【摘要】：腫瘤放射治療是目前癌癥治療的主要手段之一,其關(guān)鍵目的是在確保靶區(qū)達(dá)到處方劑量的同時(shí),盡可能的降低周圍正常組織的劑量沉積。劑量學(xué)驗(yàn)證是當(dāng)前臨床放療技術(shù)質(zhì)量控制與質(zhì)量審核的主要方式。但放療計(jì)劃的質(zhì)量受限于計(jì)劃設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)累積,計(jì)劃質(zhì)量的一致性難以保證。同時(shí),臨床計(jì)劃多服從于統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),不能為患者提供個(gè)體化的治療計(jì)劃。而研究表明,通過建模學(xué)習(xí)患者解剖結(jié)構(gòu)對(duì)劑量沉積的影響,可以在計(jì)劃設(shè)計(jì)之前預(yù)測(cè)新患者的劑量信息,為劑量學(xué)驗(yàn)證和質(zhì)量控制提供標(biāo)準(zhǔn),滿足患者的個(gè)體化特異性需求,同時(shí)為放療自動(dòng)化提供基礎(chǔ)。本文首先深入分析了現(xiàn)有的劑量學(xué)特征預(yù)測(cè)的方法,分別討論了現(xiàn)有方法下對(duì)危及器官劑量學(xué)指征項(xiàng)預(yù)測(cè),DVH預(yù)測(cè),三維劑量分布預(yù)測(cè)等不同預(yù)測(cè)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)思路并分析其優(yōu)劣性。上述預(yù)測(cè)方法中,劑量學(xué)指征項(xiàng)和DVH為壓縮的劑量學(xué)特征,包含的信息并不全面,不能滿足某些腫瘤類型對(duì)三維劑量分布的臨床需求,需要對(duì)信息包含更全面的三維劑量分布進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此,本文基于現(xiàn)有的通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)單個(gè)危及器官進(jìn)行三維劑量預(yù)測(cè)的方法,結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)中多任務(wù)學(xué)習(xí)方法,提出了一種單模多器官的三維劑量預(yù)測(cè)方法。該方法考慮危及器官之間的關(guān)系,并行構(gòu)建多器官間幾何解剖結(jié)構(gòu)與三維劑量分布的關(guān)聯(lián)模型。相較于對(duì)單個(gè)危及器官建立預(yù)測(cè)模型,該方法可以同時(shí)對(duì)多個(gè)危及器官建立預(yù)測(cè)模型。同時(shí),針對(duì)單模多器官模型還需要進(jìn)行人工特征提取從而可能造成重要信息丟失的缺陷,本文還提出了一種基于深度卷積網(wǎng)絡(luò)的三維劑量分布預(yù)測(cè)模型。該模型基于U-net網(wǎng)絡(luò)和densenet網(wǎng)絡(luò)搭建而成,可以直接從患者的結(jié)構(gòu)分布輪廓圖中學(xué)習(xí)到幾何結(jié)構(gòu)分布與對(duì)應(yīng)三維劑量分布的關(guān)系,從而預(yù)測(cè)整個(gè)照射范圍內(nèi)的劑量分布。為驗(yàn)證單模多器官劑量預(yù)測(cè)方法,實(shí)驗(yàn)收集了 15例鼻咽癌的MRT計(jì)劃,并提取了危及器官體素與靶區(qū),其他相關(guān)危及器官以及治療計(jì)劃間的相關(guān)信息,對(duì)腦干,左右腮腺,脊髓建立單模多器官的劑量預(yù)測(cè)模型。并與團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證過的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單器官預(yù)測(cè)模型和進(jìn)行比對(duì)分析。5例測(cè)試集的測(cè)試結(jié)果顯示,多任務(wù)模型的預(yù)測(cè)精度更高,誤差更小。其中脊髓、腦干、左右腮腺的平均體素相對(duì)處方劑量的百分平均誤差分別為2.01%±0.0249、2.65%±0.0214、2.45%±0.0217和2.55%±0.0216。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相較于基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單模單器官,多任務(wù)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果精度更高。為了驗(yàn)證深度卷積網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法,實(shí)驗(yàn)收集了37例IMRT鼻咽癌數(shù)據(jù),搭建深度卷積網(wǎng)絡(luò)模型,提取感興趣區(qū)域輪廓結(jié)構(gòu)圖作為訓(xùn)練輸入,訓(xùn)練劑量預(yù)測(cè)模型。5例測(cè)試集的測(cè)試結(jié)果顯示,該模型預(yù)測(cè)誤差小,DVH圖和三維分布圖的擬合程度高,所有體素點(diǎn)相對(duì)處方劑量的百分平均誤差為2.36%±0.0214,其中脊髓、腦干、腮腺和靶區(qū)的平均誤差分別為2.04%±0.0154、2.56%±0.0226、2.07%±0.0188和1.27%±0.10。綜上所述,本文首先提出了一種基于多任務(wù)學(xué)習(xí)的單模多器官三維劑量預(yù)測(cè)模型,并在此基礎(chǔ)上針對(duì)存在問題提出了基于深度卷積網(wǎng)絡(luò)的三維劑量預(yù)測(cè)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明兩種模型預(yù)測(cè)精度都較高,且各有優(yōu)劣。
【圖文】：

