【摘要】：近年來,癌癥的發(fā)病率和死亡率均呈上升趨勢(shì),已成為威脅人類生命健康的主要?dú)⑹种弧７派渲委熓侵委煇盒阅[瘤的重要手段之一,隨著腫瘤治療學(xué)的發(fā)展,它和外科腫瘤學(xué)、內(nèi)科腫瘤學(xué)一起成為治療惡性腫瘤的主要手段。據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計(jì)資料,大約有70%的腫瘤患者在病程的不同時(shí)期需要接受放射治療,如單純放射治療、術(shù)前或術(shù)后放射治療、放射治療合并化療等。與其它腫瘤治療方法相比,放射治療的起步較晚,至今也不過百年的時(shí)間,但其發(fā)展卻是突飛猛進(jìn)的,尤其是計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),使得放射治療逐步朝著定量化、精確化、程式化、智能化的方向發(fā)展。 局部未控、復(fù)發(fā)和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移是導(dǎo)致腫瘤放射治療失敗的主要原因。提高惡性腫瘤的局控率對(duì)控制腫瘤的復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移、提高患者的生存率有非常重要的意義。腫瘤精確放射治療,就是在物理上最大限度地將射線集中到靶區(qū)內(nèi),使腫瘤周圍的正常組織和器官少受或不受照射,以最大限度的殺死腫瘤細(xì)胞,較好地保護(hù)正常組織。它要求做到：精確診斷、精確定位、精確計(jì)劃、精確擺位、精確照射,三維空間上的高劑量分布與靶區(qū)形狀一致,且靶區(qū)內(nèi)劑量分布符合要求。 擺位的準(zhǔn)確性和重復(fù)性是影響腫瘤放射治療療效的關(guān)鍵性因素之一。病人的擺位誤差是指相對(duì)于治療機(jī)器而言,患者與照射野的位置關(guān)系中的所有不確定因素,治療期間病人受照射靶區(qū)及臨床器官的實(shí)際位置和計(jì)劃位置之間的差異。擺位誤差主要來源于分次治療擺位過程中的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。隨機(jī)誤差是指患者每次治療時(shí)體位重復(fù)性的差異,是在治療期間,不同治療分次之間的差別。另一種擺位誤差是分次內(nèi)誤差,是指在分次治療中單次治療內(nèi)產(chǎn)生的差異,這個(gè)差異主要是由病人的隨機(jī)移動(dòng)或周期性的移動(dòng)造成的,包括呼吸運(yùn)動(dòng)、心臟跳動(dòng)和不自主的肌肉收縮等。 本課題對(duì)擺位誤差校正方法進(jìn)行了深入的研究,回顧了DTS在臨床中的應(yīng)用,重點(diǎn)研究和實(shí)現(xiàn)了DTS圖像的重建,探討了DTS硬件加速方法,并探討了DTS成像算法在放療擺位校正中的具體應(yīng)用。 圖像引導(dǎo)放射治療(Image-guided Radiotherapy, IGRT)是針對(duì)患者解剖和位置信息的不確定性提出的一項(xiàng)技術(shù)。將放射治療機(jī)與影像設(shè)備結(jié)合在一起,在放射治療過程中采集病人的圖像信息,確定治療靶區(qū)和重要結(jié)構(gòu)的位置、運(yùn)動(dòng),并在必要時(shí)進(jìn)行位置和劑量分布的校正,從而提高放療靶區(qū)的擺位精度,提高腫瘤的局部控制并減少正常組織并發(fā)癥。 測(cè)量擺位誤差,需將治療位置實(shí)時(shí)圖像與模擬定位圖像進(jìn)行比較。在不改變治療技術(shù)的條件下,通過校正擺位誤差可以達(dá)到減少擺位誤差的目的。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)測(cè)量的擺位偏差,可在同一個(gè)治療分次內(nèi)校正病人位置,即在線校正,或者在下一個(gè)分次進(jìn)行離線校正。