基于CT图像的三维后装腔内治疗计划系统的研制

论文摘要

近年来,3D-CRT、IMRT、IGRT等三维体外照射技术发展讯速,CT、MRI、PET等影像融合技术不断为体外照射技术注入新的动力,大大提高疗效,无论在计划治疗系统方面,还是质量保证方面,都远甚于腔内后装技术的发展。尽管如此,古老的后装治疗技术从1953年Henschke首先引人后装放射治疗的概念开始,至今已有半个多世纪,但它仍然作为恶性肿瘤,特别是妇科肿瘤的主要治疗手段之一,疗效肯定。椐大量的国内外文献显示,目前临床使用的放射源绝大部分是高剂量率的Ir源,而后装机主要是遥控步进式后装机,以当前的临床治疗规范,机型和品种已基本定型。但在后装治疗计划系统方面,国内发展较慢,大多放疗单位还处于二维阶段,与国外先进的基于CT、MRI、PET等影像的三维后装治疗计划系统相比,差距很大。这主要与剂量模型的数学优化系统、图像三维重建及解剖学定位等有直接关系,二维计划系统难于设计出个体化的治疗计划,导致剂量分布不均匀,容易出现靶区欠剂量或过剂量,引发肿瘤复发或并发症。后装治疗技术通常作为体外照射技术的补充手段,为了提高放射治疗的疗效,后装计划系统应以3D-CRT、IMRT、IGRT等三维体外照射计划系统相结合,综合评价靶区与周围正常组织的剂量分布,减少放疗副作用,从而改善患者疗后的生存质量,但这些都要求放疗单位采用基于CT等图像的三维后装治疗计划。由于受国内医院资源有限,国外昂贵的先进的三维后装治疗计划在国内难于推广,而国内少数机构自行开发的三维后装计划系统还处于研究阶段,目前还没有商品化的系统出现。因此,本研究立足于这一点,采用VC++开发基于CT图像的三维腔内后装治疗计划系统,克服目前国内广泛使用的二维后装治疗计划系统的缺陷,并将该系统应用于临床,配合三维外照射计划系统,设计个体化的后装治疗计划,解决目前国内后装技术与日益增加的临床需求之间形成的矛盾。放射治疗是肿瘤治疗的有效手段,要提高放射治疗水平,必须要有准确的放射剂量资料和最佳治疗计划,而剂量计算模型是获得精确剂量资料以及最佳治疗计划的依椐,选择正确的计算模型是精确计算剂量分布的保证。本文第2章详细讨论两种后装源周围剂量分布计算模型,比较它们的不同点,选择AAPM推荐的模型为本系统的后装源周围剂量分布计算的模型,然后结合临床讨论三种优化模型的优缺点,为下一步开发系统打下基础。随后,第3章主要介绍采用VC++编程实现的基于CT图像的三维后装腔内治疗计划系统的主要功能,包括数据库设计、三维空间坐标的建立、模拟施源管的两种方法、系统层面的等剂量线生成算法以及三维重建方法等,这些功能是实现本系统的关键,也是技术开发的难点。根椐临床治疗需求,目前本研究已实现系统的大部分功能,能人机交互式布源,设计个体化的治疗计划,能在任意横断面、矢状面和冠状面上显示等剂量分布与组织器管的相互关系,并三维重建反映它们的空间关系,能跟随鼠标移动计算当前坐标下的剂量值。此外,本系统配置大量的二维图像处理工具和标注工具,方便临床医生从不同影像状态观察组织器官与等剂量分布之间的关系,最后输出的治疗计划能在后装机上执行。下一步是进入临床测试,但之前须做好本系统的质量控制工作,以确保能进行精确计算剂量分布,本文第4章将介绍与剂量计算相关参数的实验测量方法以及验证方法,实验结果表明,本系统计算的剂量分布是精确并可靠的,为进入临床测试提供实验数据。最后将本系统安装在南方医院放疗科的后装室,主要以宫颈癌为应用实例,比较本系统与该科室现有二维系统的剂量分布,同时对临床医生提出的合理的操作方式进行改进,本文第5章将详细介绍这些应用情况。最后,在第6章对全文进行了总结,对研究中的遗留问题进行说明,并对将来的研究方向进行阐述。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 后装机的现状
• 1.2 后装放射源的现状
• 1.3 后装治疗计划系统的现状
• 1.4 腔内后装技术治疗宫颈癌的现状
• 1.5 研究意义
• 1.6 研究内容
• 第2章 后装剂量计算模型的研究
• 2.1 后装源周围剂量分布计算模型
• 2.2 剂量优化的主要模型
• 2.2.1 参考点优化模型
• 2.2.2 几何优化模型
• 第3章 系统实现
• 3.1 系统功能模块介绍
• 3.2 数据库设计
• 3.3 系统设计的材料来源
• 3.4 建立三维空间坐标系统
• 3.5 读取 CT图像并重建矢状面与冠状面
• 3.6 施源管重建
• 3.6.1 自动跟踪
• 3.6.2 手工勾画
• 3.6.3 重建施源管中的可能驻点
• 3.7 绘制等剂量线
• 3.8 三维重建
• 3.9 输出治疗计划和医学图文报告
• 3.10 剂量测量模块
• 第4章 系统比较及相关参数测量
• 4.1 本系统与二维计划系统的比较
• 4.2 本系统运行需用到的相关参数测量
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 测量施源管中第一个可能驻点到端点的偏移值
• 4.2.3 测量放射源的源强活度
• 4.2.4 测量放射源的端效应
• 4.3 系统验证
• 4.3.1 临床常用参考点的剂量验证
• 4.3.2 驻点的实际到位验证
• 第5章 临床治疗计划比较
• 5.1 病例一
• 5.1.1 山东新华后装治疗计划系统的布源方式
• 5.1.2 本系统模拟新华计划系统的布源方式
• 5.1.3 在本系统中重新布源后的剂量分布
• 5.1.4 讨论
• 5.2 病例二
• 5.2.1 山东新华后装治疗计划系统的布源方式
• 5.2.2 本系统模拟新华计划系统的布源方式
• 5.2.3 在本系统中重新布源后的剂量分布
• 5.2.4 讨论
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 今后研究方向
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间成果
• 致谢