光子放疗CCK剂量计算算法的改进和程序开发测试
发布时间：2022-01-19 02:26
放射治疗是目前治疗肿瘤的主要手段之一,放射治疗过程的核心部分是治疗计划系统的应用。剂量计算是治疗计划系统中的关键,其准确性直接影响到患者治疗,进而影响患者健康。本论文的研究目的是开发一套具有精度和速度优势的光子剂量计算程序,并以治疗计划系统DeepPlan为平台验证其用于临床的可行性。基于研究目的,本课题主要进行了以下两个任务:（1）改进的筒串卷积积分叠加（CCK）算法的光子剂量计算程序开发与准确性验证:基于C++环境实现GPU加速的光线追踪算法计算比释总能,利用蒙特卡洛软件EGSnrc计算能量沉积积分核,以卷积叠加方式计算剂量。引入计算掩模、自适应剂量插值等方式对剂量计算过程进行加速并测试加速效果。最后依据YY 0775号国标报告中的例题,验证光子剂量计算程序的准确性。（2）结合DeepPlan验证剂量计算的临床准确性:将光子剂量计算程序集成于DeepPlan中,依据YY/T 0889号国标报告中的计划例题验证临床计算的准确性。临床剂量分布准确性验证选取Pinnacle计划系统设计的前列腺肿瘤患者9例、胸部肿瘤患者15例和头颈部患者5例,比较相同放疗计划下的DeepPlan和Pinn...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１现代放射治疗过程及其质量保证和质置控制（胡逸民１９９９）??现代放射治疗主要包括获取射束数据、录入病人数据、勾勒靶区、设计并评??估治疗方案、输入治疗计划、放疗实施（由放疗设备完成）等环节（胡逸民１９９９）
。在??患者治疗过程中，治疗计划设定时形成的错误数据、剂量计算技术缺陷、数据录??入误差等均会影响到病人的临床治疗效果，因此放射治疗相关工作者必需获得放??射医师或物理师证才能参与相关临床工作（李建东２００９）。??在执行放射治疗计划前，需要先准确定位待照射部位（病灶）。同时为在癌??细胞消灭数量最大化前提下保证尽可能少地损害未病变的组织、器官，需要不断??依据分阶段照射后的患者体内剂量报告，修正后续的放射治疗方案（田捷等??２００１?）。放射治疗计划系统的基本组成部分及工作流程如图１．２所示。??图像输入??？图像处理??？组织和ＲＯＩ轮廓提取??？三维体数据重建????１?＾［ＺＺＺＺ１??计划输出?？??计划评估?——?剂量计算?＾?计划设计和修改???Ｉ???患者治疗??图１．２常用ＴＰＳ系统组成和工作流程框图??治疗计划系统的主要工作流程如下，首先在计划制定之前录入将病人ＣＴ图??像数据录入治疗计划系统，获取病人的靶区及其周围组织及重要器官信息数据，??结合ＣＴ值与密度转换表得到ＣＴ中的密度信息，实现患者模型的搭建。根据得??到的患者模型与靶区位置设计治疗方案，设定的内容包括设定子野射束强度与照??射方向、选择射线能量等。然后根据设定的治疗计划进行剂量计算，以彩色剂量??图、ＤＶＨ图和具体器官剂量列表的形式产生剂量报告，根据剂量报告结果评估??衡量治疗方案，如果该计划满足临床要求则可以依据该计划对患者进行放射治疗，??反之计划不满足则重新修改计划直到满足临床要求（王玉２０１３）。??ＴＰＳ治疗计划的设计具有两种设计方式，分别为正向设计（Ｆｏｒｗａｒｄ?Ｐｌａｎｎｉｎｇ）
