發(fā)布時間：2020-08-01 06:51

【摘要】：近年來,癌癥的發(fā)病率和死亡率均呈上升趨勢,已成為威脅人類生命健康的主要殺手之一。放射治療是治療惡性腫瘤的重要手段之一,隨著腫瘤治療學的發(fā)展,它和外科腫瘤學、內(nèi)科腫瘤學一起成為治療惡性腫瘤的主要手段。據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計資料,大約有70%的腫瘤患者在病程的不同時期需要接受放射治療,如單純放射治療、術(shù)前或術(shù)后放射治療、放射治療合并化療等。與其它腫瘤治療方法相比,放射治療的起步較晚,至今也不過百年的時間,但其發(fā)展卻是突飛猛進的,尤其是計算機的出現(xiàn),使得放射治療逐步朝著定量化、精確化、程式化、智能化的方向發(fā)展。 局部未控、復發(fā)和遠處轉(zhuǎn)移是導致腫瘤放射治療失敗的主要原因。提高惡性腫瘤的局控率對控制腫瘤的復發(fā)和轉(zhuǎn)移、提高患者的生存率有非常重要的意義。腫瘤精確放射治療,就是在物理上最大限度地將射線集中到靶區(qū)內(nèi),使腫瘤周圍的正常組織和器官少受或不受照射,以最大限度的殺死腫瘤細胞,較好地保護正常組織。它要求做到：精確診斷、精確定位、精確計劃、精確擺位、精確照射,三維空間上的高劑量分布與靶區(qū)形狀一致,且靶區(qū)內(nèi)劑量分布符合要求。 擺位的準確性和重復性是影響腫瘤放射治療療效的關鍵性因素之一。病人的擺位誤差是指相對于治療機器而言,患者與照射野的位置關系中的所有不確定因素,治療期間病人受照射靶區(qū)及臨床器官的實際位置和計劃位置之間的差異。擺位誤差主要來源于分次治療擺位過程中的隨機誤差和系統(tǒng)誤差。隨機誤差是指患者每次治療時體位重復性的差異,是在治療期間,不同治療分次之間的差別。另一種擺位誤差是分次內(nèi)誤差,是指在分次治療中單次治療內(nèi)產(chǎn)生的差異,這個差異主要是由病人的隨機移動或周期性的移動造成的,包括呼吸運動、心臟跳動和不自主的肌肉收縮等。 本課題對擺位誤差校正方法進行了深入的研究,回顧了DTS在臨床中的應用,重點研究和實現(xiàn)了DTS圖像的重建,探討了DTS硬件加速方法,并探討了DTS成像算法在放療擺位校正中的具體應用。 圖像引導放射治療(Image-guided Radiotherapy, IGRT)是針對患者解剖和位置信息的不確定性提出的一項技術(shù)。將放射治療機與影像設備結(jié)合在一起,在放射治療過程中采集病人的圖像信息,確定治療靶區(qū)和重要結(jié)構(gòu)的位置、運動,并在必要時進行位置和劑量分布的校正,從而提高放療靶區(qū)的擺位精度,提高腫瘤的局部控制并減少正常組織并發(fā)癥。 測量擺位誤差,需將治療位置實時圖像與模擬定位圖像進行比較。在不改變治療技術(shù)的條件下,通過校正擺位誤差可以達到減少擺位誤差的目的。根據(jù)一個或多個測量的擺位偏差,可在同一個治療分次內(nèi)校正病人位置,即在線校正,或者在下一個分次進行離線校正。目前應用最多的是2D kV或MV X線成像系統(tǒng)、電子射野影像系統(tǒng)、錐形束CT系統(tǒng)、正交X射線系統(tǒng)、CT和治療機的結(jié)合等。 基于平板探測板的錐形束CT(Cone Beam CT, CBCT)具有體積小,重量輕,開放式架構(gòu)的特點,可以直接整合到直線加速器上,成為了IGRT的研究熱點之一。應用于放射治療擺位的CBCT采用圓軌跡的采集方式,X線球管以病人頭腳方向為軸在一個圓軌跡上旋轉(zhuǎn)一周,平板探測器采集旋轉(zhuǎn)過程中的投影數(shù)據(jù),利用這些投影數(shù)據(jù)進行容積重建,得到患者當前體位的CBCT圖像,將計劃CT圖像與CBCT圖像進行配準,得到擺位誤差,從而實現(xiàn)精確的擺位。但是其成像需要機架旋轉(zhuǎn)一周,這必然使病人接受較大的額外照射劑量(2-9cGy),和較長掃描時間(-1 min)。 數(shù)字合成X線體層成像(Digital tomosynthesis, DTS)是以傳統(tǒng)體層攝影的幾何原理為基礎,結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)尤其是計算機圖像處理技術(shù)研發(fā)的新型體層成像方法。它的主要特點是一次采集數(shù)個不同投影角度的投影數(shù)據(jù),可回顧性重建任意深度的層面圖像,可顯示3D信息等。相比于CT技術(shù),雖然DTS的分辨率較低,但是DTS所用設備簡單且易與普通X線設備融合,只需有限角度的投影,這樣就大大減少了檢查的費用和輻射劑量。