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。     

基于循环一致性生成对抗网络的盆腔伪CT生成方法

目的:基于循环一致性生成对抗网络（CycleGAN）,利用非配对患者盆腔部位数据,实现MRI和CT图像之间的相互转换,并对基于该模型生成的盆腔伪CT（sCT）进行精度和剂量性能的评估。方法:该CycleGAN网络包含两个生成器和两个判别器。先基于全卷积网络（FCNs）构建两个生成器,一个将2D盆腔MRI转换为2D盆腔sCT图像,另一个将CT图像转换为伪MRI（sMRI）图像。再基于FCNs构建两个判别器,用于对真实图像和生成的伪图像进行判别,提升生成图像的质量。为保证sCT图像与MRI图像的一致性,引入归一化互信息作为相似性约束损失项,对模型进行改进。训练集包括35例患者盆腔部位的T1-MRI图像和另外36例患者盆腔部位的CT图像,测试集包括10例盆腔部位患者的MRI和CT图像,评估方法包括sCT与CT图像的误差和放疗剂量伽马通过率。结果:对于测试集中所有病例,生成的sCT与真实CT图像之间的平均绝对误差（MAE）为35.537（±4.537） HU;基于体素的平均剂量差异最大为0.49%;以3%/3 mm、2%/2 mm和1%/1 mm为标准的平均伽马通过率分别高于99%、98%和95%。结论:使用CycleGAN网络和非配对患者训练数据可以生成准确且符合临床剂量精度要求的盆腔部位sCT图像。     

DeepPlan系统中快速直接子野优化在临床中的应用研究

目的 通过与Pinnacle计划系统在临床静态调强放疗（intensity modulated radiation therapy,IMRT）病例上的对比,研究自主研发的DeepPlan计划系统的快速直接子野优化模块的临床应用性能。方法 选取安徽省肿瘤医院25例肿瘤患者资料（其中6例头颈部、10例胸部和9例盆腔）,分别使用DeepPlan和Pinnacle制定静态调强放疗计划,比较两个计划系统优化后的靶区适形度和均匀性、机器跳数、子野数的差异,并针对宫颈癌病例比较剂量学参数差异。结果 两个系统中所有病例均满足临床剂量要求,DeepPlan的平均优化时间为86 s,平均剂量计算时间为8.36 s。与Pinnacle相比,DeepPlan优化出的放疗计划具有更小的机器跳数、更多的子野和更大的靶区适形度指数（conformity index,CI）,差异具有统计学意义（t=-3.208、2.912、2.875,P<0.05）;靶区均匀性指数（homogeneity index,HI）的差异无统计学意义（P>0.05）。在宫颈癌病例中,DeepPlan优化后的膀胱V₄₀低于Pinnacle （t=-5.498,P<0.05）,小肠V₂₀高于Pinnacle （t=2.581,P<0.05）。结论 DeepPlan通过图形处理器（graphics processing unit,GPU）加速能够在较短时间内完成直接子野优化,得到满足临床要求的静态调强放疗计划。与Pinnacle相比,DeepPlan系统有更好的靶区适形度和更小的机器跳数,但子野数更多,对宫颈癌病例中膀胱的保护略好,对小肠的保护略差。     

基于DPM的调强放疗计划剂量验证工具的实现

目的 基于简单快速蒙特卡罗程序DPM（dose planning method）,通过植入照射源模型并改进程序,解决DPM中无法实现任意角度入射和非规则非均匀野模拟的问题,使其成为调强放疗计划系统的实用蒙特卡罗剂量验证工具。方法 通过加速器反演出的能谱结合优化给出的强度图模拟加速器的粒子输运过程。使用虚拟点源结合反演出加速器能谱模拟了加速器的照射源部分,基于DPM的粒子输运物理模型,结合调强放疗计划中的照射野强度分布,以及出射粒子的权重与强度图中的强度相结合,实现了算法。结果 通过将DPM模拟计算的规则野结果与三维水箱测量数据对比了百分深度剂量（PDD）和百分离轴剂量（OAR）,误差在野内<2%,半影2~3mm。以及DPM模拟计算非规则野的结果与有限笔形束剂量计算方法FSPB计算结果的对比,趋势符合,γ分析通过率为95.1%,误差都在允许范围内。校验了改进的DPM的功能和计算精度。结论 植入简便照射源模型的DPM程序相较于经典蒙特卡罗程序,速度较快,计算精度和时间可以满足临床需求,可以作为调强放疗计划系统中剂量验证工具。     