＝ｉ－＼??最终得到基于ＣＣＫ的筒串卷积叠加剂量算法公式（Ｌｕ?ｅｔ?ａｌ．?２００５）：??Ｄｉ＝?—?（Ａ）?＋?—?Ｘ?Ｔｊ?＼＿ｃ＇ｊ?￣?ｃ＜＇ｊ＋ｉ?］?（２．６６）??Ｐｉ?Ｐｉ?ｊ＝ｉ－＼??结合ＴＥＲＭＡ计算公式（２．２）和通过ＥＧＳｎｒｃ模拟得到的ｋｅｒｎｅｌ，并据公式（２．３８）??和公式（２．６３）对拟合完成的ｋｅｒｎｅｌ进行两次积分得到的ＣＣＫ形式下的能量沉积??核，基于公式（２．６６）使用Ｃ＋＋编写实现基于ＣＣＫ的光子剂量计算程序，ＣＣＫ程??序结构如图２．１所示。?????＇??参数输入－??????Ｊ－Ｈ?＾数据读取预＾???？?￣＾处理模块－?＜??读取?ＣＣＫ?表一?＾￣?乂???／?了??＼?ｉ?ＴＥＲＭＡ?！??［?ＴＥＲＭＡ?＾?ｒ?＾加速模块ｊ??｜??ｊ?＾＾剂量计算加?＾??剂量计兑．???（?速模块（??＿＿＿ＶＸ??结果输出ｊ??图２．?１?ＣＣＫ光子剂量计算程序的模块以及工作流程图??基于筒串卷积模型的ＣＣＫ算法对剂量计算网格十分敏感，剂量计算网格出??现的任意细小波动，能够显著干扰到计算的精度与速度。剂量计算网格的大小决??定剂量计算的分辨率，过高的分辨率会导致剂量计算引擎产生运行内存问题，将??严重影响剂量计算时间，反之过低的分辨率会损失部分重要区域的剂量，如高密??度梯度区域和原射线光子高通量梯度区域会因过低的剂量计算网格而被忽略，严??重影响剂量计算的精度。全空间网格的剂量计算总时间与分辨率的４／３次方成正??比，与ｋｅｒｎｅｌ分布中的角度个数成正比，相关性见式（２．６７）所示
【参考文献】：
期刊论文
[1]DeepPlan系统中快速直接子野优化在临床中的应用研究[J]. 程博,方诗杰,任强,周解平,曹瑞芬,吴爱东,徐榭,裴曦. 中华放射医学与防护杂志. 2020(12)
[2]肿瘤精确放疗技术在临床治疗中的发展及应用研究进展[J]. 刘永超,梁春梅,丁国伟. 吉林医学. 2019(11)
[3]2015年中国恶性肿瘤流行情况分析[J]. 郑荣寿,孙可欣,张思维,曾红梅,邹小农,陈茹,顾秀瑛,魏文强,赫捷. 中华肿瘤杂志. 2019 (01)
[4]不同计划系统的剂量学比较[J]. 唐慧敏,杨振,龚学余,吕知平,张子健,曹瑛,王翰宇,刘归,胡永梅,杨晓喻. 中国医学物理学杂志. 2016(03)
[5]肿瘤放射治疗临床进展[J]. 肖绍文,张珊文. 科技导报. 2014(26)
[6]CFETR堆体活化计算与分析[J]. 宋欢,陈志,雷洁瑛,蒋帅. 核聚变与等离子体物理. 2014(03)
[7]调强放疗计划中两种不同子野生成算法的对比研究[J]. 曾锦清,周凌宏. 中国医疗器械杂志. 2012(02)
[8]用蒙特卡罗模拟评估小野条件下肺介质中AAA算法的精度[J]. 张彦秋,邱小平,杨振. 中国医学物理学杂志. 2012(01)
[9]Pinnacle计划系统静态调强治疗计划导入方法的探讨[J]. 张建英. 中国医学物理学杂志. 2010(04)
[10]调强放射治疗计划的剂量学验证[J]. 张玉海,高杨. 中国医疗器械杂志. 2010(03)
博士论文
[1]基于笔形束算法的质子剂量计算方法研究及其在放疗计划系统DeepPlan中的应用[D]. 霍万里.中国科学技术大学 2019
[2]基于Varian clinac-IX直线加速器放疗系统的技术分析和临床剂量学研究[D]. 李军.南京航空航天大学 2016
[3]放射治疗计划系统关键技术研究[D]. 李建东.东北大学 2009
硕士论文
