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《南京航空航天大学》 2017年
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立体定向放射治疗系统的关键技术研究及实现

柴磊  
【摘要】:手术、化疗以及放射治疗是肿瘤治疗的三大手段,而其中放射治疗被70%的肿瘤患者使用。放疗的目标是将能量沉积于肿瘤内部,而肿瘤外部无能量沉积,但由于放射线的散射无法做到这一目标,因此实际中,放疗的要求是高剂量区集中于靶区内部,在耐受剂量内保护正常组织。对此,当今提出的精确放疗包含了“精确定位、精确计划、精确出束”。随着放疗的发展,精确放疗的手段从适形放疗发展到调强放疗再到容积旋转调强放疗。由于不同位置的肿瘤放射敏感性不一样,经研究发现,同样的总剂量,大剂量照射治疗后,肿瘤的敏感性会增加,并且合理的大剂量照射还能激发抗肿瘤免疫机制,从而提出了立体定向放射治疗手段,通过精确定位单次大剂量照射对靶区进行照射,同时保护正常组织及敏感器官。本文基于已被大量使用的直线加速器,提出了适用型立体定向放射治疗系统的概念,将当今医院已使用的加速器通过软件及硬件的优化实现可精确实施立体定向放疗。本文针对放疗定位、剂量计算、计划优化以及出束问题进行了研究及实现:首先,本文研究了放射线类的图像引导方式,由于其成像时间不可忽略无法实时监控、图像本身模糊以及引入额外剂量的缺陷,本文设计并实现了基于红外的双目定位系统。双目定位系统采用亚像素级的边缘提取,利用相机直接线性变换标定配合不均匀晶格修正算法,实现了空间中1mm精准度的三维定位功能,利用体膜上多个特征球与CT图像进行配准从而达到治疗中心实时定摆位功能;最后使用支持向量机对定摆位结果进行有效性判断,提供给医生消除呼吸带来的治疗中心偏移的手段。其次,作为计划优化的基础,本文总结了常用的剂量计算模型以及计算方法,在此基础上实现了笔形束核卷积的剂量计算方法,通过推导将笔形束核卷积演算为笔形束叠加方式,使用的加速器测量数据作为笔形束核,并对组织非均匀性以及轮廓非均匀性进行了校正。本文总结了常用的调强技术后,基于靶区的凹凸性提出了基于靶区分割的调强优化算法,通过对靶区轮廓的曲率遍历找到需要分割的凹形区域,将原靶区分割为多个靶区的加减组合,在靶区分割的基础上使用单纯形算法对各个分割靶区的射野权重进行优化,最终得到射野强度通量图。最后,将立体定向放疗的出束方式分为静态调强、动态调强以及旋转调强方式,在获得射野强度通量图的基础上,分别对射野强度图进行子野分割或叶片轨迹生成。对于静态调强方式,介绍了基本子野分割算法后,本文优化并实现了子野数目最优算法;对于动态调强,介绍了基本叶片轨迹算法后,本文实现了最短照射时间叶片轨迹生成算法;对于旋转调强,本文实现了照射弧等间隔子野分割算法。本文基于直线加速器放疗方式的基础,研究并实现了适用型立体定向放疗系统,保证了精确定位、精确计划、精确出束的精确放疗。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R730.55

【参考文献】
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