Monte Carlo模拟平滑技术及矩阵模型FsPB中的剂量修正算法研究

摘要

剂量计算作为放射治疗计划系统的核心模块之一，一直以来备受关注，寻求快速高精度的剂量计算方法对于发展调强放疗逆向计划系统具有重要意义。本论文所述研究工作均围绕剂量计算这一核心主题来开展，具体地，包括三个部分： 蒙特卡罗(Monte Carlo，MC)方法作为模拟粒子输运的强有力工具，因为其收敛速度慢、计算时间长等致命弱点限制了在临床放疗计划系统中的应用。为此，本工作通过引入三维滤波技术加速Monte Carlo模拟，实现和改进三维高斯和Savitzky-Golay滤波器，在此基础上，提出了并联和级联混合滤波器。误差分析表明，三维滤波器可以有效平滑粗糙的MC剂量分布。 以项目组先期的基于MC模拟的矩阵模型FsPB(Finite-size Pencil Beam，有限笔束)算法为基础，通过重新设计算法流程，降低算法复杂度，以期达到有效提高计算速度的目的。测试结果说明，在水模计算条件下，重新设计后的矩阵模型FsPB算法在保证计算精度的前提下，将计算速度提高了几十倍。 考虑到人体组织的非均匀性，需要通过修正算法将矩阵模型FsPB水模中的剂量计算结果修正为人体剂量。本工作借助CT图像获取人体组织非均匀信息，首先将CT值转换为电子密度，然后利用一维Batho法计算修正因子，最后得到人体剂量分布。临床算例测试表明，Batho算法简单易于实现且速度快，一般情况下能够满足临床应用需要。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

致谢

第一章绪论

1.1放射治疗计划系统概述

1.1.1放射治疗计划系统的分类

1.1.2放射治疗计划系统中的剂量计算

1.1.3放射治疗计划系统的坐标系统

1.2 IMRT概述

1.3论文的研究内容及意义

第二章加速Monte Carlo模拟的混合滤波技术

2.1概述

2.2三维高斯和Savitzky-Golay滤波器

2.2.1三维高斯滤波器

2.2.2三维Savitzky-Golay滤波器

2.3信号处理方法

2.4三维混合滤波器

2.5三维滤波器的程序实现

2.6算例验证

2.7小结

第三章基于Monte Carlo模拟的矩阵模型FsPB算法的改进

3.1概述

3.2基于MC模拟的矩阵模型FsPB算法的基本原理

3.3基于MC模拟的矩阵模型FsPB算法的设计

3.3.1宽广野的划分

3.3.2子野剂量分布数据库的建立与反演

3.3.3任意位置不规则野的表达

3.3.4输入输出

3.4基于MC模拟的矩阵模型FsPB算法的改进思想

3.5算例验证

3.6小结

第四章组织非均匀修正

4.1概述

4.2 Batho非均匀修正理论

4.2.1一维修正中的Batho法

4.2.2 Batho法推广公式的改进形式

4.3 Batho修正法在矩阵模型FsPB算法中的应用

4.3.1坐标系统中的CT图像定位

4.3.2组织体模比(TPR)数据表格处理

4.3.3建立和处理电子密度矩阵

4.3.4变量定义

4.3.5计算未知变量及CO和CF值

4.3.6修正后的计算点剂量

4.4算例验证

4.5小结

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

硕士期间发表的论文