隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到了極大的應(yīng)用�，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)可以說已經(jīng)離不開計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù),其中的計(jì)算機(jī)輔助診斷技術(shù)與計(jì)算機(jī)指導(dǎo)癌癥放射治療技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注,它們是近幾年來在多學(xué)科交叉領(lǐng)域中興起的前沿課題,隨著數(shù)字化、智能化進(jìn)程的發(fā)展,計(jì)算機(jī)輔助診斷技術(shù)以及計(jì)算機(jī)指導(dǎo)癌癥放射治療技術(shù)的應(yīng)用將會有更加廣闊的前景。本論文主要研究了兩項(xiàng)與上述兩種技術(shù)相關(guān)的理論及其臨床應(yīng)用。骨質(zhì)疏松癥是一種最常見的代謝性骨骼疾病,其特征是骨量低,當(dāng)骨強(qiáng)度受損并導(dǎo)致骨折風(fēng)險(xiǎn)增加時(shí),就會導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥。骨礦物質(zhì)密度(Bone mineral density,BMD)是骨耐受負(fù)荷和骨折的主要預(yù)測指標(biāo),現(xiàn)在有大量的研究測量BMD,但仍然存在一些問題有待解決。X射線誘導(dǎo)聲學(xué)計(jì)算機(jī)斷層掃描(X-ray-induced acoustic computed tomography,XACT)是一種新的很有前景的成像模式,它將X射線吸收的高對比度與超聲波提供的高分辨率的優(yōu)勢相結(jié)合。在本研究中,我們提出了用于骨密度成像的三維XACT成像系統(tǒng)并在MATLAB上用K-wave工具箱進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。我們設(shè)計(jì)了一個(gè)三維球面探測器陣列并研究了它的最佳成像位置以及系統(tǒng)成像分辨率,沿軸向和橫向的成像空間分辨率為123-130μm。我們使用真實(shí)生物樣本生成的數(shù)字模型,模擬了小鼠骨骼微結(jié)構(gòu)的三維XACT成像。該研究的結(jié)果將極大地增強(qiáng)XACT成像在評估骨疾病中用于未來臨床應(yīng)用的潛力。XACT作為一種新穎的有前景的成像模式,其成像原理跟X射線的吸收有關(guān),XACT成像不僅可以用來輔助診斷器官組織的病變,它的另一個(gè)應(yīng)用方向在于癌癥放療過程中的放射劑量實(shí)時(shí)監(jiān)控。在放療實(shí)施之前,放射治療計(jì)劃的制定是尤為重要的,因?yàn)樗笇?dǎo)放療的整個(gè)過程。在本論文另一部分研究中,基于知識的肝癌調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃自動優(yōu)化技術(shù)目的在于為個(gè)體患者半自動制定精確地放療計(jì)劃,計(jì)算出靶區(qū)和危及器官的放射劑量,并指導(dǎo)放射治療的過程,是放射治療過程中XACT進(jìn)行劑量實(shí)時(shí)監(jiān)控的前提,對精準(zhǔn)放療的發(fā)展具有相當(dāng)大的意義。調(diào)強(qiáng)放射治療(Intensity modulated radiation therapy,IMRT),其基于計(jì)算機(jī)的逆向放療計(jì)劃優(yōu)化,可以向腫瘤遞送更高的治療劑量,同時(shí)減少對鄰近正常組織的影響。然而,目前每個(gè)IMRT計(jì)劃都是從頭開始的,并使用試錯(cuò)法進(jìn)行優(yōu)化,這種方法既費(fèi)時(shí)又主觀。基于知識的計(jì)劃自動化優(yōu)化技術(shù)旨在減少計(jì)劃質(zhì)量的不一致和計(jì)劃制定的時(shí)間。基于知識的計(jì)劃自動優(yōu)化軟件-RapidPlan,通過訓(xùn)練由不同患者計(jì)劃組成的模型庫來獲得可以預(yù)測新患者劑量-體積直方圖(DVH)的模型,并使用這些模型來設(shè)置優(yōu)化目標(biāo),然而軟件剛處于試用階段,對模型預(yù)測能力以及其臨床應(yīng)用仍待進(jìn)一步研究。這項(xiàng)工作的目的是針對具有特殊解剖特征的患者的肝臟調(diào)強(qiáng)放療(IMRT)治療的臨床計(jì)劃與RapidPlan自動優(yōu)化的計(jì)劃進(jìn)行比較,并研究一般模型(Model-G)與我們的特定模型(Model-S)的預(yù)測能力。我們的研究結(jié)果表明,RapidPlan可以自動生成高質(zhì)量的放療計(jì)劃,兩個(gè)模型相比較,RPS計(jì)劃顯著提高了的靶區(qū)適型度以及顯著降低了右腎和脊髓的劑量。對具有特定結(jié)構(gòu)的病例來說,小而精的模型比尺寸大的模型對模型的預(yù)測能力影響更大。
【學(xué)位單位】：山東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O434.1;R580
【部分圖文】：

