一种快速调强放射治疗直接子野优化方法

目的:调强放射治疗是治疗癌症的一种主要手段。对放射治疗计划进行优化是实现调强放射治疗的关键步骤。传统的直接子野优化方法比较耗时,为了改进此缺点,本文提出一种基于共轭梯度法的快速直接子野优化方法。方法:将多叶光栅的叶片位置和子野的权重同时纳入问题模型,将该直接子野优化问题建模为一个非线性数学优化问题。直接求解该问题比较困难,采用"分而治之"的策略,将其分解为两个较容易的子问题。第一步采用共轭梯度法来优化子野权重,第二步通过移动叶片的方法来优化子野形状,两个步骤交替进行,最终在较短时间内找到满足要求的治疗方案。结果:本文对两个临床病例:胰腺肿瘤病例和头部肿瘤进行了测试。对胰腺肿瘤病例的优化用了3 min 20 s,优化后靶区和危及器官的剂量体积直方图以及等剂量线均满足临床要求。对头部肿瘤病例的优化用了9 min 37 s,尽管该病例包含较多的勾画器官,器官分布较集中,对优化提出了较大挑战,但优化后靶区和危及器官的剂量体积直方图以及等剂量线还是能较好的满足临床要求。结论:本文提出的方法很好的解决了调强放射治疗中一个复杂的非线性优化问题,对临床两例实际病例的测试结果显示,该方法可以在较短时间内找到满足要求的治疗方案,有较好的临床实用价值。     

HT-7超导托卡马克辐射剂量的实时监测及分析

HT-7托卡马克是超导磁约束聚变实验研究装置.由于该装置主要进行的是氘-氘(D-D)核聚变反应实验,运行时将产生聚变中子及其诱导的γ光子,即使装置停机后,屏蔽厅内的辐射水平也要经过一段时间才会衰减到本底水平.     

基于动态模板匹配技术的放疗摆位误差测量

本文考虑到病人在放射治疗过程中身体发生变形而使得基于固定模板匹配方法测量重复摆位误差精度降低的问题,提出了基于动态模板匹配的放疗病人重复摆位方法.该方法是对基于CT重建数字射线图像(DRR)作为模板进行匹配的重复摆位技术的改进,将能反映病人体态变化的视频重建三维体表模型作为匹配的模板进行摆位误差的计算.理论研究和实际检验表明,采用动态视频模板匹配的摆位方法,可以在保证摆位精度的同时消除因病人身体变形带来的不利影响.     

DICOM-RT解析及在精确放射治疗计划系统中的应用

目的:实现CT和DICOM-RT四个放疗对象-RT-Structure、RT-Plan、RT-Image、RT-Dose在治疗计划系统(TPS)中的存储和传输。方法:通过对DICOM-RT四个放疗对象的解析,并对其在治疗计划系统(TPS)中的应用,设计了DICOM-IMPORT和DICOM-EXPORT两个接口。在FDS团队自主研发的精确放射治疗软件系统(ARTS)中调用这两个接口,验证接口导入导出RT-Structure(勾画信息)、RT-Plan(计划信息)、RT-Image(DRR,数字重建放射影像)、RT-Dose(剂量信息)是否正确。结果:通过测试临床病例,ARTS可以成功导入导出两大商用治疗计划系统-飞利浦Pinnacle3和拓能VENUS中获取的DICOM-RT文件。结论:通过对DICOM-RT四个放疗对象的解析,设计的两个接口实现了在精确放射治疗系统计划系统中的应用,及不同TPS数据之间的兼容。     

