论文题目: 放射治疗方案的优化方法研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 生物医学工程
作者: 周正东
导师: 舒华忠
关键词: 放射治疗计划,调强放射治疗,周围血管内放射治疗计划,伽玛刀,全身伽玛刀,距离变换,遗传算法,模拟退火算法,算法,多目标优化,主动漫游
文献来源: 东南大学
发表年度: 2005
论文摘要: 优化是放射治疗计划系统的重要组成部分之一。针对放射治疗方案的优化问题,本文提出了一系列解决方案,主要包括以下几个方面:1)较全面地介绍了现代最优化理论及方法,对NSGA-II多目标优化遗传算法进行了较深入的研究,提出了在该方法中加入局部搜索算子及外部精英收集池的改进算法-NSGA-II多目标混合遗传算法。2)针对伽玛刀立体定向放射治疗计划系统中的优化问题提出了一个两步优化的方案。首先采用一种改进的基于距离变换的几何优化方法,优化靶点的数目、位置及相应准直器直径;然后根据几何优化获得的靶点参数,研究了基于混合遗传算法GA-BFGS方法优化靶点权重的方法,以避免梯度法可能会陷入局部极小的问题。3)针对全身伽玛刀治疗体部肿瘤的靶点设计优化问题,提出了一种新颖的靶点设计及优化解决方案,建立了基于包围盒的优化模型,然后采用遗传算法进行求解,使治疗过程更为简便快捷,并有利于减少治疗过程中的定位误差,填补了全身伽玛刀靶点设计优化研究的空白。4)针对全身伽玛刀治疗体部肿瘤的治疗路径优化问题,在靶点优化的基础上,提出了采用遗传算法进行治疗路径优化的解决方案,使治疗过程更为简便快捷,有利于减少治疗过程中医生的劳动强度。当靶点数过多时,我们给出了一种分层优化的解决方案,以减少优化时间,满足临床的实际要求。5)实现了一种基于NSGA-Ⅱ多目标混合遗传算法的调强放射治疗逆向计划的优化方法,其中局部搜索采用L-BFGS算法。该方法得到的非劣解在目标空间分布均匀,计算速度快,鲁棒性好。6)在Windows平台上开发了一套用于周围血管内放射治疗计划优化的主动漫游虚拟现实系统,用于提取血管的几何结构;建立血管内放射治疗计划的优化模型,采用适宜的优化方法进行优化,该方法综合运用了混合遗传算法GA-BFGS方法和快速模拟退火算法优化相关的参数,其中GA-BFGS算法用于优化连续参数即放射源的照射时间,快速模拟退火算法用于优化离散参数即放射源的位置。这一策略综合考虑了目标函数的形式,BFGS的快速收敛性,遗传算法的全局收敛性,以及模拟退火算法的全局收敛性。
论文目录:
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.2 放射治疗计划优化的研究现状
1.3 本文工作
1.4 本文内容组织
本章参考文献
第二章 最优化方法
2.1 引言
2.2 确定性最优化方法
2.3 随机性最优化方法
2.3.1 模拟退火算法
2.3.2 遗传算法简介
2.3.3 遗传算法的改进
2.3.3.1 基于小生境技术的遗传算法
2.3.3.2 混合遗传算法
2.4 多目标优化算法
2.4.1 传统的多目标优化方法
2.4.2 多目标进化算法
2.4.3 多目标优化遗传算法－NSGA-II
2.4.4 NSGA-II 多目标优化混合遗传算法
2.4.5 数值试验
2.5 结论
本章参考文献
第三章 头部静态伽玛刀的优化方法研究
3.1 引言
3.2 头部伽玛刀几何优化方法
3.2.1 引言
3.2.2 基于距离变换的头部伽玛刀几何优化方法
3.2.2.1 距离变换
3.2.2.2 中轴端点及交叉点的确定
3.2.2.3 目标函数
3.2.3 实验结果
3.2.4 小结
3.3 头部伽玛刀的权重优化方法
3.3.1 头部静态伽玛刀的剂量计算模型
3.3.2 权重优化方法
3.3.2.1 优化函数
3.3.2.2 评估工具
3.3.2.3 实验结果
3.3.3 小结
3.4 结论
本章参考文献
第四章 全身伽玛刀的几何优化及治疗路径规划方法研究
4.1 引言
4.2 全身伽玛刀靶点配置的几何优化方法研究
4.2.1 引言
4.2.2 方法
4.2.3 实验结果
4.2.4 小结
4.3 全身伽玛刀治疗路径规划研究
4.3.1 引言
4.3.2 旅行商问题
4.3.3 全身伽玛刀治疗路径优化方法
4.3.4 小结
4.4 结论
本章参考文献
第五章 调强放射治疗优化方法研究
5.1 引言
5.2 调强放射治疗优化的研究现状
5.3 基于多目标优化混合遗传算法的调强放射治疗的优化
5.3.1 剂量计算模型
5.3.2 IMRT 优化的数学模型及求解
5.3.3 决策方法
5.3.4 实验结果
5.4 结论
本章参考文献
第六章 周围血管内放射治疗计划系统及其优化方法研究
6.1 引言
6.2 基于主动漫游的血管中轴及内表面几何结构提取
6.2.1 主动漫游
6.2.1.1 图象生成、显示及场景分析
6.2.1.2 路径计算
6.2.1.3 碰撞检测
6.2.2 血管内表面几何结构描述
6.2.3 PTA 术后血管内膜几何结构估计
6.2.4 用于血管内放射治疗计划的虚拟现实系统
6.3 剂量计算
6.3.1 内放射剂量计算涉及的物理量
6.3.2 剂量计算模型
6.4 剂量优化的目标函数
6.5 血管内放射剂量优化方法研究
6.6 实验结果
6.6.1 血管几何结构采样参数实验
6.6.2 血管狭窄模拟数据及动物血管狭窄实验数据的优化实验
6.7 结论
本章参考文献
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
致谢
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发布时间: 2007-06-11
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