逡逑如果體素處于ＰＴＶ內(nèi)部則為負(fù)值，表示重疊，如圖２－１所示。在該預(yù)測(cè)模型中，逡逑每個(gè)危及器官的ＤＴＨ圖和ＰＴＶ，ＯＡＲ的體積共同構(gòu)成需要的解剖結(jié)構(gòu)信息作逡逑為模型訓(xùn)練的輸入，對(duì)應(yīng)的ＤＶＨ作為模型訓(xùn)練的輸出。逡逑每一個(gè)危及器官的ＤＴＨ曲線和ＤＶＨ曲線都通過５０個(gè)采樣點(diǎn)來表示，從而逡逑變?yōu)榱隋澹担熬S的特征空間。為了提高特征之間的共線性作者使用了主成分分析法逡逑ＰＣＡ來將每個(gè)危及器官的特征空間降到相同的低維度，并得到一個(gè)特征轉(zhuǎn)換矩逡逑陣。之后通過支持向量機(jī)來學(xué)習(xí)患者幾何結(jié)構(gòu)與ＤＶＨ之間的關(guān)系【２１１。對(duì)于一個(gè)逡逑新的患者，只要輸入轉(zhuǎn)換后的ＤＴＨ，邋ＰＴＶ和該ＯＡＲ的體積就可以得到對(duì)應(yīng)的逡逑ＤＶＨ。該方法共收集了邋２１２個(gè)臨床前列腺腫瘤計(jì)劃，其中１９８?jìng)�(gè)用來做訓(xùn)練，逡逑其余的１４個(gè)用來做驗(yàn)證，，分別針對(duì)膀胱和直腸訓(xùn)練了邋ＤＶＨ預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)逡逑效果良好。逡逑圖２－１器官結(jié)構(gòu)與距離分布展示逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｏｒｇａｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ａｎｄ邋ｄｉｓｔａｎｃｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ逡逑２．１．３基于核密度函數(shù)的ＤＶＨ預(yù)測(cè)方法逡逑基于核密度的ＤＶＨ預(yù)測(cè)方法由Ｓｋａｒｐｍａｎ等人［１３】提出的

問代表NB的體積，ｄ（ｐ，：0表示體素；７與ｒ的表面間的距離，雨代表與逡逑耙區(qū)ｒ表面距離ｄ（ｐ，Ｔ）在范圍［ｒ，（ｒ邋＋邋ｄｒ）］內(nèi)的ｐ的合集，ｄｒ是距離單元。其中逡逑為負(fù)值時(shí)，代表體素處于靶區(qū)內(nèi)部。如圖２－２所示，展示了危及器官和逡逑ＰＴＶ的結(jié)構(gòu)關(guān)系和該危及器官的ｄＤＴＨ。從０ＡＲ與ＰＴＶ相連（距離為０）的體逡逑素開始向兩邊依據(jù)自定義的ｄｒ的大小擴(kuò)散，然后代入公式（２－５）中計(jì)算ｄＤＴＨ。逡逑１０逡逑
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：R730.55;TP242

