雙種群遺傳算法優(yōu)化射野方向與權(quán)重的研究.pdf

1、放射治療是治療惡性腫瘤的主要手段之一，其目標(biāo)是最大限度地將放射線集中照射到腫瘤（靶區(qū)），而周圍的正常組織及器官應(yīng)受到最小的劑量。三維適形放射治療（3D-CRT）使劑量分布形狀與腫瘤的形狀一致的同時(shí)，可使周圍正常組織受照射劑量大大減少，從而為靶區(qū)的增量照射創(chuàng)造了條件，但是3D-CRT僅能實(shí)現(xiàn)與射野照射方向垂直平面內(nèi)二維方向的適形，為此，近年來發(fā)展了的調(diào)強(qiáng)放射治療（IMRT）技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了三維方向上的高度適形，由于技術(shù)的復(fù)雜性，IMRT的

2、優(yōu)勢(shì)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出來，目前尚有許多問題需要解決。其中射野方向及射野權(quán)重的優(yōu)化，是調(diào)強(qiáng)放療中的關(guān)鍵技術(shù)。 傳統(tǒng)的放射治療是通過一個(gè)基于設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的反復(fù)試錯(cuò)方法，不但浪費(fèi)了大量時(shí)間而且最后得到的結(jié)果只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值并不是一個(gè)最優(yōu)解。隨著IMRT研究的深入和逆向治療計(jì)劃的發(fā)展，放射治療中如何自動(dòng)選擇射野參數(shù)引起了廣泛的關(guān)注，射野方向以及射野權(quán)重的優(yōu)化是二個(gè)必不可少的方面，為了節(jié)省臨床上所需的時(shí)間，使放射治療有效果的同時(shí)更具有效率，越來

3、越多的科研人員加入到此項(xiàng)課題的研究行列中來。其中主要用到的優(yōu)化算法有：線性規(guī)劃法、均方優(yōu)化法、梯度法、有約束模擬退火法和遺傳算法等。由于臨床問題的隨機(jī)性，以及射野方向與射野權(quán)重相互偶合的問題，本文選擇了具有全局性、隨機(jī)性及魯棒性的雙種群遺傳算法。 雙種群遺傳算法（Genetic Algorithm With Two Population，GAWTP）是一類新型全局優(yōu)化隨機(jī)搜索技術(shù)，它通過向自然界學(xué)習(xí)，借鑒生物的進(jìn)化機(jī)制來求解問題

4、，特別是，它不要求目標(biāo)函數(shù)具有連續(xù)性、導(dǎo)數(shù)存在、線性條件等的假設(shè)，而且其固有的并行性，使其在速度、優(yōu)化性能等方面具有良好的性能。 本文利用雙種群遺傳算法的所有特性，從解決射野方向與射野權(quán)重優(yōu)化問題入手，在三維光子筆射束劑量計(jì)算模型下，用二維卷積的方法和快速傅立葉變換（FFT）實(shí)現(xiàn)了精確的劑量計(jì)算；結(jié)合雙種群遺傳算法對(duì)射野方向與權(quán)重兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；優(yōu)化過程中采用了基于經(jīng)驗(yàn)的約束方法，并使用了基于劑量約束的目標(biāo)函數(shù)來計(jì)算個(gè)體適應(yīng)