本文關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)圖像非剛性配準(zhǔn)技術(shù)的研究及其在4D重離子放射治療計(jì)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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【摘要】：重離子束具有倒轉(zhuǎn)的深度劑量分布和射程末端高的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)(relative biological effectiveness,RBE)的優(yōu)勢(shì),因此被認(rèn)作目前最佳的用于放射治療的射線。重離子放射治療過(guò)程中,同一分次治療中由于呼吸運(yùn)動(dòng)等導(dǎo)致的靶區(qū)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起器官位置和形狀的變化。對(duì)于因患者呼吸而運(yùn)動(dòng)的腫瘤靶區(qū)的重離子放射治療中,通常在臨床靶區(qū)基礎(chǔ)上外擴(kuò)一定的照射范圍來(lái)確保呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的靶區(qū)運(yùn)動(dòng)不被遺漏,由于不同患者的呼吸特征不一樣,這種基于患者人群的估計(jì)會(huì)高估或者低估特定患者需要外擴(kuò)的照射范圍。高估會(huì)使正常組織和器官卷入高劑量區(qū),損害關(guān)鍵器官;低估則會(huì)導(dǎo)致對(duì)腫瘤組織的照射不足,降低腫瘤組織控制率。四維(four dimensional,4D)重離子放射治療可以有效的解決這一問(wèn)題。4D重離子放射治療定義為在成像、治療計(jì)劃制定以及束流配送過(guò)程中包括解剖結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的改變對(duì)治療的影響而進(jìn)行的重離子治療。在治療過(guò)程中,通過(guò)跟蹤和補(bǔ)償靶區(qū)運(yùn)動(dòng),最大程度提高靶區(qū)所接受的劑量,同時(shí)盡可能減小對(duì)靶區(qū)周圍正常組織的輻射損傷。非剛性圖像配準(zhǔn)技術(shù)是4D放射治療計(jì)劃制定的關(guān)鍵。非剛性配準(zhǔn)技術(shù)通過(guò)建立不同呼吸時(shí)相的解剖結(jié)構(gòu)上體素的對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)器官的自動(dòng)勾畫和體素上劑量的累加。本論文通過(guò)對(duì)非剛性配準(zhǔn)技術(shù)的研究及其在4D重離子放射治療計(jì)劃中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn),為4D重離子治療計(jì)劃系統(tǒng)的開發(fā)了奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本論文開展的研究工作和取得的研究結(jié)果主要有以下幾個(gè)方面:1)基于matlab編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)目前應(yīng)用較廣的Demons配準(zhǔn)算法和基于三次B樣條自由形變模型的配準(zhǔn)算法。采用科研網(wǎng)站上發(fā)布的10例患者的4D CT數(shù)據(jù),使用呼氣末期和吸氣末期圖像上300對(duì)對(duì)應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)前后的目標(biāo)配準(zhǔn)誤差,對(duì)兩種算法的精度進(jìn)行了對(duì)比,基于B樣條的配準(zhǔn)算法的精度優(yōu)于Demons配準(zhǔn)算法。2)首先將非剛性配準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)用于輪廓的自動(dòng)推衍。本文基于c語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了基于二值圖像和基于三角面片的兩種輪廓自動(dòng)推衍算法。采用6例患者4D CT數(shù)據(jù),由專業(yè)醫(yī)師在呼氣末期和吸氣末期上勾畫了器官輪廓�；贒emons配準(zhǔn)算法得到的位移場(chǎng),分別使用兩種輪廓推衍算法將呼氣末期上的器官輪廓自動(dòng)推衍得到吸氣末期上對(duì)應(yīng)器官的輪廓,然后與醫(yī)師手動(dòng)勾畫的器官輪廓做定量分析,發(fā)現(xiàn)基于三角面片的輪廓推衍算法得到的輪廓更接近醫(yī)師手動(dòng)勾畫的輪廓。3)其次將非剛性配準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)用于劑量重建。本文基于matlab語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了基于插值的劑量重建算法。并對(duì)基于插值方法累積的劑量和參考計(jì)劃的劑量進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)在人體頭腳和前后方向劑量結(jié)果差異較大。4)制定4D重離子二維分層適形照射治療計(jì)劃,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。然后分別以內(nèi)靶區(qū)(internal target volume,ITV)和腫瘤區(qū)(Gross Tumor Volume,GTV)外放3 mm的器官作為靶器官進(jìn)行4D治療計(jì)劃制定,并對(duì)劑量結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)采用ITV的計(jì)劃對(duì)正常組織進(jìn)行了更好的保護(hù)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：R730.55

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本文編號(hào)：1304001