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1、三维静态调强放射治疗技术研究课题来源.三维静态调强放射治疗系统研究”,广东省科技攻关项目业专 名 称生物医学工程学位申请人 陈超敏指 教导 师 陈光杰教授答辩委员会主席 岑人经教授答辩委员会成员 陈仲本教授林意群教授李伟鹏教授周凌宏教授论文评阅人陈武凡教授岑人经教授陈仲本教授年月日广州瘤病人需要进行放射治疗。调强放射治疗是在三维适形放射治疗基础上新近发展起来的更为先进的体外三维立体照射技术,它不仅能使高剂量区的形状在三维方向上与肿瘤的形状一致,而且可对照射野范围内各点输出剂量率按要求的方式调整,优化配置射野内各线束的权重,从而可以较大幅度的增加肿瘤剂量和减少正常组织的受量,极大地提高肿瘤控制率
2、和降低正常组织并发症的发生率。由此具有重要的放射生物学意义,已成为世纪的放射治疗的主流发展方向。但是,目前在国内临床上应用的系统仅被国外几家大公司的产品所垄断,无论是 回旋加速器的直接调强方式,还是以电动多叶准,.和静态技直器为代表的动态技术术.,.的间接调强方式,前者约万美元的价格令国人望而退步,后者对直线加速器的自动控制和治疗床的高精度要求,使目前我国现有的国产直线加速器和旧型进口加速器都无法满足,此外其电动及计划系统不菲的价格也难以为中小医院所接受。一方面是临床上广泛的迫切需要和必然发展趋势,一方面是难以改变的价格以及硬件条件的瓶颈限制,技术难以广泛进入我国的临床放射治疗,数以万计的肿瘤
3、患者得不到最佳的治疗。所以作为一种新的精确放疗技术,无论从硬件还是软件方面目前尚有摘要许多问题需要解决和改进。为此,研究和开发能够为广大医院接受的新型系统已成为国内外研究的热点。本论文综述了国内外的研究现状,分析了目前在临床应用的系统两种主要方式静态和动态调强的特点和不足;在已掌握的适形放射治疗技术以及对计算机各类优化算法的深刻理解的基础上,结合我国现有的实际物质条件和技术力量、经济水平,利用已经掌握的靶区病变及周围重要器官的三维空间重建和体位精确重复定位技术,研制开发出适合中国国情的、具有自主知识版权、能为广大中小型医院接受并应用、具有较好性能价格比的三维静态调强放射系统,为此,所做的主要工
4、作如下:、静态调强放射治疗精确定位技术的研究众所周知,待治病灶的精确定位是放射治疗的前提和关键。它包括利用各种影像资料的准确显示、三维重建、勾画、病灶中心的坐标计算和机械定位装置精确定位等多个过程。其中机械定位装置是贯穿整个治疗过程的基准和桥梁,为此我们首先对体部精确定位技术及设备进行了研究,创新地提出分离式精确定位系统“用于放射治疗的体部精确定位系统实用新型专利申请号:.改进了原.适形放射治疗系统中的整体式定位系统,进一步提高了系统定位精度,并成功地解决了原定位系统各种不足和缺点。在此基础上我们设计出新型头颈部精确定位系统,并取得很好的临床应用效果。模拟定位放射治疗系统是近年来迅速发展的一种
5、定位方法,在本课题中我们着重对其中的激光定位系统开展了研究,掌握了利用步进电机和单片机准确控制激光定位的方法,为今后在精确放射治疗系统中扩展模拟定位功能奠定了基础。最后紧跟目前调强放射治疗的最新发展热点,我们开展了基于外部特征的叫异机图像融合精确定位技术和基于图像引导的动态跟踪精确定位技术的初步研究。、静态调强放射治疗计划系统及优化技术的研究作为一种新的精确放疗技术,由于技术的复杂性,其优势还远远没有发挥出来,尤其是治疗计划设计目前尚有许多问题需要解决:如选择合适的剂博士学位论文量计算模型和逆向计划优化方法等。随着研究的深入和逆向治疗计划的发展,放射治疗中如何自动选择射野参数引起了广泛关注,越