多叶光栅控制软件的设计与实现

目的:多叶光栅作为三维适形放射治疗计划和调强放射治疗计划精确快速地实施的重要设备之一,被广泛应用于肿瘤放射治疗。为精确快速地控制多叶光栅,本文对多叶光栅的控制软件进行设计和实现。方法:本文首先概要介绍该软件的整体功能,共包括治疗模块、校验模块、参数模块和串口模块,并重点介绍串口模块和检验模块。串口模块使用串口通信技术,将光栅叶片位置数据和控制数据转换为串口数据并发送到底层电路中,控制多叶光栅,保证多叶光栅控制软件和底层电路的顺畅通信。校验模块根据实际测量的等中心面叶片位置数据,建立等中心面叶片位置数据和叶片实际位置数据转换关系,得到叶片实际运动位置对应的等中心面运动位置,保证叶片在等中心面上的移动精度。结果:本软件已在VC平台下编程实现,参考某厂商多叶光栅产品注册检验报告进行测试。测量结果显示多项指标均小于1.0 mm。结论:本软件能够精确快速的控制多叶光栅,满足临床要求。     

基于CT值的外轮廓提取方法在精确放疗计划制定中的实现

目的 给精确放疗计划制定中的剂量计算和人体外形三维重建提供准确的外轮廓。方法借助W／L算法，在分析CT值与人体组织关系的基础上，用基于CT值的方法实现人体外轮廓的提取。结果和常用的外轮廓提取方法相比，提取的结果基本一致，但速度提高了2．5倍。结论基于CT值的外轮廓提取方法无需进行二值化，能快速准确地提取人体的外轮廓，在精确放射治疗方面的应用性较强。     

剂量计算中解析组织非均匀性修正方法的比较研究

目的研究和比较目前放射治疗计划系统中常用的几种组织非均匀性修正方法。方法通过真实病人算例对不同修正方法的计算精度和计算速度进行对比测试。结果等效组织空气比修正（ETAR）方法虽然较Batho等修正方法考虑的影响因素多，但ETAR方法在大大增加计算时间的基础上，计算精度并未得到明显的提高。结论可使用新近开发的混合Batho修正方法替代目前计划系统中常用的ETAR方法。     

蒙特卡罗程序MCNP、EGSnrc、DPM剂量计算比较研究

目的 验证3个蒙特卡罗程序MCNP、EGSnrc、DPM计算结果的一致性问题。方法基于简单均匀及非均匀模型和复杂临床头部实例模型，对3个蒙特卡罗程序MCNP、EGSnrc、DPM的模型建模、计算结果、计算时间进行了比较研究。结果尽管3个程序在粒子输运原理、模拟参数设置、几何描述模型以及材料截面数据等方面存在不同，但是计算结果仍符合很好。结论3个蒙特卡罗程序计算复杂模型具有相当的可靠性；简单快速蒙特卡罗程序DPM具有明显的优势。     

精确放射治疗系统ARTS的研究与发展

在广泛调研和深入分析国际上放射治疗计划系统及其关键科学技术问题发展状况的基础上,设计了一个基于现代计算机技术和核物理数值模拟方法的、用于精确放射治疗的先进计划与质量控制系统(称之为ARTS:Advanced/Accurate Radiation Therapy System),对其关键科学技术问题进行了研究和发展,包括信息处理与建模、快速高精度剂量计算、逆向计划全局优化与控制、实时自动摆位与定位以及计划验证等问题,为进一步开发满足临床实际应用的精确放疗系统建立了科学技术基础,本文给出了ARTS系统的概貌、各主要功能设计思想和关键科学与技术问题研发进展.     

用于逆向放疗计划多目标优化的改进快速非支配排序遗传算法ANSGA-Ⅱ

目的对逆向放射治疗计划进行多目标优化算法研究，以期为逆向放射治疗计划系统提供高效的优化算法选择。方法快速非支配排序遗传算法-NSGA-Ⅱ作为多目标进化优化算法的代表，优于其他算法。利用NSGA-Ⅱ在多目标优化中的优势，并针对其交叉变异操作不够灵活，进行改进形成自适应交叉变异快速非支配排序遗传算法（简称ANSGA-Ⅱ）；寻优过程中，根据逆向放射治疗计划优化的特性，在算法每一代充分利用决策变量的先验知识进行种群生成，来提高算法的全局寻优能力。结果用优化一张人体头部CT片上靶区、危及器官、其他正常组织的平均剂量实例进行测试，本文算法可以在几分钟内找到满意解。结论本文算法可以为实际的逆向放射治疗计划优化提供优化方法选择。