多叶光栅放射治疗系统中若干关键技术研究

论文摘要

三维适形放射治疗和调强放射治疗是现代精确放射治疗的重要内容，是提高放射治疗增益比的有效措施。三维适形放射治疗和调强放射治疗主要依靠多叶光栅实现。本文对多叶光栅适形调强放射治疗系统中的一些关键技术进行了研究，内容主要包括患者的空间定位与诊断图象放大处理、多断层轮廓层间插值及轮廓简化处理、断层图象间灰度插值、三维数据可视化、射束规划和多叶光栅端面形状优化设计等。同时本文也对ModernTPS放射治疗计划系统技术设计、MDMLC多叶光栅机械设计及其控制系统的开发等进行了介绍。 从CT／MRI获得的诊断图象只是输入治疗计划系统的原始基础数据。系统首先要对原始图象进行前期处理，其中的主要内容是采集图象中定位标记点的检测。本文提出了诊断图象中定位标记点检测的自动和半自动处理方法，并利用标记点检测结果实现了各断层图象的空间定位及对定位设施的状态监测。为方便对二维诊断图象的观察，本文提出了一种基于边缘曲线光顺连续性恢复的二维图象放大算法，可获得边缘清晰光顺的放大图象，有效地克服了传统插值放大算法模糊图象边缘的问题。 多断层轮廓的处理是治疗计划系统中一项重要的处理内容。当断层轮廓间距离较大时，需要在断层轮廓间插值构造若干中间层轮廓以实现三维结构的精确描述。采用层间线性插值方法在原始断层轮廓处难以保证平滑过渡的要求，本文提出了一种多断层轮廓层间光顺插值方法，可获得光滑过渡的多断层轮廓层间插值效果。针对轮廓曲线上存在大量冗余数据的问题，本文提出了一种轮廓曲线特征保持折线化处理方法，在保证曲线精度的同时，减少了曲线的数据规模。基于简化后的轮廓曲线，本文使用相邻轮廓线同步前进法实现了多断层轮廓间表面的重构。 三维规则体素数据场是治疗计划系统的基础数据集。针对三维规则体素数据场的构建中使用传统的断层图象间插值方法容易引起图象模糊的问题，本文提出了一种利用图象灰度分布信息的三维空间断层图象序列层间匹配插值方法，获得的断层图象层间插值结果更加接近于实际情况。基于规则体素数据场，使用Marching Cubes(MC)法和Marching Tetrahedra(MT)法实现了等值面抽取，并针对MT算法中的相关性对算法进行了加速处理。 通过对肿瘤及患者重要组织器官的三维观察，可合理地安排射束方向。本文对给定射束方向上多叶光栅开口形状的确定过程进行了讨论，针对传统方法计算量大的问题，提出了一种三维肿瘤实体在多叶光栅平面上投影轮廓的快速计算方法，通过象空间内的边缘跟踪，结合缩小数据搜索空间及加速射线与三维实体的相交判别过程等措施，有效地减少了不必要的计算，提高了多叶光栅开口形状的计算速度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 肿瘤的放射治疗
• 1.1.1 放射治疗机理
• 1.1.2 放射治疗技术
• 1.1.2.1 常规放射治疗技术
• 1.1.2.2 精确放射治疗技术
• 1.2 适形调强放射治疗技术
• 1.2.1 适形调强放射治疗的实现方式
• 1.2.2 多叶光栅适形调强放射治疗系统现状
• 1.3 多叶光栅放射治疗系统技术综述
• 1.3.1 患者精确定位
• 1.3.2 放射治疗计划系统
• 1.3.2.1 患者信息输入及二维处理
• 1.3.2.2 三维数据场的构建
• 1.3.2.3 解剖结构的定义
• 1.3.2.4 三维数据场可视化处理
• 1.3.2.5 射野参数的确定
• 1.3.2.6 治疗计划的评价
• 1.3.2.7 治疗计划的输出
• 1.3.3 机械和控制系统
• 1.3.4 质量保证和质量控制
• 1.4 论文的选题背景及主要研究工作
• 1.4.1 选题背景
• 1.4.2 本文的主要工作
• 2 诊断图象的空间定位与放大处理
• 2.1 引言
• 2.2 诊断图象的空间定位
• 2.2.1 患者定位扫描与诊断图象获取
• 2.2.2 标记点的检测
• 2.2.2.1 直接数字化输入图象标记点的自动检测
• 2.2.2.2 非直接数字化输入图象标记点的半自动检测
• 2.2.3 标记点位置调整
• 2.2.4 图象校正处理
• 2.2.5 定位设施状态监测