目前應(yīng)用最多的是2D kV或MV X線成像系統(tǒng)、電子射野影像系統(tǒng)、錐形束CT系統(tǒng)、正交X射線系統(tǒng)、CT和治療機(jī)的結(jié)合等。 基于平板探測(cè)板的錐形束CT(Cone Beam CT, CBCT)具有體積小,重量輕,開放式架構(gòu)的特點(diǎn),可以直接整合到直線加速器上,成為了IGRT的研究熱點(diǎn)之一。應(yīng)用于放射治療擺位的CBCT采用圓軌跡的采集方式,X線球管以病人頭腳方向?yàn)檩S在一個(gè)圓軌跡上旋轉(zhuǎn)一周,平板探測(cè)器采集旋轉(zhuǎn)過程中的投影數(shù)據(jù),利用這些投影數(shù)據(jù)進(jìn)行容積重建,得到患者當(dāng)前體位的CBCT圖像,將計(jì)劃CT圖像與CBCT圖像進(jìn)行配準(zhǔn),得到擺位誤差,從而實(shí)現(xiàn)精確的擺位。但是其成像需要機(jī)架旋轉(zhuǎn)一周,這必然使病人接受較大的額外照射劑量(2-9cGy),和較長(zhǎng)掃描時(shí)間(-1 min)。 數(shù)字合成X線體層成像(Digital tomosynthesis, DTS)是以傳統(tǒng)體層攝影的幾何原理為基礎(chǔ),結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)研發(fā)的新型體層成像方法。它的主要特點(diǎn)是一次采集數(shù)個(gè)不同投影角度的投影數(shù)據(jù),可回顧性重建任意深度的層面圖像,可顯示3D信息等。相比于CT技術(shù),雖然DTS的分辨率較低,但是DTS所用設(shè)備簡(jiǎn)單且易與普通X線設(shè)備融合,只需有限角度的投影,這樣就大大減少了檢查的費(fèi)用和輻射劑量。相信在未來的醫(yī)學(xué)診斷中,DTS技術(shù)將發(fā)揮巨大的應(yīng)用價(jià)值。 目前,DTS主要應(yīng)用于乳腺、胸部、關(guān)節(jié)的檢查等多個(gè)領(lǐng)域。DTS的重建算法一般可分為直接重建法和間接重建法兩種。直接重建法又包括解析法和迭代法,間接重建法則包括反投影法,二維傅里葉重建法和卷積法。其中解析法的重建速度最快,而迭代法得到的重建圖像噪聲較小。 DTS的去噪算法一般又有空間頻率濾波法、矩陣反轉(zhuǎn)法、濾波反投影法和迭代去噪法等。其中任何一種方法都不能普遍有效地應(yīng)用于數(shù)字合成體層成像的所有情形。針對(duì)不同的物體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)應(yīng)該選擇合適的降噪方法。 本文使用基于FDK的改進(jìn)算法,用有限角度的投影圖像,實(shí)現(xiàn)對(duì)VARIAN23 EX醫(yī)用直線加速器采集的真實(shí)人體投影數(shù)據(jù)的DTS圖像重建。通過該方法重建的DTS圖像,軟組織和骨骼結(jié)構(gòu)的清晰度明顯提高。 利用安裝在直線加速器上的錐形束CT影像設(shè)備可以得到患者當(dāng)前體位的投影數(shù)據(jù),然后進(jìn)行DTS圖像重建,使DTS圖像與參考圖像進(jìn)行配準(zhǔn),得到擺位誤差,實(shí)現(xiàn)擺位校正。與CBCT相比,重建DTS圖像,病人接受較低的額外照射劑量(1cGy),只需較短的掃描時(shí)間(10s),并且機(jī)械限制小(一般為10。-40。機(jī)架旋轉(zhuǎn))。所以,DTS適用于受運(yùn)動(dòng)影響的器官和特殊病人(機(jī)架不能旋轉(zhuǎn)3600)的擺位驗(yàn)證。 早期的計(jì)算機(jī)圖形處理相對(duì)簡(jiǎn)單,所有工作都由CPU完成。