺测试81-83
• 5.4 本章小结83-85
• 第六章 总结与展望85-89
• 6.1 总结85-87
• 6.1.1 论文内容总结85-86
• 6.1.2 论文创新点86-87
• 6.2 工作展望87-89
• 参考文献89-95
• 致谢95-97
• 博士在读期间取得的成果97-99
• 参与项目情况99

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈根余,郑学侃,秦孟家,程庆芳;微机辅助制定放疗计划[J];中国放射肿瘤学;1989年03期

2 廖福锡;夏邦传;;常规放疗计划制作与质控[J];医疗装备;2012年12期

3 王慧亮;包尚联;陈国耀;;基于多核的并行模拟退火放疗计划优化加速方法[J];北京大学学报(自然科学版);2008年06期

4 潘郁;荆保国;王泽辉;袁弋;钟文辉;何强;;探讨以脊柱为参考物验证食道癌放疗计划的误差[J];内蒙古中医药;2012年14期

5 马陌,郑明民,沈家政,曹焕云;对放疗计划评价方法的探讨[J];中国放射肿瘤学;1989年04期

6 孙荣刚;;食管癌两次放疗计划融合与单次放疗计划疗效比较[J];现代肿瘤医学;2014年02期

7 王进亮,白净,罗建文,徐榭;基于直接反投影图像重建算法的放疗计划计算方法[J];中国医学影像技术;2004年09期

8 刘浩;刘宗藩;马栋辉;王巨武;;放疗计划管理系统设计与实现[J];医学信息;2006年05期

9 王进亮,白净,罗建文,徐榭;蒙特卡罗方法和三维数字人体模型在放疗计划质量保证中的应用[J];生物物理学报;2005年03期

10 朱健;尹勇;李建彬;刘同海;卢洁;;放疗计划系统网络体系的设计与实现[J];生物医学工程研究;2007年02期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 孙涛;林秀桐;尹勇;刘同海;卢洁;;喉癌的四种放疗计划的剂量学比较[A];中华医学会放射肿瘤治疗学分会六届二次暨中国抗癌协会肿瘤放疗专业委员会二届二次学术会议论文集[C];2009年

2 王中堂;孙洪福;李宝生;杨国仁;卢洁;;肺灌注显像在Ⅲ期非小细胞肺癌优化放疗计划的相关因素研究[A];中华医学会放射肿瘤治疗学分会六届二次暨中国抗癌协会肿瘤放疗专业委员会二届二次学术会议论文集[C];2009年

3 李前文;杜云翔;山顺林;姜瑞伟;范春水;周后龙;;调强适形放疗计划的验证与质量控制[A];2007第六届全国放射肿瘤学学术年会论文集[C];2007年

4 姚宝善;曲桂红;;放疗计划系统[A];首届中国仪器仪表学会医疗仪器分会学术会议论文集[C];1993年

5 周卫兵;冯炎;陈佳艺;章真;;应用放射生物模型优化和评价不同乳腺癌放疗计划的研究[A];2007第六届全国放射肿瘤学学术年会论文集[C];2007年

6 周卫兵;冯炎;;应用放射生物模型优化乳腺癌放疗计划的研究[A];中华医学会放射肿瘤治疗学分会六届二次暨中国抗癌协会肿瘤放疗专业委员会二届二次学术会议论文集[C];2009年

7 周卫兵;冯炎;陈佳艺;章真;;应用放射生物模型优化和评价不同乳腺癌放疗计划的研究[A];2007第六届全国放射肿瘤学学术年会论文集[C];2007年

8 陈朝斌;邓力;李刚;叶涛;;BNCT放疗计划软件系统MDP的研制与初步验证[A];中国核科学技术进展报告（第二卷）——中国核学会2011年学术年会论文集第6册（核物理分卷、计算物理分卷、粒子加速器分卷）[C];2011年

9 赵快乐;廖仲星;张小东;;下段食管癌的IMRT和质子放疗计划的比较[A];2007第六届全国放射肿瘤学学术年会论文集[C];2007年

10 陈进琥;刘立恒;卢洁;尹勇;;胶质瘤CT灌注图像在放疗计划制定中的应用[A];中华医学会放射肿瘤治疗学分会六届二次暨中国抗癌协会肿瘤放疗专业委员会二届二次学术会议论文集[C];2009年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 汪冬;质子调强放射治疗中计划优化关键技术研究[D];中国科学技术大学;2016年

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 邓磊;局部晚期下咽癌术后不同放疗计划剂量学比较研究[D];苏州大学;2015年

2 郭云鹏;左乳癌改良根治术后三维适形调强放疗与电子线放疗计划的剂量学比较[D];山西医科大学;2015年

3 陈毅如;图像形变配准引导胸中上段食管癌放疗计划修正的研究[D];济南大学;2015年

4 邓冲;基于CUDA的放疗计划系统剂量评估和三维重建研究[D];兰州交通大学;2014年

5 付庆国;加速器全碳素纤维治疗床对放疗计划剂量的影响与修正[D];清华大学;2012年

，

本文编号：783808