圖 1-4-1 XACT 成像原理圖為了誘導(dǎo)聲波，X 射線被內(nèi)殼電子的激發(fā)吸收并產(chǎn)生光電子，被激發(fā)的電子通過電磁輻射（可以被重新吸收）或通過俄歇過程衰減，俄歇電子和光電子通過產(chǎn)生二次電子級聯(lián)將其部分動能轉(zhuǎn)移到周圍介質(zhì)中，在多次碰撞之后，這些電子達(dá)到熱平衡，從熱化的激發(fā)電子系統(tǒng)到組織的能量轉(zhuǎn)移由電子聲子相互作用控制，從而增加了原子系統(tǒng)的溫度。照射體積中溫度的升高通常小于 1 毫克，產(chǎn)生的壓力波是 X 射線誘導(dǎo)的聲學(xué)（XA）信號，即 X 射線束向下傳播，從探測目標(biāo)產(chǎn)生 XA 信號（圖 1-4-1）。 X 射線誘導(dǎo)的聲學(xué)效應(yīng)過程本質(zhì)上是三維的，因?yàn)?XA 波本質(zhì)上是球形的，并且從它們的生成點(diǎn)向所有方向傳播，將 XA 信號用于體積成像是它獨(dú)特的優(yōu)勢，單個(gè)投影 X 射線曝光足以在三維空間中產(chǎn)生聲信號。

圖 1-4-1 XACT 成像原理圖內(nèi)殼電子的激發(fā)吸收并產(chǎn)生光電子，被激發(fā)通過俄歇過程衰減，俄歇電子和光電子通過圍介質(zhì)中，在多次碰撞之后，這些電子達(dá)到量轉(zhuǎn)移由電子聲子相互作用控制，從而增加通常小于 1 毫克，產(chǎn)生的壓力波是 X 射線誘播，從探測目標(biāo)產(chǎn)生 XA 信號（圖 1-4-1）。的，因?yàn)?XA 波本質(zhì)上是球形的，并且從它們于體積成像是它獨(dú)特的優(yōu)勢，單個(gè)投影 X 射

的聲學(xué)效應(yīng)引起的初始壓力，然后我們使用 Matlab K-Wave 工具箱從發(fā)生點(diǎn)和超聲波誘導(dǎo) X 射線誘導(dǎo)的超聲波傳播以及超聲探測器陣列探測到超聲信號進(jìn)行模擬仿真，通過迭代重建算法對初始壓力進(jìn)行XACT圖像的三維重建。圖3-1-1展示了仿真實(shí)驗(yàn)的流程。圖 3-1-1 仿真實(shí)驗(yàn)流程圖圖 3-1-2 展示了我們設(shè)計(jì)的三維 XACT 成像的仿真示意圖，它利用直線加速器發(fā)出的 X 射線，照射到生物的被測組織上（圖中藍(lán)色立方體），生物組織間歇性吸收熱量，并向周圍空間發(fā)射超聲波，采用我們設(shè)計(jì)的球面超聲探測器收集超聲信號。山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文

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本文編號：2831856