[1]基于蒙特卡罗的调强放疗笔形束剂量计算系统研发[D]. 肖期德.湖南大学 2016
[2]放射治疗计划中光子束剂量计算及可视化技术的研究[D]. 宋威.南京航空航天大学 2010
[3]精确放射治疗中基于蒙特卡罗有限笔形束的光子剂量计算方法研究[D]. 郑华庆.兰州大学 2009
[4]基于等效均匀剂量的目标函数及蒙特卡罗法卷积核的实现[D]. 朱琳.南方医科大学 2008
[5]一个治疗计划系统的研究与实现[D]. 强伟哲.浙江大学 2005
本文编号：3596040
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１现代放射治疗过程及其质量保证和质置控制（胡逸民１９９９）??现代放射治疗主要包括获取射束数据、录入病人数据、勾勒靶区、设计并评??估治疗方案、输入治疗计划、放疗实施（由放疗设备完成）等环节（胡逸民１９９９）
。在??患者治疗过程中，治疗计划设定时形成的错误数据、剂量计算技术缺陷、数据录??入误差等均会影响到病人的临床治疗效果，因此放射治疗相关工作者必需获得放??射医师或物理师证才能参与相关临床工作（李建东２００９）。??在执行放射治疗计划前，需要先准确定位待照射部位（病灶）。同时为在癌??细胞消灭数量最大化前提下保证尽可能少地损害未病变的组织、器官，需要不断??依据分阶段照射后的患者体内剂量报告，修正后续的放射治疗方案（田捷等??２００１?）。放射治疗计划系统的基本组成部分及工作流程如图１．２所示。??图像输入??？图像处理??？组织和ＲＯＩ轮廓提取??？三维体数据重建????１?＾［ＺＺＺＺ１??计划输出?？??计划评估?——?剂量计算?＾?计划设计和修改???Ｉ???患者治疗??图１．２常用ＴＰＳ系统组成和工作流程框图??治疗计划系统的主要工作流程如下，首先在计划制定之前录入将病人ＣＴ图??像数据录入治疗计划系统，获取病人的靶区及其周围组织及重要器官信息数据，??结合ＣＴ值与密度转换表得到ＣＴ中的密度信息，实现患者模型的搭建。根据得??到的患者模型与靶区位置设计治疗方案，设定的内容包括设定子野射束强度与照??射方向、选择射线能量等。然后根据设定的治疗计划进行剂量计算，以彩色剂量??图、ＤＶＨ图和具体器官剂量列表的形式产生剂量报告，根据剂量报告结果评估??衡量治疗方案，如果该计划满足临床要求则可以依据该计划对患者进行放射治疗，??反之计划不满足则重新修改计划直到满足临床要求（王玉２０１３）。??ＴＰＳ治疗计划的设计具有两种设计方式，分别为正向设计（Ｆｏｒｗａｒｄ?Ｐｌａｎｎｉｎｇ）
＝ｉ－＼??最终得到基于ＣＣＫ的筒串卷积叠加剂量算法公式（Ｌｕ?ｅｔ?ａｌ．?２００５）：??Ｄｉ＝?—?（Ａ）?＋?—?Ｘ?Ｔｊ?＼＿ｃ＇ｊ?￣?ｃ＜＇ｊ＋ｉ?］?（２．６６）??Ｐｉ?Ｐｉ?ｊ＝ｉ－＼??结合ＴＥＲＭＡ计算公式（２．２）和通过ＥＧＳｎｒｃ模拟得到的ｋｅｒｎｅｌ，并据公式（２．３８）??和公式（２．６３）对拟合完成的ｋｅｒｎｅｌ进行两次积分得到的ＣＣＫ形式下的能量沉积??核，基于公式（２．６６）使用Ｃ＋＋编写实现基于ＣＣＫ的光子剂量计算程序，ＣＣＫ程??序结构如图２．１所示。?????＇??参数输入－??????Ｊ－Ｈ?＾数据读取预＾???？?￣＾处理模块－?＜??读取?ＣＣＫ?表一?＾￣?乂???／?了??＼?ｉ?ＴＥＲＭＡ?！??［?ＴＥＲＭＡ?＾?ｒ?＾加速模块ｊ??｜??ｊ?＾＾剂量计算加?＾??剂量计兑．???（?速模块（??＿＿＿ＶＸ??