• 2.3 基于边缘曲线光顺连续性恢复的二维图象放大处理
• 2.3.1 图象边缘曲线的光顺连续性恢复
• 2.3.1.1 离散边缘曲线的能量表示
• 2.3.1.2 光顺处理中的约束条件
• 2.3.1.3 基于神经网络的优化位置调整
• 2.3.1.4 连续边缘曲线的构建
• 2.3.2 利用边缘信息的分区域插值放大
• 2.3.3 实验结果
• 2.4 本章小结
• 3 基于断层轮廓的三维表面重建
• 3.1 引言
• 3.2 多断层轮廓的层间光顺插值
• 3.2.1 有向距离变换
• 3.2.1.1 基于数学形态学的有向距离变换
• 3.2.1.2 实验结果
• 3.2.2 多断层轮廓间的光顺形变插值
• 3.2.2.1 多断层轮廓的空间变换
• 3.2.2.2 基于有向距离变换的轮廓形变插值
• 3.2.2.3 空间反变换处理
• 3.2.3 实验结果
• 3.3 断层轮廓的简化处理
• 3.3.1 离散轮廓曲线位置精度保持平滑处理
• 3.3.1.1 曲线点位置调整准则
• 3.3.1.2 平滑处理中的约束条件
• 3.3.1.3 亚象素级平滑处理
• 3.3.1.4 实验结果
• 3.3.2 轮廓曲线特征点检测
• 3.3.2.1 判别准则
• 3.3.2.2 特征点检测
• 3.3.2.3 实验结果
• 3.3.3 轮廓曲线的特征保持折线化近似
• 3.4 基于断层轮廓的三维表面重建
• 3.4.1 表面重建算法
• 3.4.2 实验结果
• 3.5 本章小结
• 4 基于规则体素的三维模型构建、可视化及射束规划
• 4.1 引言
• 4.2 三维规则体素数据场构建
• 4.2.1 匹配点对选择
• 4.2.2 基于图象灰度分布信息的插值
• 4.2.3 实验结果
• 4.3 基于规则体素的三维表面重建
• 4.3.1 使用MC方法重建等值面
• 4.3.2 MT方法及其算法加速
• 4.3.3 三维表面显示处理
• 4.4 射束规划
• 4.4.1 射束方位选择
• 4.4.2 象空间边缘跟踪多叶光栅开口形状快速计算
• 4.4.2.1 数据预处理
• 4.4.2.2 象空间内象素点区域属性判别方法
• 4.4.2.3 跟踪起始点的确定
• 4.4.2.4 象空间内的边缘跟踪
• 4.4.2.5 跟踪终止条件
• 4.5 本章小结
• 5 多叶光栅叶片结构及形状优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 多叶光栅及其剂量控制要求
• 5.3 多叶光栅设计
• 5.3.1 多叶光栅叶片的材料特性
• 5.3.2 多叶光栅叶片的聚焦结构
• 5.3.3 多叶光栅叶片的端面形状
• 5.3.4 多叶光栅叶片的防漏射结构
• 5.4 多叶光栅叶片开口布置策略
• 5.5 多叶光栅叶片端面形状的优化设计改进
• 5.5.1 叶片端面曲线的离散化描述和形状定义
• 5.5.2 半影的计算
• 5.5.3 叶片端面形状优化设计
• 5.5.3.1 遗传算法的编码和译码方法
• 5.5.3.2 适应度函数的确定
• 5.5.3.3 遗传算子的选择
• 5.5.4 优化计算结果
• 5.6 本章小结
• 6 MDMLC多叶光栅放射治疗系统技术设计
• 6.1 引言
• 6.2 MDMLC系统组成
• 6.3 患者定位措施
• 6.4 ModernTPS放射治疗计划系统
• 6.4.1 ModernTPS治疗计划系统的功能模块划分
• 6.4.2 ModernTPS治疗计划系统设计实现
• 6.5 MDMLC多叶光栅机械与控制系统设计
• 6.5.1 MDMLC多叶光栅机械设计
• 6.5.2 MDMLC多叶光栅控制系统设计
• 6.5.2.1 动态多叶光栅控制体系
• 6.5.2.2 位置传感器设置
• 6.5.2.3 多叶光栅叶片运动控制逻辑
• 6.5.2.4 系统抗干扰及故障处理
• 6.6 网络化远程设备运行监控
• 6.7 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文、获得专利、开展科研项目及获奖的情况
• 致谢