DPM程序并行化及在调强放射治疗计划系统应用研究

摘要

目前我国癌症死亡已位居各类死因的第一位，在世界上每年有近1000万新发癌症患者，仅中国每年有约200万新发癌症患者，其中约150万人死于癌症，癌症正成为新世纪第一杀手。放射治疗、手术治疗和化学治疗是治疗恶性肿瘤的三大手段，至少70％的肿瘤病人需要接受不同程度的放射治疗。
　　调强适形放射治疗(IMRT)是在三维适形放射治疗（3D-CRT）基础上发展起来的精确放疗技术，该技术大大提高了恶性肿瘤的控制率，同时最大程度地降低正常组织并发症发生率，是目前临床上应用最广的放射治疗技术之一。放疗过程中病人受照剂量的快速精确模拟与验证是保证放疗疗效的重要因素。
　　本论文基于MPI并行技术实现了蒙特卡罗程序DPM的并行化，实现了调强放疗计划中基于蒙特卡罗程序DPM的快速精确的剂量验证功能。研究并修改了DPM程序的随机数使用方式及能量沉积公式，使DPM串行程序具有良好的并行性。DPM并行化的主要流程是:首先，主处理器读取DPM输入文件信息并播发这些输入文件信息，根据总进程数动态分配每个处理器的计算任务（模拟粒子数）和随机数;其次，从处理器读取输入文件信息，完成系统的初始化，开始粒子抽样及输运过程，并将体模中的能量沉积信息写入缓冲池;最后，从处理器将体模中的能量沉积信息归并到主处理器中的能量沉积函数，主处理器实现体模中所有沉积能量的后处理，最终得到体模中感兴趣区域的剂量沉积信息并输出结果。
　　通过对比测试均匀水模和临床病例发现，DPM并行程序的计算结果与串行程序的剂量计算结果一致，可以用并行程序的剂量计算结果代替串行程序的剂量计算结果。而计算时间方面，并行程序的加速比与所用的计算核数目基本呈线性关系。在目前高性能工作站上，将DPM并行程序应用于临床放疗计划系统中进行剂量验证，通常可以在几分钟内精确得到临床病人接受放疗计划后的三维剂量分布，在计算精度满足临床剂量计算要求的前提下，大幅提高了DPM程序的计算速度，对于DPM程序应用于临床放疗计划系统中进行剂量验证具有重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景

1．2 放射治疗的发展

1．2．1 三维适形放射治疗

1．2．2 调强适形放射治疗

1．3 剂量计算方法简介

1．3．1 确定论计算方法

1．3．2 蒙特卡罗方法

1．4 精确放射治疗系统ARTS简介

1．5 研究内容及意义

第二章 DPM计算程序和MPI并行设计方法介绍

2．1 DPM源程序简介

2．2 DPM程序通用性改进

2．2．1 DPM程序功能划分

2．2．2 真实人体模型建模

2．2．3 照射源模型的改进

2．3 MPI并行编程技术介绍

2．3．1 并行编程技术简介

2．3．2 物理问题在并行机上的求解

2．3．3 MPI并行程序设计

2．4 小结

第三章 DPM并行设计及实现

3．1 DPM并行化可行性分析

3．1．1 随机数产生器分析

3．1．2 粒子输运过程分析

3．2 DPM程序并行化设计

3．2．1 剂量计算结果后处理

3．2．2 随机数使用方式修改

3．2．3 DPM程序并行化流程图

3．3 DPM程序并行化实现

3．3．1 DPM程序计算流程

3．3．2 DPM并行实现步骤

3．4 DPM并行程序测试

3．4．1 计算精度测试

3．4．2 加速比分析

3．5 小结

第四章 DPM并行程序在调强适形放疗计划系统中应用

4．1 三维适形放疗计划应用

4．1．1 计算例题描述

4．1．2 计算结果分析

4．2 调强适形放疗计划应用

4．2．1 计算例题描述

4．2．2 计算结果分析

4．3 小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．1．1 研究内容总结

5．1．2 论文主要贡献

5．2 展望

参考文献

致谢

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