基于蒙特卡罗的调强放疗笔形束剂量计算系统研发

摘要

70％以上的癌症患者需要进行放射治疗，调强放疗是目前疗效最好的放射治疗方法。剂量计算方法是设计和开发调强放疗计划系统的关键点之一，其计算的准确性和快速性直接影响疗效和实施效率。为打破欧美国家对高端放疗系统的垄断，提升国产放疗装备水平，本论文对调强放疗计划系统中的剂量计算做了一系列研究，具体情况如下:
　　1)基于Gate的调强放射治疗蒙特卡罗仿真研究。在linux系统下搭建了Gate放射治疗仿真平台，模拟医科达Precise系列医用电子直线加速器6MV光子调强放射治疗过程，系统开展了人体放射治疗仿真研究。并通过仿真加速器头放射源照射物理过程，构建了6MV光子源相平面模型。通过Gate仿真照射水箱实验结果，高精度地拟合医科达Precise系列医用电子直线加速器6MV光子能谱特性，确定了基于蒙特卡罗仿真的笔形束剂量计算剂量沉积核。
　　2)基于蒙特卡罗的笔形束剂量计算算法研究。通过将不规则射野划分为若干个有限截面大小的笔形束，并通过将加速器笔形束剂量沉积核和有限截面笔形束进行卷积，计算患者人体三维剂量分布。为进一步提高剂量计算速度，仅计算放疗靶区和危及器官剂量分布，避免全身三维卷积计算。为了计算非均匀人体中的剂量分布，采用水等效放射深度沿射线路径单方向进行卷积。通过与商用临床调强放疗计划剂量分布对比分析，验证了本文研发的剂量计算算法能够满足临床调强放射治疗计划剂量计算精度要求。
　　3)调强放疗计划剂量计算软件研发。设计开发了基于蒙特卡罗的笔形束剂量计算软件IMDC(Intensity Modulated Dose Calculation)，并将其集成到现有自主研发的影像引导智能放疗软件平台MBIG-IRT(Multimode-BiomoleculeImage-Guided-Intelligent Radiation Treatment)上，实现调强放疗剂量计算算法的临床应用转化。本研究实现的剂量计算子系统主要功能有:①调强放疗计划管理:病人DICOM标准格式放疗计划RT文件及其相应的医学影像文件管理、显示和浏览病人调强放疗计划信息和影像信息;②调强放疗剂量计算:基于蒙特卡罗的笔形束剂量计算算法，DICOM标准剂量文件的创建与保存;③剂量计算结果评估:剂量可视化评估、剂量体积直方图评估、等剂量线可视化评估。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 调强放疗简介

1．3 剂量计算方法现状

1．4 内容与结构安排

第2章 剂量计算方法概述

2．1 放疗剂量计算

2．1．1 放疗术语

2．1．2 剂量计算

2．1．3 放疗照射方式

2．2 基于修正的剂量算法

2．2．1 中心轴剂量

2．2．2 射野离轴剂量比

2．2．3 剂量修正因子

2．2．4 修正算法计算公式

2．3 基于模型的剂量计算

2．3．1 卷积叠加模型

2．3．2 笔形束模型

2．4 基于蒙特卡罗的剂量计算

2．4．1 算法原理

2．4．2 通用蒙特卡罗程序

2．5 本章小结

第3章 基于Gate的蒙特卡罗仿真研究

3．1 Gate仿真平台

3．1．1 Gate简介

3．1．2 Gate结构体系

3．1．3 电磁物理过程

3．2 放疗仿真过程

3．3 各部分几何建模

3．3．1 独立病人部分

3．3．2 依赖病人部分

3．3．3 病人人体三维建模

3．4 电子源和相平面

3．5 Gate仿真步骤

3．6 人体放疗仿真结果

3．7 本章小结

第4章 基于蒙特卡罗的笔形束剂量算法研究

4．1 解析笔形束核

4．1．1 光子能量沉积

4．1．2 主剂量散射剂量模型

4．1．3 半影区剂量沉积核

4．2 笔形束核参数估计

4．2．1 笔束核的蒙特卡罗模拟‘

4．2．2 笔束核参数拟合

4．3 适合IMRT的有限笔束算法

4．3．1 等效放射深度计算

4．3．2 有限笔束算法

4．4 计算方法评估

4．4．1 误差统计评估

4．4．2 离轴剂量分布评估

4．4．3 剂量体积直方图评估

4．4．4 等剂量线评估

4．5 本章小结

第5章 调强放疗剂量计算软件研发

5．1 系统软件总体构架

5．2 系统功能总体设计

5．3 剂量计算界面设计

5．3．1 菜单模块

5．3．2 工具模块

5．3．3 显示模块

5．3．4 剂量计算向导

5．4 剂量计算数据结构设计

5．4．1 放疗文件接口类

5．4．2 有限笔束数据结构设计

5．4．3 剂量沉积核数据结构设计

5．4．4 系统数据流

5．5 剂量计算类IMDC设计

5．5．1 公有数据设计

5．5．2 私有数据设计

5．5．3 公有函数设计

5．5．4 私有函数设计

5．6 剂量计算算法设计与实现

5．6．1 算法总体框架

5．6．2 图像输入模块

5．6．3 计算点提取模块

5．6．4 生成有限笔束模块

5．6．5 剂量计算模块

5．7 放疗病人剂量计算测试

5．7．1 剂量计算测试

5．7．2 剂量评估测试

5．8 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间参与的科研项目