【摘要】：腫瘤放射治療是目前癌癥治療的主要手段之一,其關鍵目的是在確保靶區(qū)達到處方劑量的同時,盡可能的降低周圍正常組織的劑量沉積。劑量學驗證是當前臨床放療技術質(zhì)量控制與質(zhì)量審核的主要方式。但放療計劃的質(zhì)量受限于計劃設計人員的經(jīng)驗累積,計劃質(zhì)量的一致性難以保證。同時,臨床計劃多服從于統(tǒng)一的規(guī)范標準,不能為患者提供個體化的治療計劃。而研究表明,通過建模學習患者解剖結構對劑量沉積的影響,可以在計劃設計之前預測新患者的劑量信息,為劑量學驗證和質(zhì)量控制提供標準,滿足患者的個體化特異性需求,同時為放療自動化提供基礎。本文首先深入分析了現(xiàn)有的劑量學特征預測的方法,分別討論了現(xiàn)有方法下對危及器官劑量學指征項預測,DVH預測,三維劑量分布預測等不同預測目標的實驗思路并分析其優(yōu)劣性。上述預測方法中,劑量學指征項和DVH為壓縮的劑量學特征,包含的信息并不全面,不能滿足某些腫瘤類型對三維劑量分布的臨床需求,需要對信息包含更全面的三維劑量分布進行預測。因此,本文基于現(xiàn)有的通過神經(jīng)網(wǎng)絡對單個危及器官進行三維劑量預測的方法,結合機器學習中多任務學習方法,提出了一種單模多器官的三維劑量預測方法。該方法考慮危及器官之間的關系,并行構建多器官間幾何解剖結構與三維劑量分布的關聯(lián)模型。相較于對單個危及器官建立預測模型,該方法可以同時對多個危及器官建立預測模型。同時,針對單模多器官模型還需要進行人工特征提取從而可能造成重要信息丟失的缺陷,本文還提出了一種基于深度卷積網(wǎng)絡的三維劑量分布預測模型。該模型基于U-net網(wǎng)絡和densenet網(wǎng)絡搭建而成,可以直接從患者的結構分布輪廓圖中學習到幾何結構分布與對應三維劑量分布的關系,從而預測整個照射范圍內(nèi)的劑量分布。為驗證單模多器官劑量預測方法,實驗收集了 15例鼻咽癌的MRT計劃,并提取了危及器官體素與靶區(qū),其他相關危及器官以及治療計劃間的相關信息,對腦干,左右腮腺,脊髓建立單模多器官的劑量預測模型。并與團隊驗證過的基于神經(jīng)網(wǎng)絡的單器官預測模型和進行比對分析。5例測試集的測試結果顯示,多任務模型的預測精度更高,誤差更小。其中脊髓、腦干、左右腮腺的平均體素相對處方劑量的百分平均誤差分別為2.01%±0.0249、2.65%±0.0214、2.45%±0.0217和2.55%±0.0216。實驗結果表明,相較于基于神經(jīng)網(wǎng)絡的單模單器官,多任務模型的預測結果精度更高。為了驗證深度卷積網(wǎng)絡預測方法,實驗收集了37例IMRT鼻咽癌數(shù)據(jù),搭建深度卷積網(wǎng)絡模型,提取感興趣區(qū)域輪廓結構圖作為訓練輸入,訓練劑量預測模型。5例測試集的測試結果顯示,該模型預測誤差小,DVH圖和三維分布圖的擬合程度高,所有體素點相對處方劑量的百分平均誤差為2.36%±0.0214,其中脊髓、腦干、腮腺和靶區(qū)的平均誤差分別為2.04%±0.0154、2.56%±0.0226、2.07%±0.0188和1.27%±0.10。綜上所述,本文首先提出了一種基于多任務學習的單模多器官三維劑量預測模型,并在此基礎上針對存在問題提出了基于深度卷積網(wǎng)絡的三維劑量預測模型。實驗結果證明兩種模型預測精度都較高,且各有優(yōu)劣。
【圖文】：

