發(fā)布時(shí)間：2020-11-21 12:55

　　 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,腫瘤放射治療技術(shù)也不斷地取得了突破性的進(jìn)展,目前,腫瘤的適形三維精確放射治療技術(shù)已取代傳統(tǒng)落后的二維放療技術(shù)而成為當(dāng)今的主流。所謂精確放射治療,是以“精確定位、精確計(jì)劃、精確治療”為特征,精確放射治療技術(shù)的基本要求是要使得在腫瘤治療上實(shí)現(xiàn)高精度、高劑量、高療效和低損傷(三高一低)。然而,由于人體固有的呼吸運(yùn)動使得放療靶區(qū)的位置相對于加速器靜止照射野發(fā)生偏離。于是,為了確保腫瘤靶區(qū)在放療過程中始終處于高劑量區(qū)域,我們傳統(tǒng)的做法是通過擴(kuò)大現(xiàn)有靶區(qū)(臨床靶區(qū))的邊界去滿足靶區(qū)高劑量的要求,但與此同時(shí)將會導(dǎo)致靶區(qū)周圍更多正常組織或器官的受照劑量增加。 于是,腫瘤靶區(qū)的呼吸運(yùn)動影響已成為了限制腫瘤精確放射治療療效提高的瓶頸。為了盡量消除或減少呼吸運(yùn)動對腫瘤靶區(qū)高精度放療的不利影響,國內(nèi)外的相關(guān)研究人員在大量文獻(xiàn)中提出了若干種呼吸控制的方法,主要有如下幾種：深吸氣屏氣方法1、被動加壓方法2、主動呼吸控制方法3、呼吸門控方法4、射野實(shí)時(shí)跟蹤方法5等等。這些方法都能夠做到在一定程度上減少腫瘤靶區(qū)的呼吸動程度或者使腫瘤靶區(qū)在照射時(shí)段內(nèi)跟射野保持相對靜止。然而,這眾多方法都存在一定的缺陷。比如,方法1、2、3,病人在做放療的過程中其自主呼吸運(yùn)動都要受到限制,這對于某些肺部腫瘤患者是不適用的；方法4雖然能夠使得病人在放療整個(gè)過程中保持自由呼吸,但加速器只能在特定的時(shí)間段內(nèi)出束照射,而其余時(shí)間射束是關(guān)閉的,這就會大大延長了整個(gè)治療時(shí)間,而且加速器射束開關(guān)的時(shí)開時(shí)閉,會造成劑量率的不穩(wěn)定同時(shí)也有損于機(jī)器的使用壽命。方法5是通過驅(qū)動射野去跟蹤腫瘤靶區(qū)的位置,目前實(shí)現(xiàn)這一方法的主流設(shè)備是賽博刀,但其跟蹤方法是通過實(shí)時(shí)跟蹤體表標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)的,這種方法有待臨床驗(yàn)證其兩者間關(guān)聯(lián)度的正確性和治療精度。 鑒于以上分析,本文提出了一種能夠在放療過程中有效地減少腫瘤靶區(qū)呼吸動度的新方法,本方法不用通過限制病人的自主呼吸來實(shí)現(xiàn),同時(shí)也不用通過中斷射線的方法來削弱靶區(qū)呼吸動度的影響,跟上文介紹的以上5種方法相比,具有一定程度的優(yōu)越性。本方法實(shí)現(xiàn)的核心思想是“反向跟蹤”,即通過設(shè)計(jì)一整套用步進(jìn)電機(jī)設(shè)備控制驅(qū)動的機(jī)械系統(tǒng),機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動平臺(跟蹤平臺)在放療過程中實(shí)時(shí)帶動病人的體位跟腫瘤靶區(qū)在二維水平面上(相當(dāng)于平躺病人的冠狀面)做相對腫瘤靶區(qū)運(yùn)動的反向運(yùn)動,以此達(dá)到在一定程度上減小靶區(qū)相對于靜止照射野的呼吸運(yùn)動位移偏差量。 為了達(dá)到能夠在放療中準(zhǔn)確地對腫瘤靶區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)反向跟蹤,本文主要介紹了兩種實(shí)現(xiàn)方案,方案一是在放療中使用圖像引導(dǎo)的方式以實(shí)時(shí)獲取靶區(qū)在預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)的位移量,并通過相關(guān)的軟件把位移量轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)控制跟蹤平臺移動的脈沖信號量,使跟蹤平臺的反向位移跟腫瘤靶區(qū)呼吸運(yùn)動的位移相等。方案一的實(shí)現(xiàn)是依賴于X光影像學(xué)成像的方式,因此勢必會造成病人吸收更多額外X射線的劑量,于是,本文在此基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性地提出了另一種方案,即是通過病人體外的呼吸流量傳感器,以間接的方式獲取到病人的呼吸運(yùn)動規(guī)律信號,鑒于此信號跟腫瘤靶區(qū)的呼吸運(yùn)動位移規(guī)律信號是同步相關(guān)的,于是就可以將此信號轉(zhuǎn)化為控制信號以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)再帶動跟蹤平臺對腫瘤靶區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)性的反向跟蹤。 本文在第二章詳細(xì)分析了兩種方案的具體流程,當(dāng)采用第二種方案時(shí),雖然使病人避免了接受額外X線劑量的照射,但由于在治療過程中無法獲取到病人腫瘤靶區(qū)的位移信息,于是,就必須在治療前先建立起靶區(qū)呼吸運(yùn)動“位移-時(shí)間”規(guī)律的數(shù)學(xué)函數(shù)模型,具體做法是：對同一病人進(jìn)行電影模式(CINE)的CT掃描,獲取到病人腫瘤靶區(qū)呼吸運(yùn)動位移的橫斷面圖像序列,并將橫斷面圖像重建成冠狀平面的靶區(qū)呼吸運(yùn)動圖像序列,然后采用snake算法在冠狀平面的圖像中提取出靶區(qū)的圖像塊以作為感興趣的“運(yùn)動目標(biāo)塊”,再通過“塊匹配”的運(yùn)動目標(biāo)跟蹤算法計(jì)算出“運(yùn)動目標(biāo)塊”在相鄰兩幀二維冠狀平面上的位移量大小,由于相鄰圖像幀的時(shí)間間隔是已知且固定的,于是將位移跟相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)便最終可以建立起腫瘤靶區(qū)呼吸運(yùn)動“位移-時(shí)間”關(guān)系變換的數(shù)學(xué)函數(shù)模型,此模型建立的目的是為了給在放療過程中確定跟蹤平臺反向運(yùn)動在每一跟蹤周期的最大位移量提供依據(jù)。 