1999年NVIDI公司推出了第一個(gè)真正意義上的圖形處理器(Graphic Processing Unit, GPU)。至今,GPU經(jīng)歷突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在過去十幾年間GPU的計(jì)算能力有了飛速的發(fā)展,平均每6個(gè)月就有性能翻倍的產(chǎn)品面世,其計(jì)算性能的發(fā)展速度也大大快于CPU。GPU的優(yōu)勢(shì)突顯在較大規(guī)模的并行運(yùn)算上,并且與傳統(tǒng)的大型計(jì)算機(jī)相比成本低。 CUDA是一種新的處理和管理GPU計(jì)算的硬件和軟件架構(gòu),它將GPU視作一個(gè)數(shù)據(jù)并行計(jì)算設(shè)備,對(duì)所進(jìn)行的計(jì)算進(jìn)行分配和管理,并且無需把這些計(jì)算映射到圖形API。CUDA程序的開發(fā)語(yǔ)言以C語(yǔ)言為基礎(chǔ),并對(duì)C語(yǔ)言進(jìn)行擴(kuò)展,因此任何有語(yǔ)言基礎(chǔ)的用戶都可以很容易地開發(fā)出在GPU上執(zhí)行的應(yīng)用程序。 本文分析了FDK算法的并行計(jì)算原理,實(shí)現(xiàn)了DTS圖像的加速重建。采用基于CUDA架構(gòu)GPU技術(shù),通過CUDA架構(gòu)特有的編程方式,對(duì)DTS重建中的濾波部分進(jìn)行加速計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了DTS圖像的快速重建。 然后探索DTS在放療擺位中的應(yīng)用,根據(jù)DRRs的理論基礎(chǔ),利用投影法,實(shí)現(xiàn)了DRRs的重建。 在論文的最后對(duì)研究工作中的遺留問題進(jìn)行了討論,并對(duì)今后的工作進(jìn)行了展望。主要有三個(gè)問題：1、由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,尚未用臨床數(shù)據(jù)驗(yàn)證DTS擺位校正的臨床有用性。論文中用到的數(shù)量的角度是否適用于其他采集條件的投影圖像,以及是否最佳的角度數(shù)量仍不能確定。2、繼續(xù)完善DTS加速重建,實(shí)現(xiàn)加權(quán)和反投影的加速計(jì)算。3、利用本實(shí)驗(yàn)室的DRRs重建方法和圖像配準(zhǔn)方法,組合形成一套可供臨床應(yīng)用的擺位校正系統(tǒng)。
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：R730.55;TP391.41
【圖文】：

3、錐形束CT(Cone一BeamComputerTomograPhy，CBCT)如圖l一3，也可稱為錐束容積斷層(eone一BeamvolumetrieTomo盯即hy，CBVT)，近年來發(fā)展起來的基于平板探測(cè)器的錐形束CT具有體積小，重量輕，開放式架構(gòu)的特點(diǎn)，可以直接整合到直線加速器上，成為了IGRT的研究熱點(diǎn)之一。應(yīng)用于放射治療擺位

的結(jié)合(CrrVision)如圖1一4，CTVision圖像引導(dǎo)放射治技術(shù)，將治療計(jì)劃使用的快速、高對(duì)比度、高精度的療室，與數(shù)字化的醫(yī)用高能直線加速器共用1張治療

F19.1一4SystemofCTVision像技術(shù)更好的整合到現(xiàn)有放療系統(tǒng)中，減少不確定因素對(duì)增益比是目前IGRT的研究熱點(diǎn)。本課題擬用在放射治療重建病人的DTs圖像，將DTs圖像和參考DTs圖像(

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2777118