结果输出ｊ??图２．?１?ＣＣＫ光子剂量计算程序的模块以及工作流程图??基于筒串卷积模型的ＣＣＫ算法对剂量计算网格十分敏感，剂量计算网格出??现的任意细小波动，能够显著干扰到计算的精度与速度。剂量计算网格的大小决??定剂量计算的分辨率，过高的分辨率会导致剂量计算引擎产生运行内存问题，将??严重影响剂量计算时间，反之过低的分辨率会损失部分重要区域的剂量，如高密??度梯度区域和原射线光子高通量梯度区域会因过低的剂量计算网格而被忽略，严??重影响剂量计算的精度。全空间网格的剂量计算总时间与分辨率的４／３次方成正??比，与ｋｅｒｎｅｌ分布中的角度个数成正比，相关性见式（２．６７）所示
【参考文献】：
期刊论文
[1]DeepPlan系统中快速直接子野优化在临床中的应用研究[J]. 程博,方诗杰,任强,周解平,曹瑞芬,吴爱东,徐榭,裴曦. 中华放射医学与防护杂志. 2020(12)
[2]肿瘤精确放疗技术在临床治疗中的发展及应用研究进展[J]. 刘永超,梁春梅,丁国伟. 吉林医学. 2019(11)
[3]2015年中国恶性肿瘤流行情况分析[J]. 郑荣寿,孙可欣,张思维,曾红梅,邹小农,陈茹,顾秀瑛,魏文强,赫捷. 中华肿瘤杂志. 2019 (01)
[4]不同计划系统的剂量学比较[J]. 唐慧敏,杨振,龚学余,吕知平,张子健,曹瑛,王翰宇,刘归,胡永梅,杨晓喻. 中国医学物理学杂志. 2016(03)
[5]肿瘤放射治疗临床进展[J]. 肖绍文,张珊文. 科技导报. 2014(26)
[6]CFETR堆体活化计算与分析[J]. 宋欢,陈志,雷洁瑛,蒋帅. 核聚变与等离子体物理. 2014(03)
[7]调强放疗计划中两种不同子野生成算法的对比研究[J]. 曾锦清,周凌宏. 中国医疗器械杂志. 2012(02)
[8]用蒙特卡罗模拟评估小野条件下肺介质中AAA算法的精度[J]. 张彦秋,邱小平,杨振. 中国医学物理学杂志. 2012(01)
[9]Pinnacle计划系统静态调强治疗计划导入方法的探讨[J]. 张建英. 中国医学物理学杂志. 2010(04)
[10]调强放射治疗计划的剂量学验证[J]. 张玉海,高杨. 中国医疗器械杂志. 2010(03)
博士论文
[1]基于笔形束算法的质子剂量计算方法研究及其在放疗计划系统DeepPlan中的应用[D]. 霍万里.中国科学技术大学 2019
[2]基于Varian clinac-IX直线加速器放疗系统的技术分析和临床剂量学研究[D]. 李军.南京航空航天大学 2016
[3]放射治疗计划系统关键技术研究[D]. 李建东.东北大学 2009
硕士论文
[1]基于蒙特卡罗的调强放疗笔形束剂量计算系统研发[D]. 肖期德.湖南大学 2016
[2]放射治疗计划中光子束剂量计算及可视化技术的研究[D]. 宋威.南京航空航天大学 2010
[3]精确放射治疗中基于蒙特卡罗有限笔形束的光子剂量计算方法研究[D]. 郑华庆.兰州大学 2009
[4]基于等效均匀剂量的目标函数及蒙特卡罗法卷积核的实现[D]. 朱琳.南方医科大学 2008
[5]一个治疗计划系统的研究与实现[D]. 强伟哲.浙江大学 2005
本文编号：3596040
本文链接：https://www.wllwen.com/yixuelunwen/zlx/3596040.html
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