6、来越多的科研人员加入到此项课题的研究行列中来。在治疗计划设计中,需要优化的参数很多,包括射线能量、射束权重、射野方向等。常用优化方法有:线性规划法、均方优化法、梯度方法、有约束模拟退火法和遗传算法等。在本课题的研究中,我们建立了基于笔射束的剂量计算模型,用卷积的方法和快速傅立叶变换实现了精确剂量计算;用遗传算对法对逆向计划的笔射束权重进行了优化;优化过程中采用了基于剂量的目标函数来计算个体适应度的大小,建立了剂量均匀性约束和组织重要程度约束;用等剂量线、三维剂量分布和剂量.体积直方图来评估计划的优劣。最后我们用酣成功开发了“./基于遗传算法的调强放射治疗计划系统并获得国家计算机软件著作登记。研
7、究与实验结果表明,遗传算法是一种有效的笔射束权重优化方法,能够在一个临床可接受的计算时间内得到较高适形度的剂量分布,在射野参数优化中具有广阔的应用前景。、静态调强放射治疗实现方法和设备的研究目前在临床上实现调强放射治疗的方法主要有应用 回旋加速器法和利用多叶准直器法静态和动态。对于应用回旋加速器实现,显然与我国各级医院的经济实力不符,而无论是应用公司的系统,还是应用各种进口动态多叶准直器.,前者其对直线加速器的自动控制和治疗床的高精度要求,使目前我国现有的国产直线加速器和旧型进口加速器都不能满足;后者其价格和使用要求也难以为中小医院所接受。所以研究和开发能够为广大医院接受的新型系统也已成为我们
8、研究目标和出发点。在本课题中我们首先开展了手动多叶准直器的研究,设计并研制了手动和半自动多叶准直器。然而它们因使用过于费时和繁琐,远不能满足调强放射治疗的临床实际应用。由此根据我国现状和经济水平,我们认为通过采用三维熔铅挡块到达适形照射区域剂量分布变化从而摘要实现静态的方法,在临床上具有特别重要的意义。为此,我们独创地提出“利用切片法研制三维铅挡块实现调强放射治疗发明申请号:的方法,并对此开展了实验和研究。、静态调强放射治疗系统实验验证及测试设备的研究三维水箱扫描系统是用于直线加速器定量测量模拟人体模型中射线剂量分布的设备,可全自动连续扫描测量辐射吸收剂量。但三维水箱扫描系统主要依赖进口,价格
9、昂贵。目前国内各大医院根据临床实际应用需要,采用结构简单但能实现主要的功能的成本低廉的剂量测量水箱,又称标准水箱或标准水模。标准水箱设计了一个放水阀水龙头,通过控制水龙头放水至水桶里,实现水深度的减少。如果需要水深度的增加,就采用水杯从水桶舀水至水箱中。在实际测量中,这种工作模式存在测量效率低、劳动强度大、水位控制不精确、对电路及机器有不安全等不足,本项目组为此研制的一种新型立体定向放射治疗系统剂量测量水箱实用新型专利申请号:.成功地解决了标准水箱上述不足,它具有水泵自动平稳控制水位、快速、安全的特点。最后,我们开展了静态调强放射治疗系统实验验证研究,主要包括系统定位精度的检验、基于人形体模和
10、自制有机玻璃均匀等效方形体模的两种测量相结合的的实验验证与评估。其目的是对静态调强放射治疗系统进行定位精度和剂量验证,前者是机械定位系统、计划系统和直线加速器治疗系统的综合治疗精度的检验;后者主要包括绝对剂量验证和相对剂量验证。关键词调强放射治疗精确定位系统 异机图像融合图像引导动态跟踪遗传算法笔射束权重优化逆向治疗计划 多叶准直器切片法: .:. %?% .?, , ,., ,., .;博士学位论文 , ? , . :, ., .,. , ”:., , , .,./ ., . ,., ., , .?.舞.带.”/ ”, ., ,.博士学位论文. . . ?.?,., ?. . .,.”,”
11、:, . . . ., ., ., , .:., ,. , ,:., .; ; ; ; ;博士学位论文目 录摘 要.。第章 绪论.研究背景.调强放射治疗的发展历史.调强放射治疗系统组成及实现方法?.调强放射治疗的技术原理.调强放射治疗系统的组成与实施过程?.静态、动态调强放射治疗技术?.调强放射治疗的国内外研究现状及发展方向?.本课题的研究意义.本文内容安排.第章静态调强放射治疗精确定位技术的研究.体部精确定位技术及设备的研究?.技术领域及研究背景?.存在的问题.研究方案和创新设计?.材料与加工方法?.研究的特点与意义.头颈部精确定位技术及设备的研究?。.技术领域和研究背景?.材料与方法?。.