逡逑如果體素處于ＰＴＶ內(nèi)部則為負值，表示重疊，如圖２－１所示。在該預測模型中，逡逑每個危及器官的ＤＴＨ圖和ＰＴＶ，ＯＡＲ的體積共同構成需要的解剖結構信息作逡逑為模型訓練的輸入，對應的ＤＶＨ作為模型訓練的輸出。逡逑每一個危及器官的ＤＴＨ曲線和ＤＶＨ曲線都通過５０個采樣點來表示，從而逡逑變?yōu)榱隋澹担熬S的特征空間。為了提高特征之間的共線性作者使用了主成分分析法逡逑ＰＣＡ來將每個危及器官的特征空間降到相同的低維度，并得到一個特征轉換矩逡逑陣。之后通過支持向量機來學習患者幾何結構與ＤＶＨ之間的關系【２１１。對于一個逡逑新的患者，只要輸入轉換后的ＤＴＨ，邋ＰＴＶ和該ＯＡＲ的體積就可以得到對應的逡逑ＤＶＨ。該方法共收集了邋２１２個臨床前列腺腫瘤計劃，其中１９８個用來做訓練，逡逑其余的１４個用來做驗證，，分別針對膀胱和直腸訓練了邋ＤＶＨ預測模型，其預測逡逑效果良好。逡逑圖２－１器官結構與距離分布展示逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｏｒｇａｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ａｎｄ邋ｄｉｓｔａｎｃｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ逡逑２．１．３基于核密度函數(shù)的ＤＶＨ預測方法逡逑基于核密度的ＤＶＨ預測方法由Ｓｋａｒｐｍａｎ等人［１３】提出的

問代表NB的體積，ｄ（ｐ，：0表示體素；７與ｒ的表面間的距離，雨代表與逡逑耙區(qū)ｒ表面距離ｄ（ｐ，Ｔ）在范圍［ｒ，（ｒ邋＋邋ｄｒ）］內(nèi)的ｐ的合集，ｄｒ是距離單元。其中逡逑為負值時，代表體素處于靶區(qū)內(nèi)部。如圖２－２所示，展示了危及器官和逡逑ＰＴＶ的結構關系和該危及器官的ｄＤＴＨ。從０ＡＲ與ＰＴＶ相連（距離為０）的體逡逑素開始向兩邊依據(jù)自定義的ｄｒ的大小擴散，然后代入公式（２－５）中計算ｄＤＴＨ。逡逑１０逡逑
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：R730.55;TP242

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 曹慶凱;韓樹奎;;4—9 電子束劑量的刻度和束中心軸深度量的解析表達式[J];醫(yī)學物理;1987年Z1期

2 S.Woolf ,J.C.Garch ,梁偉;ONETRAN計算結果與鈷~(60)劑量分布數(shù)據(jù)比較確定光子能譜[J];微電子學;1988年02期

3 楊占山,馮定華,常自持,李士駿;頭部CT掃描時受檢者的體表劑量分布[J];中國核科技報告;1989年00期

4 陳焱;辛暉;;鈾礦山的監(jiān)測要求和劑量分布[J];世界采礦快報;1989年05期

5 孫艷;;中子的劑量分布及染色體分析[J];國外醫(yī)學(臨床放射學分冊);1989年02期

6 劉平,張一云,張曉峰;用Monte Carlo方法研究旋轉γ-刀劑量分布[J];中華放射醫(yī)學與防護雜志;2005年03期

7 徐曉,楊天恩,常力方;二維治療計劃系統(tǒng)中的準三維劑量分布的估算與評價[J];中國腫瘤臨床;1999年07期

8 孟慧鵬;馮遠明;董化江;;基于劑量分布指數(shù)選擇胸部腫瘤最優(yōu)放療計劃的可行性分析[J];輻射研究與輻射工藝學報;2017年01期

9 苑淑渝;王道平;戴光復;何培坤;劉強;;放射性~(125)I粒籽源的劑量分布[J];中華放射醫(yī)學與防護雜志;2006年06期

10 馬永忠;王時進;蘇旭;;立體定向放射治療中靶外劑量分布的研究[J];中國職業(yè)醫(yī)學;2006年02期

相關會議論文 前10條

1 陳飛達;湯曉斌;劉云鵬;謝芹;耿長冉;;基于蒙特卡羅方法的近距離放療劑量分布研究[A];中國核科學技術進展報告（第二卷）——中國核學會2011年學術年會論文集第9冊（核醫(yī)學分卷、核技術工業(yè)應用分卷）[C];2011年

2 王俊杰;田素青;李金娜;劉江平;姜偉娟;;放射性~(125)I粒子平面永久插植布源劑量分布研究[A];第一屆中國腫瘤微創(chuàng)治療研討會暨中國抗癌協(xié)會腫瘤微創(chuàng)治療專業(yè)委員會成立大會論文集[C];2005年

