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适形调强放射治疗系统若干关键技术的研究

黄禹  
【摘要】:适形调强放射治疗(Intensity Modulated Radiation Therapy,IMRT) 是一种理 想的放射治疗技术,是新一代放射治疗技术发展的主流。它可有效提高放射治疗的治 疗增益比,在最大限度杀灭肿瘤的前提下,使正常组织和器官免受或少受不必要的辐 照。目前国外对 IMRT 的研究仍有待深入,在广泛应用于临床治疗之前,一些关键技 术需要突破。国内在 IMRT 系统的整体研究方面还是空白。 本文以提高放射治疗的治疗增益比为方向,对 IMRT 的相关理论及关键技术进行了 深入系统的研究,包括:医学图像处理、三维重建、针对 IMRT 的三维模型处理、剂 量计算模型和治疗计划优化、IMRT 实施设备与方法等。 本文首先研究了面向 IMRT 的医学图像处理问题,在详细分析现有图像处理技术的基 础上,提出了一种基于边缘模板的体廓自动提取方法,实现了医学图像的半自动分割。 在三维重建方面,本文提出了一种结合全局优化与局部优化的、基于轮廓相似性 的快速三角划分算法。该算法首先对相邻轮廓的相似性进行判断,对于非相似轮廓采 用模拟退火算法进行三角划分,相似轮廓的三角划分则采用相对简单的局部优化方 法。该算法与一般的全局优化算法相比,视觉效果基本一致,而计算时间得到减少。 针对 IMRT 的具体应用,本文研究了三维模型的显示和处理方法,在建立以空间立 方体形式组织的、具有清晰毗邻关系和索引结构的三角域拓扑模型的基础上,提出了 任意截面与三维模型的快速求交算法。 本文对放射治疗的剂量计算模型进行了分析和总结,在建立以剂量均匀性和健康 组织与病灶剂量梯度差为目标函数的治疗计划优化模型的基础上,提出采用遗传算法 实现 IMRT 治疗计划系统优化,设计了算法的具体实现过程。 鉴于多叶准直器(Multi-leaf Collimator, MLC)在大射野治疗机上的广泛应用, 本文深入探讨了 MLC 适形调强的实现方式,包括:MLC 静态调强、MLC 动态叶片调强 和 MLC 扫描调强技术,推导了 MLC 叶片的运动公式,提出了满足 IMRT 的叶片运动模 型及其控制策略,并分析了有限加速度问题及其处理方法。 针对聚焦式治疗机的特点,本文首次提出聚焦式治疗机扫描调强的概念和原理, 为 IMRT 提供了新的思路和途径,并对其实现方法进行了初步研究。 本文上述研究成果已部分应用在开发的IMRT 实施设备-“OUR-QGD 型立体定向伽玛射 线全身放射治疗系统(全身伽玛刀)”和IMRT 治疗计划原型系统-“XG-TPS”上。


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