三維放射治療計(jì)劃系統(tǒng)仿真建模研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、放射治療是腫瘤治療的重要手段，三維放射治療計(jì)劃系統(tǒng)(Three dimensionalradiation therapy planning system，3D-RTPS)是精確放射治療核心子系統(tǒng)。3D-RTPS利用計(jì)算機(jī)程序模擬整個(gè)治療過程，計(jì)算出患者體內(nèi)劑量分布數(shù)據(jù)，通過分析與評估，制定出合理的治療方案，從而有效的減少放射治療的副作用，增加腫瘤控制率。
　　本文基于3D-RTPS產(chǎn)品需求，對3D-RTPS涉及的核心技術(shù)進(jìn)行了比較

2、全面和詳細(xì)的研究，并進(jìn)行了相關(guān)功能的驗(yàn)證與分析，力求提供一個(gè)滿足臨床需求、具有良好擴(kuò)展性的軟件產(chǎn)品平臺。
　　本文研究工作包括三維可視化、組織分割、劑量計(jì)算、逆向調(diào)強(qiáng)、GPU加速及軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)。
　　在三維可視化領(lǐng)域，主要做了兩方面創(chuàng)新工作。一方面基于Phong光照模型，提出預(yù)先計(jì)算體元法向量并基于球坐標(biāo)索引進(jìn)行存儲。該方法在光線追蹤過程直接獲得當(dāng)前體元的法向量，避免了法向量重復(fù)計(jì)算，有效減少了可視化時(shí)間?；谇蜃鴺?biāo)索引進(jìn)行

3、存儲避免了存儲法向量三個(gè)浮點(diǎn)分量，減少了內(nèi)存開銷。另一方面，將光線投射方法的體繪制技術(shù)應(yīng)用于劑量三維分布顯示。在光線投射采樣過程中，系統(tǒng)使得醫(yī)生根據(jù)臨床需要對阻光度及顏色進(jìn)行分類，使用該方法，醫(yī)生能直觀的判斷器官的劑量分布情況。
　　在組織分割方面，實(shí)現(xiàn)了體輪廓、肺及脊髓的自動提取功能?；贑T影像人體結(jié)構(gòu)的特征知識，提出了三個(gè)主要步驟實(shí)現(xiàn)脊髓的自動提取功能。在檢測脊髓概率區(qū)關(guān)鍵步驟中，基于脊髓及其周圍結(jié)構(gòu)的特征知識，建立了一個(gè)全

4、新的特征模型用于脊髓內(nèi)一點(diǎn)的檢測，基于該點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域增長得到脊髓概率區(qū)后，在該區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)脊髓的檢測。引入特征模型自適應(yīng)修正，實(shí)現(xiàn)了60例患者CT圖像序列脊髓自動提取100％的成功率。軟件運(yùn)行于筆記本電腦，患者CT圖像序列脊髓檢測時(shí)間可以達(dá)到3秒左右，滿足臨床要求。
　　在劑量計(jì)算方面，基于點(diǎn)核卷積疊加劑量計(jì)算模型，本文將治療床CT影像象素加入到患者CT影像數(shù)據(jù)中，使系統(tǒng)在劑量計(jì)算過程引入治療床對X射線束的衰減作用，降低了治療床引起的

5、劑量偏差，提高了系統(tǒng)劑量計(jì)算精度。在模型匹配方面，基于模型參數(shù)自身特征，提出了基于模擬退火優(yōu)化算法進(jìn)行模型自動匹配，降低了軟件對操作人員業(yè)務(wù)能力的依賴，降低了產(chǎn)品維護(hù)成本，增加了產(chǎn)品市場競爭力。
　　在逆向調(diào)強(qiáng)方面，提出用點(diǎn)核疊加構(gòu)建筆形束核進(jìn)行劑量計(jì)算，該方法提高了優(yōu)化迭代過程中的劑量計(jì)算速度，使得基于點(diǎn)核疊加技術(shù)的計(jì)劃系統(tǒng)得以集成直接孔隙的逆向調(diào)強(qiáng)技術(shù)。模體及臨床實(shí)際病例試驗(yàn)表明，該方法與使用精確劑量計(jì)算模型得到的優(yōu)化結(jié)果一致

6、，可用于調(diào)強(qiáng)優(yōu)化過程中的劑量計(jì)算。
　　在GPU加速技術(shù)方面，對原有劑量計(jì)算模型進(jìn)行了修改，基于CUDA編程技術(shù)將NVIDIA的GPGPU模型應(yīng)用于點(diǎn)核卷積/迭加模型的3D-RTPS產(chǎn)品。在程序架構(gòu)設(shè)計(jì)中使用MFC導(dǎo)出類及動態(tài)庫技術(shù)，避免了大量代碼移植工作。對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與分析，確定了基于特定顯卡效率最高的thread數(shù)目。
　　基于以上工作，作者開發(fā)了我國首套基于點(diǎn)核卷積疊加劑量計(jì)算模型的3D-RTPS商業(yè)化產(chǎn)品軟件，