放射治疗计划中光子束剂量计算及可视化技术的研究

摘要

放射治疗是目前恶性肿瘤治疗的主要手段之一,放射治疗计划系统作为放射治疗开展的重要一环,特别是剂量计算及其可视化技术,对精确放射治疗的实现和新型放射治疗技术的发展具有重要的意义。随着相关学科的快速发展和放射治疗技术的不断革新,放射治疗计划系统已成为放射治疗领域中的研究热点之一。本文深入研究了光子束剂量计算及其可视化以及与之密切相关的图像分割技术,并在Visual C++平台上开发了一套光子束剂量计算与可视化软件系统,功能包括数据库管理、DICOM图像浏览、图像分割与三维重建、剂量计算及可视化等部分。
　　 图像分割是三维重建和剂量计算及可视化的基础,本文对Live Wire智能分割算法的思想和原理进行了深入研究,对该算法中的代价函数进行了改进。实验结果表明改进后的算法可以更加有效地提取感兴趣组织的边界。
　　 剂量计算是放射治疗计划系统的核心,本文对放射治疗计划中的光子束剂量计算方法进行了深入研究。主要研究了collapsed cone光子束卷积剂量计算算法的原理与技术,在Visual C++平台上开发实现了collapsed cone光子束剂量计算的快速算法。为了验证该剂量计算方法的准确性,本文使用EGSnrc/DOSXYZnrc蒙特卡罗程序,在相同条件下进行模拟计算,并加以分析比较。实验结果表明,本文研究开发的collapsed cone卷积剂量计算算法快速、准确、有效。
　　 剂量可视化是剂量计算的重要评估手段之一,本文研究了以Marching Cubes算法为代表的三维等剂量面绘制算法和以网格追踪法为代表的二维等剂量线绘制算法,并在Visual C++平台上加以实现。实验结果表明,通过面片削减和平滑,Marching Cubes算法重建出的三维等剂量面效果好,计算速度快；网格追踪法算法能够处理等剂量线在边界处不连续的情况,迅速准确地追踪等值线；它们能够分别满足三维和二维剂量可视化的需求。

目录

文摘

英文文摘

图、表清单

第一章 绪论

1.1 放射治疗的发展历史

1.1.1 肿瘤放射治疗的产生和发展

1.1.2 放射治疗计划系统

1.2 放射治疗计划系统的关键技术

1.2.1 医学图像处理

1.2.2 三维重建

1.2.3 剂量计算

1.2.4 治疗计划设计

1.3 研究目的和意义

1.4 国内外研究现状

1.5 本文章节安排

第二章 医学图像分割

2.1 引言

2.2 医学图像分割技术介绍

2.2.1 区域分割

2.2.2 边界分割

2.3 Live Wire算法

2.3.1 局部代价的计算

2.3.2 Dilkstra最短路径搜索

2.4 Live Wire算法的改进及分割结果分析

2.5 本章小结

第三章 基于collapsed cone光子束卷积剂量算法研究

3.1 引言

3.2 剂量计算理论

3.2.1 放射肿瘤治疗的物理基础

3.2.2 x(γ)剂量计算算法介绍

3.3 Collapsed cone卷积算法剂量计算原理

3.3.1 算法

3.3.2 剂量计算的步骤

3.4 坐标系的转换关系

3.4.1 DICOM标准

3.5 求取能量沉积射线与病人体数据网格的交点

3.6 EGSnrc/DOSXYZnrc蒙特卡罗程序

3.7 结果分析

3.8 本章小结

第四章 剂量可视化技术研究

4.1 引言

4.2 等剂量面的绘制

4.2.1 Marching Cubes算法

4.2.2 其他面绘制算法

4.3 等剂量线的绘制

4.3.1 网格追踪法

4.4 结果分析

4.5 本章小结

第五章 光子束剂量计算及可视化系统软件框架设计

5.1 引言

5.2 系统结构及功能

5.3 系统的界面

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文