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 曹慶凱;韓樹奎;;4—9 電子束劑量的刻度和束中心軸深度量的解析表達(dá)式[J];醫(yī)學(xué)物理;1987年Z1期

2 S.Woolf ,J.C.Garch ,梁偉;ONETRAN計(jì)算結(jié)果與鈷~(60)劑量分布數(shù)據(jù)比較確定光子能譜[J];微電子學(xué);1988年02期

3 楊占山,馮定華,常自持,李士駿;頭部CT掃描時(shí)受檢者的體表劑量分布[J];中國(guó)核科技報(bào)告;1989年00期

4 陳焱;辛?xí)?;鈾礦山的監(jiān)測(cè)要求和劑量分布[J];世界采礦快報(bào);1989年05期

5 孫艷;;中子的劑量分布及染色體分析[J];國(guó)外醫(yī)學(xué)(臨床放射學(xué)分冊(cè));1989年02期

6 劉平,張一云,張曉峰;用Monte Carlo方法研究旋轉(zhuǎn)γ-刀劑量分布[J];中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志;2005年03期

7 徐曉,楊天恩,常力方;二維治療計(jì)劃系統(tǒng)中的準(zhǔn)三維劑量分布的估算與評(píng)價(jià)[J];中國(guó)腫瘤臨床;1999年07期

8 孟慧鵬;馮遠(yuǎn)明;董化江;;基于劑量分布指數(shù)選擇胸部腫瘤最優(yōu)放療計(jì)劃的可行性分析[J];輻射研究與輻射工藝學(xué)報(bào);2017年01期

9 苑淑渝;王道平;戴光復(fù);何培坤;劉強(qiáng);;放射性~(125)I粒籽源的劑量分布[J];中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志;2006年06期

10 馬永忠;王時(shí)進(jìn);蘇旭;;立體定向放射治療中靶外劑量分布的研究[J];中國(guó)職業(yè)醫(yī)學(xué);2006年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 陳飛達(dá);湯曉斌;劉云鵬;謝芹;耿長(zhǎng)冉;;基于蒙特卡羅方法的近距離放療劑量分布研究[A];中國(guó)核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告（第二卷）——中國(guó)核學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集第9冊(cè)（核醫(yī)學(xué)分卷、核技術(shù)工業(yè)應(yīng)用分卷）[C];2011年

2 王俊杰;田素青;李金娜;劉江平;姜偉娟;;放射性~(125)I粒子平面永久插植布源劑量分布研究[A];第一屆中國(guó)腫瘤微創(chuàng)治療研討會(huì)暨中國(guó)抗癌協(xié)會(huì)腫瘤微創(chuàng)治療專業(yè)委員會(huì)成立大會(huì)論文集[C];2005年

3 李建;郎錦義;吳大可;;X刀放射治療照射野劑量分布特點(diǎn)研究[A];2007第六屆全國(guó)放射腫瘤學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2007年

4 紀(jì)剛;郭勇;駱億生;張文仲;;~(252)Cf裂變中子源在組織等效模體中的中子和γ輻射劑量分布的計(jì)算[A];中華醫(yī)學(xué)會(huì)放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)學(xué)分會(huì)第三次全國(guó)中青年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文匯編[C];2001年

5 劉建平;劉衛(wèi)東;楊俊泉;;非均勻組織中基于蒙卡方法的放療劑量分布研究[A];第五屆全國(guó)中醫(yī)藥免疫學(xué)術(shù)研討會(huì)——暨環(huán)境·免疫與腫瘤防治綜合交叉會(huì)議論文匯編[C];2009年

6 董洋;李豐彤;王境生;袁智勇;宋勇春;王曉光;劉群;王平;;射波刀同步呼吸追蹤治療模式的實(shí)際劑量分布情況研究[A];中華醫(yī)學(xué)會(huì)放射腫瘤治療學(xué)分會(huì)六屆二次暨中國(guó)抗癌協(xié)會(huì)腫瘤放療專業(yè)委員會(huì)二屆二次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2009年

