【摘要】：隨著生活水平提高和環(huán)境影響,腫瘤日漸成為威脅人們健康和生命的最主要疾病之一,放射治療作為腫瘤治療的核心方法,在腫瘤的治療中有著不可替代的地位。目前放射治療過程中只有物理劑量計算而缺少等效生物劑量(Biologic equivalent dose,BED)計算,不能準(zhǔn)確評估組織生物反應(yīng),如何將計算機(jī)技術(shù)與放射治療技術(shù)結(jié)合做到計算機(jī)輔助決策(Computer aided decision,CAD)和精準(zhǔn)醫(yī)療,是計算機(jī)技術(shù)重要研究領(lǐng)域之一。本文首先研究和改進(jìn)線性二次(Linear quadratic model,LQ)模型,將改進(jìn)LQ模型應(yīng)用到最新的放射治療技術(shù)立體定向放療(Stereotactic body radiotherapy,SBRT)中,進(jìn)行BED計算。然后以改進(jìn)模型為核心算法開發(fā)等效生物劑量計算CAD系統(tǒng),輔助腫瘤醫(yī)生準(zhǔn)確評估放療過程中組織的生物反應(yīng),從而努力做到對腫瘤的精準(zhǔn)治療。使用計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)SBRT中等效生物劑量計算是CAD重要研究領(lǐng)域,也是放射治療中不可或缺的工具。本文主要工作從以下幾方面展開:(1)針對SBRT中LQ模型在高劑量區(qū)低估細(xì)胞存活的缺陷,提出了一種改進(jìn)的LQ模型——線性二次修復(fù)模型。本文通過添加具有曲率約束能力的修復(fù)函數(shù)得到線性二次修復(fù)模型,繼而對修復(fù)模型進(jìn)行推導(dǎo),得到基于修復(fù)模型的等效生物劑量模型。實驗結(jié)果表明線性二次修復(fù)模型的擬合精度要優(yōu)于LQ模型(平均χ~2/df:0.4739 vs.2.9161)。(2)針對細(xì)胞敏感性,本文在線性二次修復(fù)模型基礎(chǔ)上提出了線性二次改進(jìn)模型和細(xì)胞超敏反應(yīng)模型。線性二次改進(jìn)模型通過添加具有自適應(yīng)能力的曲率約束修正因子對LQ模型進(jìn)行改進(jìn),實驗結(jié)果表明,相對于線性二次修復(fù)模型,線性二次改進(jìn)模型對不同細(xì)胞系具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。進(jìn)一步,本文還對細(xì)胞在超低劑量的超敏反應(yīng)進(jìn)行了探索性研究,構(gòu)造了細(xì)胞超敏反應(yīng)模型,用于描述細(xì)胞極低劑量條件下的生物響應(yīng)。(3)根據(jù)提出的線性二次改進(jìn)模型得到的等效生物劑量計算模型,本文設(shè)計實現(xiàn)了等效生物劑量計算評估系統(tǒng)。首先提取放療計劃中.dicom文件中的數(shù)量矩陣轉(zhuǎn)換為.mat格式,實現(xiàn)了放療劑量結(jié)構(gòu)文件的可視化;然后解析計劃文件得到結(jié)構(gòu)矩陣和劑量矩陣,并將本文提出的線性二次改進(jìn)模型作為核心算法應(yīng)用到系統(tǒng)中計算等效生物劑量,提升了CAD系統(tǒng)生物劑量計算的精準(zhǔn)性;最后基于LQ模型、線性二次修復(fù)模型和線性二次改進(jìn)模型,實現(xiàn)了放療劑量方案轉(zhuǎn)換功能。本文通過改進(jìn)LQ模型,繼而得到了改進(jìn)的BED模型,克服了傳統(tǒng)BED模型在SBRT中高估生物劑量的缺點(diǎn)。然后將改進(jìn)的BED模型應(yīng)用到SBRT的等效生物劑量中,開發(fā)了等效生物劑量CAD系統(tǒng),該系統(tǒng)實現(xiàn)了生物劑量的計算及可視化,量化評估了放療過程中組織的生物效應(yīng),為醫(yī)護(hù)人員提供了良好的人機(jī)交互界面和精準(zhǔn)生物劑量計算服務(wù),具有實際應(yīng)用價值。
【學(xué)位授予單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R730.55;TP311.52
【圖文】：

設(shè)備中不斷的應(yīng)用，如圖 1.1 所示放射治療從傳統(tǒng)的普通外照射發(fā)展到適形、調(diào)強(qiáng)，使得立體定向放射治療應(yīng)運(yùn)而生。但是現(xiàn)在的放射治療系統(tǒng)只有物理劑量計算，等效生物劑量的準(zhǔn)確計算，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確評估組織的生物反應(yīng)，成為了精準(zhǔn)醫(yī)療的，所以急需有等效生物劑量計算能力的計算機(jī)輔助決策（Computer aided decision，D）系統(tǒng)的開發(fā)[3, 4]。立體定向放射治療技術(shù)（Stereotactic body radiotherapy，SBRT）從顱內(nèi)立體定向放科技術(shù)[5]（Stereotactic Radiosurgery，SRS）逐漸發(fā)展成為一種腫瘤放射治療的新技6]。SBRT 的特點(diǎn)是放射療程短（1~10 次）、單次劑量大（5~30Gy）和治療精度高，時間內(nèi)對腫瘤進(jìn)行有效治療[7]，在對原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性的肺部腫瘤治療中，表現(xiàn)出了好的臨床治療效果，同時與傳統(tǒng)放療技術(shù)相比 SBRT 可以大大降低治療的時間和經(jīng)本[8]。但是單次大劑量帶來的是更高的生物效應(yīng)，更加需要嚴(yán)格把控，所以在進(jìn)行定向放射治療時，通過計算輔助決策系統(tǒng)準(zhǔn)確計算等效生物劑量，從而對組織的生應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確評估努力實現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療。

劑量小于TD 時與 LQ 模型曲線相同，劑量大于TD 時與多靶模了在轉(zhuǎn)換劑量TD 處保持光滑和減少模型參數(shù)，假設(shè)多TD 點(diǎn)相切。該約束條件將模型參數(shù)從四個降低到了三個過該約束可以用其它三個參數(shù)表示 ，即：2)q為：0-（1.6）構(gòu)成了完整的 USC 模型。按照 BED 模型的定生物劑量計算方法：

在低劑量區(qū)使用 LQ 模型來擬合生存的斜率來描述細(xì)胞生存曲線，LQL 模型方程為： ))TTD DTD DD D 模型中的生物學(xué)意義相同，D為分次劑量，TD區(qū)域中每單位劑量的對數(shù)殺傷。同樣 LQL 模22[ /( / )][ /( / )] [( / )( )]TT T TD D DD D D D D 模型在高劑量區(qū)域局限性的簡單改進(jìn)。對那些以簡單有效地進(jìn)行擬合。

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本文編號：2799361