相信在未來的醫(yī)學診斷中,DTS技術(shù)將發(fā)揮巨大的應用價值。 目前,DTS主要應用于乳腺、胸部、關節(jié)的檢查等多個領域。DTS的重建算法一般可分為直接重建法和間接重建法兩種。直接重建法又包括解析法和迭代法,間接重建法則包括反投影法,二維傅里葉重建法和卷積法。其中解析法的重建速度最快,而迭代法得到的重建圖像噪聲較小。 DTS的去噪算法一般又有空間頻率濾波法、矩陣反轉(zhuǎn)法、濾波反投影法和迭代去噪法等。其中任何一種方法都不能普遍有效地應用于數(shù)字合成體層成像的所有情形。針對不同的物體結(jié)構(gòu)的特點應該選擇合適的降噪方法。 本文使用基于FDK的改進算法,用有限角度的投影圖像,實現(xiàn)對VARIAN23 EX醫(yī)用直線加速器采集的真實人體投影數(shù)據(jù)的DTS圖像重建。通過該方法重建的DTS圖像,軟組織和骨骼結(jié)構(gòu)的清晰度明顯提高。 利用安裝在直線加速器上的錐形束CT影像設備可以得到患者當前體位的投影數(shù)據(jù),然后進行DTS圖像重建,使DTS圖像與參考圖像進行配準,得到擺位誤差,實現(xiàn)擺位校正。與CBCT相比,重建DTS圖像,病人接受較低的額外照射劑量(1cGy),只需較短的掃描時間(10s),并且機械限制小(一般為10。-40。機架旋轉(zhuǎn))。所以,DTS適用于受運動影響的器官和特殊病人(機架不能旋轉(zhuǎn)3600)的擺位驗證。 早期的計算機圖形處理相對簡單,所有工作都由CPU完成。1999年NVIDI公司推出了第一個真正意義上的圖形處理器(Graphic Processing Unit, GPU)。至今,GPU經(jīng)歷突飛猛進的發(fā)展。在過去十幾年間GPU的計算能力有了飛速的發(fā)展,平均每6個月就有性能翻倍的產(chǎn)品面世,其計算性能的發(fā)展速度也大大快于CPU。GPU的優(yōu)勢突顯在較大規(guī)模的并行運算上,并且與傳統(tǒng)的大型計算機相比成本低。 CUDA是一種新的處理和管理GPU計算的硬件和軟件架構(gòu),它將GPU視作一個數(shù)據(jù)并行計算設備,對所進行的計算進行分配和管理,并且無需把這些計算映射到圖形API。CUDA程序的開發(fā)語言以C語言為基礎,并對C語言進行擴展,因此任何有語言基礎的用戶都可以很容易地開發(fā)出在GPU上執(zhí)行的應用程序。 本文分析了FDK算法的并行計算原理,實現(xiàn)了DTS圖像的加速重建。采用基于CUDA架構(gòu)GPU技術(shù),通過CUDA架構(gòu)特有的編程方式,對DTS重建中的濾波部分進行加速計算,實現(xiàn)了DTS圖像的快速重建。 然后探索DTS在放療擺位中的應用,根據(jù)DRRs的理論基礎,利用投影法,實現(xiàn)了DRRs的重建。 在論文的最后對研究工作中的遺留問題進行了討論,并對今后的工作進行了展望。主要有三個問題：1、由于實驗條件的限制,尚未用臨床數(shù)據(jù)驗證DTS擺位校正的臨床有用性。論文中用到的數(shù)量的角度是否適用于其他采集條件的投影圖像,以及是否最佳的角度數(shù)量仍不能確定。2、繼續(xù)完善DTS加速重建,實現(xiàn)加權(quán)和反投影的加速計算。3、利用本實驗室的DRRs重建方法和圖像配準方法,組合形成一套可供臨床應用的擺位校正系統(tǒng)。
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：R730.55;TP391.41
【圖文】：

3、錐形束CT(Cone一BeamComputerTomograPhy，CBCT)如圖l一3，也可稱為錐束容積斷層(eone一BeamvolumetrieTomo盯即hy，CBVT)，近年來發(fā)展起來的基于平板探測器的錐形束CT具有體積小，重量輕，開放式架構(gòu)的特點，可以直接整合到直線加速器上，成為了IGRT的研究熱點之一。應用于放射治療擺位

的結(jié)合(CrrVision)如圖1一4，CTVision圖像引導放射治技術(shù)，將治療計劃使用的快速、高對比度、高精度的療室，與數(shù)字化的醫(yī)用高能直線加速器共用1張治療

F19.1一4SystemofCTVision像技術(shù)更好的整合到現(xiàn)有放療系統(tǒng)中，減少不確定因素對增益比是目前IGRT的研究熱點。本課題擬用在放射治療重建病人的DTs圖像，將DTs圖像和參考DTs圖像(

【參考文獻】

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本文編號：2777118