基于改进区域生长算法的肝脏分割方法研究

目的：把肝脏从医学图像中提取出来,为肝脏三维定位以及放疗计划制定提供准确的数据。肝脏与其周围器官组织灰度差别小、边界不明显,而传统区域生长算法生长准则单一,不能满足分割精确度需求,并且未经处理的轮廓比较粗糙。针对这些问题,本文提出一种改进的区域生长算法。方法：本文算法主要从三个方面改进：基于先验经验和肝脏特性的种子区域选择;基于Canny算子边缘检测结果的区域生长准则动态优化;基于漫水填充法和曲线拟合的轮廓后处理。结果：本文使用多套临床实际腹部CT序列测试算法,以医生手动勾画结果为标准进行评价。在大多数CT切片上的肝脏自动分割都能取得较好的结果,并且分割用时很短,保证了效率。结论：测试结果表明,本文算法在动态控制区域生长和平滑轮廓方面有很好的作用,在保证速度的同时有效提高了肝脏自动分割精度。     

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。     

促肾上腺皮质激素刺激对脓毒症及脓毒性休克患儿肾上腺功能评估的意义

目的 探讨小剂量(1μg/1.73 m2)促肾上腺皮质激素(ACTH)刺激实验评估儿童脓毒症和脓毒性休克肾上腺功能状态的价值.方法 患儿入院24h内完成基础皮质醇(T0)测定,静脉注射1μg/1.73m2 ACTH,30 min后测定血液皮质醇(T1),根据T0和皮质醇增值(△max=T1-T0)判断肾上腺功能,以△max≤90μg/L为肾上腺功能障碍(AI)指标.结果 62例中,脓毒症53例,脓毒性休克9例,病死率为27.4%(17/62).肾上腺功能障碍(adrenal insufficiency,AI)发生率40.3%(25/62),其中脓毒症和脓毒性休克患儿AI发生率分别是39.6%和44.4%,差异无显著统计学意义(P>0.05).两组脓毒症和脓毒性休克平均T0和T1分别是(318.6±230.4)μg/L、(452.3±230.7)μg/L和(454.7±212.7)μg/L、(579.3±231.9)μg/L,差异无统计学意义(P>0.05).存活组和死亡组患儿T0、T1分别是(320.5±223.9)μg/L、(462.3±212.0)μg/L和(384.3±258.3)μg/L、(500.7±470.6)μg/L,两组AI发生率分别是37.8%和47.1%,差异无统计学意义(P>0.05).T0和T1水平与儿童危重病例评分(PCIS)有关(P<0.05),AI发生率与PCIS、PRISMⅢ和器官功能障碍数目无关(P>0.05).结论 儿童脓毒症和脓毒性休克患儿AI发生率较高.小剂量ACTH刺激实验可以判断严重感染患者肾上腺功能,可为激素治疗提供依据.     

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。     

蒙特卡罗程序DPM的并行化及其在精确放射治疗中的应用

目的：针对蒙特卡罗程序DPM（Dose Planning Method）计算时间不能完全满足临床要求的问题,本文研究DPM的多进程并行化,并将其应用于精确放疗。方法：利用多核计算机系统,各处理器平均分配计算任务（粒子数目）,主处理器负责读入并播发DPM输入信息,从处理器读取播发信息并完成初始化;各处理器并行计算并将剂量计算结果写入缓冲池;在模拟过程的最后阶段,主处理器收集各从处理器的剂量计算结果并处理输出。结果：基于均匀水模和临床病例,对DPM并行计算和串行计算的计算结果和计算时间进行对比分析,结果显示两种计算程序得到的百分深度剂量曲线和不同深度的离轴剂量曲线吻合,显示出DPM并行代码和串行代码的计算精度相同。串行代码在模拟临床病例时需要37.2min,而并行代码在4个处理器上只耗费了10.1min,显示出并行模拟具有很好的加速比。结论：本文研究的并行化技术可以大幅提高DPM剂量计算速度,对于DPM应用于临床放疗计划中的剂量计算具有重要意义。     

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。