7 李家敏;于金明;劉素文;陳慶;穆向魁;江啟安;趙美紅;張建光;;質(zhì)子束在肝細(xì)胞肝癌治療中的劑量分布——與X線三維適形及調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃對(duì)比[A];中華醫(yī)學(xué)會(huì)放射腫瘤治療學(xué)分會(huì)六屆二次暨中國(guó)抗癌協(xié)會(huì)腫瘤放療專業(yè)委員會(huì)二屆二次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2009年

8 陳常茂;唐雪飛;張萬(wàn)勤;;水模內(nèi)~(252)Cf線源所致的中子、γ劑量分布[A];Fast Neutron Radiation Therapy--Proceedings of CCAST (World Laboratory) Workshop[C];1999年

9 紀(jì)剛;郭勇;駱億生;張文仲;;~(252)Cf裂變中子源在組織等效模體中的中子和γ輻射劑量分布的計(jì)算[A];中華醫(yī)學(xué)會(huì)放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)學(xué)分會(huì)第三次全中國(guó)青年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文摘要匯編[C];2001年

10 呂焱;楊曉光;李冰;李雪;;醫(yī)用介入診療X線機(jī)輻射場(chǎng)劑量分布特性分析[A];中華醫(yī)學(xué)會(huì)放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)學(xué)分會(huì)第三次全國(guó)中青年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文匯編[C];2001年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前1條

1 潘海平 朱立毅;諾力刀落戶武警杭州醫(yī)院[N];醫(yī)藥經(jīng)濟(jì)報(bào);2002年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前6條

1 王玉;三維放射治療計(jì)劃系統(tǒng)仿真建模研究[D];東北大學(xué);2013年

2 陳亮;同步輻射軟X射線輻射效應(yīng)研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

3 高云生;圖像引導(dǎo)的頭頸部腫瘤放射治療[D];復(fù)旦大學(xué);2010年

4 周立慶;靜態(tài)多葉準(zhǔn)直器簡(jiǎn)化調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)的研究[D];北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院;2008年

5 江波;基于常規(guī)加速器的全身調(diào)強(qiáng)放療方法[D];北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院;2010年

6 吳鳳;IMRT和SRT治療肺部腫瘤（非小細(xì)胞肺癌和肺轉(zhuǎn)移癌）的劑量學(xué)比較[D];中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué);2008年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 郭芙彤;基于機(jī)器學(xué)習(xí)的放療計(jì)劃三維劑量分布預(yù)測(cè)研究[D];南方醫(yī)科大學(xué);2019年

2 孔繁圖;放療計(jì)劃三維劑量分布預(yù)測(cè)研究[D];南方醫(yī)科大學(xué);2018年

3 付正豐;醫(yī)用電子直線加速器治療系統(tǒng)劑量分布的模擬及實(shí)驗(yàn)研究[D];蘭州大學(xué);2018年

4 劉爽;~（125）I種子源近距離放射治療的劑量分布模擬研究[D];東北師范大學(xué);2012年

5 俞順飛;放射治療輻射場(chǎng)劑量分布膠片測(cè)量方法研究[D];中國(guó)疾病預(yù)防控制中心;2008年

6 肖杰;近距離治療中劑量分布的計(jì)算模型與優(yōu)化算法研究[D];第一軍醫(yī)大學(xué);2000年

7 李彥飛;基于蒙卡的放療劑量驗(yàn)證軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];清華大學(xué);2014年

8 吳春華;局部晚期鼻咽癌三維適形放療的劑量分布研究[D];廣西醫(yī)科大學(xué);2002年

9 葉婷;HT、sIMRT、VMAT在鼻咽癌治療中劑量分布的比較[D];昆明醫(yī)科大學(xué);2016年

10 萬(wàn)海霞;輻射場(chǎng)可視化平臺(tái)劑量分布快速計(jì)算程序開發(fā)[D];華北電力大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2708380