电动多叶光栅放射治疗系统在临床中若干关键技术研究

论文摘要

本文为吴阶平医学基金会临床科研资助基金课题,主要研究调强适形放射治疗及电动多叶光栅质量控制,并以此为背景结合临床应用,对调强适形放射治疗系统中临床应用方面的一些关键技术进行研究,进一步完善放射治疗系统,改进临床应用中电动多叶光栅不完善的电机驱动问题。从而完善整个调强适形放射治疗系统,解决临床实际问题。主要研究内容如下:医学图像分割问题是调强适形放射治疗三维重建的基础,图像分割好坏直接影响放射治疗照射的精度。本文以自动图像分割为主研究医学图像分割问题,提出一种自适应能量函数的马尔可夫随机场模型,在能量函数最小化过程(即像素标记场的更新过程)中动态调整条件概率模型能量函数的权值,进而获得观测场的全局最优的参数。在此基础上,利用形态学算子对肿瘤图像分割结果进行形态滤波,经过开运算和闭运算去掉空洞和孤立的噪声点,在肿瘤图像分割结果的基础上引入Canny边缘提取算子对区域进行边缘化,提取出封闭的边缘。医学图像三维重建是放射治疗系统的关键,而体数据的构造是三维重建的前提,本文提出了一种基于矢量距离变换的符号距离函数计算方法,首先定义符号距离函数,然后提出符号函数的构造方法,提高符号距离场计算的速度和效率,这种方法不但精度高,鲁棒性强,还加快了体数据场的构造。在体数据构造的基础上,利用MC(Marching Cubes)方法和MT(Marching Tetrahedral)方法对体数据进行三维重构实现可视化。研究了MT算法解决MC算法在实际应用中存在的二义性问题的方法。本文分别对规则野剂量模型、不规则野剂量模型进行了分析和总结,介绍了几种经典剂量计算方法蒙特卡罗法、Clarkson散射求和方法,研究了Day氏函数法,通过对标准散射剂量数据进行扇形积分求等效方野的Day氏函数法,计算不规则野的剂量分布,达到较高的精度。电动多叶光栅是调强适形放射治疗系统的关键技术和执行部件,探讨了电动多叶光栅适形调强的实现方式,对电动多叶光栅静态调强技术研究了其剂量分布的分级方法,提出了各射野形状的确定思路和方法;对电动多叶光栅动态叶片调强技术研究了调强原理,提出了满足电动多叶光栅的叶片运动模型及其控制策略,对叶片的运动规律及有限加速度问题进行了探讨,针对电动多叶光栅中直流伺服电动机、步进电机故障多的缺点,提出了用无刷直流电动机作为控制部件,进行临床实验解决了临床实际问题。最后,对调强适形放射治疗系统中图像分割、图像三维重建等关键技术研究进行了仿真实验,对无刷直流电动机作为电动多叶光栅控制部件进行临床应用验证,验证了以上的研究工作是有效的、可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 肿瘤治疗的发展
• 1.1.2 肿瘤精确放射治疗技术发展的趋势-调强适形放疗（IMRT）
• 1.2 调强适形放射治疗系统相关技术研究状况
• 1.2.1 调强适形系统的国内外研究现状
• 1.2.2 IMRT治疗计划系统的研究现状
• 1.3 IMRT研究工作概述
• 1.3.1 医学图像分割
• 1.3.2 基于人体组织轮廓的体数据构造
• 1.3.3 基于体数据的三维曲面重建算法
• 1.3.4 三维剂量计算模型
• 1.3.5 电动多叶光栅系统控制
• 1.4 论文主要工作
• 第二章 医学图像分割技术
• 2.1 图像分割技术简述
• 2.2 阈值分割法
• 2.3 模糊C均值（FCM）
• 2.4 Markov随机场
• 2.4.1 Markov随机场模型
• 2.4.2 系统能量函数的定义
• 2.5 数学形态学
• 2.5.1 数学形态学基本概念
• 2.3.2 数学形态学4个基本原则
• 2.5.3 数学形态学的基本运算
• 2.6 Canny边缘提取
• 2.6.1 Canny算子简介
• 2.6.2 Canny算子原理
• 2.7 医学图像分割仿真试验
• 2.7.1 基于FCM和MRF的单幅图片分割
• 2.7.2 基于MRF的序列图像分割
• 2.8 本章小结
• 第三章 基于人体组织轮廓的体数据构造
• 3.1 符号距离场的构造
• 3.1.1 符号函数S（x，y）的生成
• 3.1.2 距离函数D（x，y）的生成
• 3.2 体数据
• 3.2.1 体数据和体素
• 3.2.2 等值面
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于体数据的三维曲面重建算法
• 4.1 MC算法
• 4.1.1 MC算法基本原理
• 4.1.2 MC算法存在的二义性问题及其解决方法
• 4.1.3 MC算法的重建结果及分析
• 4.2 MT算法
• 4.2.1 MT算法的基本原理
• 4.2.2 MT算法存在的问题
• 4.2.3 MT算法中二义性的判别与消除
• 4.2.4 MT算法的重建结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 剂量计算模型研究
• 5.1 剂量计算的基本概念
• 5.1.1 主要技术参数名词解释
• 5.1.2 组织空气比计算方法
• 5.1.3 百分深度剂量计算方法
• 5.1.4 组织最大剂量比计算方法
• 5.2 不规则野剂量计算模型研究
• 5.2.1 规则野剂量计算模型
• 5.2.2 不规则野剂量模型计算研究
• 5.3 不规则野剂量计算有效方法研究
• 5.3.1 笔形束模型剂量计算方法
• 5.3.2 Clarkson剂量模型计算方法
• 5.3.3 蒙特卡罗模型计算方法研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 电动多叶光栅系统控制
• 6.1 多叶光栅结构
• 6.1.1 多叶光栅组成
• 6.1.2 多叶光栅叶片结构
• 6.2 电动多叶光栅控制
• 6.2.1 调强适形放射治疗
• 6.2.2 MLC动态调强叶片的运动模型
• 6.2.3 动态叶片调强的运动控制策略
• 6.2.4 MLC叶片的驱动技术
• 6.3 无刷直流电动机在 MLC中的应用研究
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