12、临床应用。.改进与讨论.模拟放射治疗系统的激光定位系统的研究?.技术背景?.模拟定位放射治疗系统的组成和治疗过程.模拟定位放射治疗系统中的激光定位系统.激光定位系统电路设计?.讨论.目录./图像异机融合技术在肿瘤精确放射治疗中的应用研究.问题的提出.技术背景与研究意义.研究目标与主要内容?.初步研究工作?。.基于图像引导的动态跟踪精确定位技术研究?.问题的提出.国内外研究现状.研究目标和主要内容.动态跟踪系统组成及实旌步骤?.讨论.第章静态调强放射治疗计划系统及优化技术的研究?.研究背景.放射治疗计划系统.计划系统的关键技术.研究目的和意义?.本研究的主要内容?。.基于遗传算法的子野权重优化技
13、术的研究?.遗传算法理论.三维光子卷积剂量计算模型的建立.遗传算法算例测试.基于遗传算法的子野权重优化的实现。.系统开发环境?.系统主要功能模块设计。.系统评估方法与结果?.第章静态调强放射治疗实现方法和设备的研究?.手动多叶光栅的研制。.技术背景.设计要求与方案.多叶光栅系统总图与说明?.系统性能测量方法与结果.讨论?.应用切片法制作三维静态调强器铅挡块的研究。博士学位论文.技术背景。 .材料与方法.可行性验证实验 .三维熔铅器设计.讨论?.?.第章静态调强放射治疗系统实验验证及测试设备研究?.新型剂量测量水箱的研制.技术背景。.材料与方法?.设计图纸与改进.讨论?.定位系统定位精度的实验验
14、证.实验目的.测试方法.实验工具和设备。.测试步骤。.测试结果.讨论?.基于模体的剂量实验验证与评估.技术背景.实验目的.实验用设备仪器.验证内容与方法.实验结果.讨论?.第章总结与展望.论文总结。.工作展望参考文献博士期间发表的论文及取得的成果致谢?.学位论文原创性声明?。目录博士学位论文第章绪论.研究背景放射治疗主要用于恶性肿瘤,它与手术治疗和化学药物治疗一起,组成了肿瘤的三大治疗手段。国内外数字统计表明,约有%的癌症患者需要不同程度单纯放射治疗或与手术、药物配合治疗地接受放射治疗。目前,随着三大治疗技术的不断改进和发展,经治疗后的肿瘤患者的五年生存率已经达到%以上,即约有半数的肿瘤患者可
15、以被治愈。放射治疗与手术治疗一样,是一种局部治疗手段,约有%的肿瘤治愈率是局部治疗手段的贡献【。原发肿瘤的局部控制是肿瘤治愈的先决条件。局部控制失败,会导致肿瘤的局部复发和远地转移。已经有证据表明,通过采用新的或改进的治疗方法,使肿瘤患者的原发局部肿瘤的控制率得到更有效地控制,就可以得到较高的治愈率。放射治疗不仅是肿瘤局部治疗的有效手段,而且它能够不同程度地保留器官的功能,改进患者治愈后的生存质量。放射治疗的根本目标是,最大限度地将放射线的剂量集中照射到病灶靶区内,杀灭肿瘤细胞,同时使周围的正常组织 和关键器官.,免受或尽可能少受不必要的照射。从放射生物学角度来讲,就是最大限度地增加肿瘤的局部控制率,同时尽可能地减低周围正常组织和关键器官的放射并发症概率。大量的临床报告已经证吲明,高剂量照射会提高肿瘤的局部控制率和无瘤生存率。而且病灶的体积越大,需要的肿瘤控制剂量一般越高。但对于目前的常规放疗,由于扩大了周围正常组织的照射范围,所以就限制了肿瘤剂量的提高。而三维适形放疗可望改善和解决肿瘤的局部控制率问题。三维适形放疗 .作为一种治疗技术,可以使得高剂量区计量分布的形状在三维上与靶区的形状一致。第章绪论常规的.只能实现在照射野方向上达到照射野形状与靶区投影一致。而现在的调强适形放射治疗.简称调强放疗则除了