3 李建;郎錦義;吳大可;;X刀放射治療照射野劑量分布特點研究[A];2007第六屆全國放射腫瘤學學術年會論文集[C];2007年

4 紀剛;郭勇;駱億生;張文仲;;~(252)Cf裂變中子源在組織等效模體中的中子和γ輻射劑量分布的計算[A];中華醫(yī)學會放射醫(yī)學與防護學分會第三次全國中青年學術交流會論文匯編[C];2001年

5 劉建平;劉衛(wèi)東;楊俊泉;;非均勻組織中基于蒙卡方法的放療劑量分布研究[A];第五屆全國中醫(yī)藥免疫學術研討會——暨環(huán)境·免疫與腫瘤防治綜合交叉會議論文匯編[C];2009年

6 董洋;李豐彤;王境生;袁智勇;宋勇春;王曉光;劉群;王平;;射波刀同步呼吸追蹤治療模式的實際劑量分布情況研究[A];中華醫(yī)學會放射腫瘤治療學分會六屆二次暨中國抗癌協(xié)會腫瘤放療專業(yè)委員會二屆二次學術會議論文集[C];2009年

7 李家敏;于金明;劉素文;陳慶;穆向魁;江啟安;趙美紅;張建光;;質(zhì)子束在肝細胞肝癌治療中的劑量分布——與X線三維適形及調(diào)強放射治療計劃對比[A];中華醫(yī)學會放射腫瘤治療學分會六屆二次暨中國抗癌協(xié)會腫瘤放療專業(yè)委員會二屆二次學術會議論文集[C];2009年

8 陳常茂;唐雪飛;張萬勤;;水模內(nèi)~(252)Cf線源所致的中子、γ劑量分布[A];Fast Neutron Radiation Therapy--Proceedings of CCAST (World Laboratory) Workshop[C];1999年

9 紀剛;郭勇;駱億生;張文仲;;~(252)Cf裂變中子源在組織等效模體中的中子和γ輻射劑量分布的計算[A];中華醫(yī)學會放射醫(yī)學與防護學分會第三次全中國青年學術交流會論文摘要匯編[C];2001年

10 呂焱;楊曉光;李冰;李雪;;醫(yī)用介入診療X線機輻射場劑量分布特性分析[A];中華醫(yī)學會放射醫(yī)學與防護學分會第三次全國中青年學術交流會論文匯編[C];2001年

相關重要報紙文章 前1條

1 潘海平 朱立毅;諾力刀落戶武警杭州醫(yī)院[N];醫(yī)藥經(jīng)濟報;2002年

相關博士學位論文 前6條

1 王玉;三維放射治療計劃系統(tǒng)仿真建模研究[D];東北大學;2013年

2 陳亮;同步輻射軟X射線輻射效應研究[D];中國科學技術大學;2011年

3 高云生;圖像引導的頭頸部腫瘤放射治療[D];復旦大學;2010年

4 周立慶;靜態(tài)多葉準直器簡化調(diào)強放射治療技術的研究[D];北京協(xié)和醫(yī)學院;2008年

5 江波;基于常規(guī)加速器的全身調(diào)強放療方法[D];北京協(xié)和醫(yī)學院;2010年

6 吳鳳;IMRT和SRT治療肺部腫瘤（非小細胞肺癌和肺轉移癌）的劑量學比較[D];中國協(xié)和醫(yī)科大學;2008年

相關碩士學位論文 前10條

1 郭芙彤;基于機器學習的放療計劃三維劑量分布預測研究[D];南方醫(yī)科大學;2019年

2 孔繁圖;放療計劃三維劑量分布預測研究[D];南方醫(yī)科大學;2018年

3 付正豐;醫(yī)用電子直線加速器治療系統(tǒng)劑量分布的模擬及實驗研究[D];蘭州大學;2018年

4 劉爽;~（125）I種子源近距離放射治療的劑量分布模擬研究[D];東北師范大學;2012年

5 俞順飛;放射治療輻射場劑量分布膠片測量方法研究[D];中國疾病預防控制中心;2008年

6 肖杰;近距離治療中劑量分布的計算模型與優(yōu)化算法研究[D];第一軍醫(yī)大學;2000年

7 李彥飛;基于蒙卡的放療劑量驗證軟件的設計與實現(xiàn)[D];清華大學;2014年

8 吳春華;局部晚期鼻咽癌三維適形放療的劑量分布研究[D];廣西醫(yī)科大學;2002年

9 葉婷;HT、sIMRT、VMAT在鼻咽癌治療中劑量分布的比較[D];昆明醫(yī)科大學;2016年

10 萬海霞;輻射場可視化平臺劑量分布快速計算程序開發(fā)[D];華北電力大學;2012年

本文編號：2708380