肺癌放疗中的肿瘤运动补偿技术研究

摘要

放射治疗是目前世界上治疗肺癌肿瘤最为有效的手段之一，其主要目的是最大程度地辐射肿瘤细胞，同时尽量降低对正常组织的辐射量，减少对正常组织的伤害。目前临床上针对由于呼吸引起的肿瘤运动所采取的常规放疗手段是增大计划靶区，这种放疗手段会使得肿瘤区周围的很多正常组织进入射野，在对放疗患者造成极大伤害的同时，也增大了发生并发症的概率。本文的研究目的是在实现对病人肺部肿瘤运动进行有效补偿的同时，减少或消除主要由呼吸引起的肺部肿瘤运动对放射治疗产生的影响。本文的研究工作和贡献： 提出并设计了一种肺癌放疗肿瘤运动补偿系统。针对肿瘤运动补偿系统中存在需解决的问题如二维工作台的选定、X光挡板的形状尺寸设定、挡板与运动工作台之间的连接和辅助放疗床的设计等，采用三维设计软件Creo3.0绘制出整个肿瘤运动补偿系统的三维模型，并依据此三维模型来搭建出肿瘤运动补偿系统工作平台。 针对肿瘤运动补偿系统中存在的补偿滞后和系统延时等问题，采用扩展Kalman滤波算法通过直接或间接获取的肿瘤位移量对肿瘤位移进行预测，并实验对比了传统预测算法与扩展Kalman滤波算法各自的适应环境及优缺点。以解决肿瘤运动补偿系统中由延时性和滞后性导致补偿精度降低等问题。实验结果表明，在非线性环境中，相对于传统预测算法，扩展Kalman滤波可以对目标的状态做出更优的估计。 为了实现在放射治疗时对二维工作台运动的最优控制，以达到更好的肿瘤运动补偿效果。采用金字塔LK光流法对二维工作台的实际运动进行实时检测。首先通过固定安装在辅助放疗床上的摄像头跟踪放置在二维工作台上标记纸的运动，然后再通过标定参数将该标记纸的运动转换成二维工作台的实际运动距离，并将检测情况与给定的运动控制量进行对比，最后通过两者偏差对控制量进行调整。在实现闭环控制的同时，也达到了二维工作台运动情况实时检测的目的。此外，由于由呼吸引起肺部肿瘤的运动在上下方向最为明显，所以在补偿肿瘤运动时着重考虑这一方向上的肿瘤位移。即主要控制二维工作台在上下轴方向上的移动。

目录

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容和章节安排

2 肿瘤运动补偿系统的总体设计

2.1 肿瘤运动补偿系统设计

2.2 肺癌放疗中的肿瘤运动补偿方法研究

2.3 系统补偿装置的设计

2.4 本章小结

3 基于扩展Kalman滤波的肿瘤位移预测

3.1 典型位移预测算法

3.2 预测实验结果及分析

3.3 本系统所采用的肿瘤位移预测算法

3.4 本章小结

4 肿瘤运动的实时补偿

4.1 步进电机控制方法

4.2 基于金字塔LK光流法的二维工作台位移实时检测

4.3 动态辅助放疗软件

4.4 肿瘤运动补偿实验分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文及参加科研情况

致谢

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