本文第三章詳細(xì)討論了靶區(qū)呼吸運(yùn)動規(guī)律函數(shù)模型建立所用到的各種算法,并重點(diǎn)介紹了Snake算法與“塊匹配”的運(yùn)動目標(biāo)跟蹤算法,此兩種方法相結(jié)合便可完整建立起靶區(qū)的呼吸運(yùn)動函數(shù)模型。本文第四章主要分析了反向跟蹤系統(tǒng)硬件部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及反向跟蹤主控制電路模塊的設(shè)計(jì),硬件機(jī)械結(jié)構(gòu)的主體部分是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的機(jī)電一體化二維直線運(yùn)動平臺模型,主控制電路模塊以89S52芯片為核心,接受通過熱敏式電路所提取到的人體呼吸規(guī)律信號,并用C語言編程的方式將模擬的呼吸信號離散為數(shù)字的脈沖信號并進(jìn)行反向,再轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度和運(yùn)轉(zhuǎn)方向的控制脈沖信號,便最終可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)帶動跟蹤平臺對腫瘤靶區(qū)進(jìn)行反向跟蹤。本文第五章展示了跟蹤系統(tǒng)電路部分和機(jī)械部分的實(shí)物模型、以及我們自主開發(fā)的“基于VC++編程環(huán)境的智能化軟件控制系統(tǒng)”,此外,本章的最后部分通過“彈簧振子周期性運(yùn)動規(guī)律的視頻圖像跟蹤”實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證了"Snake算法”與“塊匹配”算法的運(yùn)動目標(biāo)跟蹤精確度。 腫瘤靶區(qū)呼吸運(yùn)動反向跟蹤方法,能夠在一定程度上有效較少靶區(qū)呼吸運(yùn)動位移,但尚有很多重要問題噬待解決,本課題只是做了一些探索性的初步研究工作,所以在文章的最后對工作中遺留的問題以及對以后的工作進(jìn)行了展望。
【學(xué)位單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2010
【中圖分類】：R318;R730.55
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 呼吸控制方法的現(xiàn)狀
    1.2 各種方法優(yōu)缺點(diǎn)比對
    1.3 新方法的提出與實(shí)現(xiàn)思路
    1.4 課題創(chuàng)新之處
第2章 腫瘤靶區(qū)呼吸運(yùn)動反向跟蹤系統(tǒng)模型
    2.1 概述
    2.2 方案討論
        2.2.1 初步設(shè)想的方案
        2.2.2 改進(jìn)方案
    2.3 反向跟蹤法總結(jié)
第3章 呼吸函數(shù)模型的建立
    3.1 傳統(tǒng)模型的研究
    3.2 圖像引導(dǎo)的靶區(qū)呼吸運(yùn)動函數(shù)模型建立方法簡介
    3.3 算法分析
        3.3.1 邊緣輪廓檢測算法
        3.3.2 運(yùn)動目標(biāo)輪廓的跟蹤
第4章 硬件模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    4.1 控制電路系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)
        4.1.1 驅(qū)動設(shè)備-步進(jìn)電機(jī)的研究
        4.1.2 主控電路功能模塊設(shè)計(jì)
    4.2 反向跟蹤系統(tǒng)的機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第5章 實(shí)物模型與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    5.1 人體呼吸波形信號提取的實(shí)現(xiàn)
        5.1.1 材料與方法
        5.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    5.2 反向跟蹤法電路仿真實(shí)驗(yàn)
        5.2.1 實(shí)驗(yàn)平臺與思路
        5.2.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    5.3 軟件控制系統(tǒng)的開發(fā)與算法驗(yàn)證
        5.3.1 實(shí)時(shí)反向跟蹤的軟件控制平臺開發(fā)
        5.3.2 目標(biāo)跟蹤算法驗(yàn)證
第6章 總結(jié)與展望
    6.1 論文總結(jié)
    6.2 今后研究方向
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士期間發(fā)表的論文
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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1 李寶生,於文雪,尹勇,李松毅,于金明;應(yīng)用模擬定位機(jī)對肺癌腫塊運(yùn)動的研究[J];東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2002年04期

2 胡喜華;劉衛(wèi)忠;鄭立新;;運(yùn)動估計(jì)塊匹配算法的分析研究[J];電視技術(shù);2005年12期

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本文編號：2893031