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放射治疗计划系统关键技术研究
作 者: 李建东
导 师: 张铁;康雁
学 校: 东北大学
专 业: 计算机软件与理论
关键词: 放射治疗计划系统 医疗软件生命周期 卷积/叠加光子束剂量计算 Hosgtrom笔形束电子剂量计算 质量保证 基于角色的访问控制 人的因素 第三方检测 临床验证
分类号: R730.5
类 型: 博士论文
年 份: 2009年
下 载: 21次
引 用: 1次
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内容摘要
在人类通过化学、免疫、抗生素疗法三大防治手段基本上控制了以往主要威胁人类健康的各类传染病之后,恶性肿瘤已经成为威胁人类健康的主要杀手。据相关的资料统计,恶性肿瘤居全球人类死亡原因的第三位,在大多数发达国家,恶性肿瘤是仅次于心血管病的第二大死亡原因。目前,放射治疗已经成为和手术治疗、化学治疗并列的三大治疗恶性肿瘤手段之一。国内外统计数字表明,约有50%—70%的肿瘤患者需要不同程度地接受放射治疗。放射治疗计划系统是与医用加速器配套使用的一个专用计算机软件系统,放射治疗需要依靠放射治疗计划系统实现,放射治疗计划系统是实施放射治疗不可缺少的核心组成部分。本文将对放射治疗计划系统进行深入系统的研究,目标是研究开发一套功能完备、稳定、应用性好和具有市场竞争力的放射治疗计划系统软件。该系统能够为临床医生提供一个交互式图像的三维重构和数据可视化工具,能够输入和处理图像数据、确定体表、靶区及体内感兴趣组织的几何描述,通过治疗参数设计、治疗处方剂量的给定、剂量分布的计算和治疗时间的计算,制定出放射治疗方案,通过三维图像显示和治疗方案模拟为用户提供放射治疗方案的直观表示,最终生成特定格式的治疗文件供加速器使用。围绕上述目标,本文的主要工作和创新如下。(1)放射治疗计划系统是一个技术密集型的大型复杂软件系统,同时它又是医疗器械产品。本文根据放射治疗计划系统的软件和医疗器械的双重特征,建立了适合放射治疗计划系统开发管理的生命周期模型;根据放射治疗计划系统的功能性和安全性的要求,给出了系统的架构设计方案,各个模块的功能组成,以及采取的技术方案。(2)剂量计算的精度和速度是评价一个放射治疗计划系统实用与否的重要标准之一。放射治疗计划系统中的剂量计算主要包括光子束和电子束两种。对于光子束,本文研究目前能用于临床的精度最高的剂量计算模型——基于点核的卷积/叠加模型,研究内容包括多能谱光子束硬化修正算法、倾斜修正算法、电子污染、以及射束相空间模型,建立了一套完整的多能谱光子束剂量计算方案。电子污染是剂量计算中的一个关键问题,它会直接影响在建成区内的剂量计算精度,本文根据污染电子剂量的几何特性建立了简单的几何模型。对于剂量计算所必不可少的相空间信息,提出了一套完整的模型:在主能量注量模型的建立中,对对称性不理想的加速器的主能量注量模型进行了深入研究,结合乘法原理和测量数据,建立了两种可选的解决方案。(3)在电子束剂量计算方面,实现了Hogstrom笔形束电子剂量计算算法,从临床实践角度,给出了Hogstrom算法执行过程中所必需的物理学参数的求解方法,并对算法的临床可行性进行了验证。(4)放射治疗计划系统能否安全地在临床上应用的一个重要前提是:有比较完善的质量保证和质量控制程序。本文分析了基于角色访问控制模型(RBAC)在放射治疗计划系统中应用的合理性,结合放射治疗计划系统的开发实践和放射治疗临床实际给出了RBAC在放射治疗计划系统中的应用和实现过程。针对放射治疗计划系统质量保证中人的因素问题,给出了如何在放射治疗计划系统的设计、开发和维护阶融入人的因素的基本思路和做法。(5)国家食品药品监督管理局规定放射治疗计划系统在进行销售之前必须经过国家授权机构的检测和具有临床验证资格的医院进行验证。但是,国家食品药品监督管理局对放射治疗计划系统的检测和验证仅仅给出了形式上的一些规定,并没有给出具体的注册标准和指导性文件。本文结合放射治疗计划系统的产品特点和临床实际情况,建立了放射治疗计划系统检测和临床验证的基本程序,编制了用于临床验证的剂量评估软件。
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全文目录
摘要 5-7 Abstract 7-9 目录 9-12 第1章 绪论 12-22 1.1 研究背景 12-13 1.2 外照射放射治疗 13-18 1.2.1 外照射放射治疗 13-15 1.2.2 放射治疗计划系统 15-18 1.3 国内外发展状况 18-19 1.4 本文研究的意义 19 1.5 本文的主要工作 19-21 1.6 论文的组织结构 21-22 第2章 放射治疗计划系统构建技术研究 22-44 2.1 放射治疗计划系统生命周期管理 22-30 2.1.1 可行性研究 23 2.1.2 计划和设计 23-25 2.1.3 执行和实现 25-29 2.1.4 验证和确认 29 2.1.5 支持和维护 29-30 2.2 放射治疗计划系统架构设计 30-40 2.2.1 架构设计方案 31 2.2.2 系统功能模块设计和实现技术 31-40 2.3 放射治疗计划系统验证 40-41 2.4 本章小结 41-44 第3章 光子束剂量计算技术研究 44-82 3.1 光子束能量沉积基本理论 44-47 3.1.1 物理过程 44-46 3.1.2 Fano和O’Connor理论 46-47 3.1.3 交互理论 47 3.2 卷积/叠加光子束剂量计算模型 47-53 3.2.1 卷积定理与叠加原理 47-48 3.2.2 能量沉积核 48-53 3.3 基于点核的卷积/叠加模型 53-62 3.3.1 叠加模型的基础 53-55 3.3.2 多能射束的计算模型 55-62 3.4 污染电子的剂量模型 62-64 3.5 射束相空间模型 64-73 3.5.1 主能量注量模型 65-68 3.5.2 双源模型 68-73 3.6 卷积/叠加模型的验证 73-79 3.7 本章小结 79-82 第4章 电子束剂量计算技术研究 82-98 4.1 电子束剂量计算回顾 82-86 4.1.1 宽射束方法 82-83 4.1.2 笔形束方法 83-85 4.1.3 蒙特卡罗方法 85-86 4.2 Hogstrom笔形束电子剂量计算算法 86-91 4.2.1 笔形束基本原理 86-87 4.2.2 算法推导 87-89 4.2.3 剂量计算公式的离散化 89-90 4.2.4 坐标系统 90-91 4.3 Hogstrom笔形束算法的实现 91-96 4.3.1 剂量学参数的确定 91-94 4.3.2 计算时间的优化 94-96 4.4 Hogstrom笔形束算法验证 96-97 4.5 本章小结 97-98 第5章 质量保证和质量控制技术研究 98-116 5.1 放射治疗质量保证的必要性和临床要求 98-101 5.1.1 放射治疗质量保证的必要性 98-99 5.1.2 放射治疗质量保证的临床要求 99-100 5.1.3 放射治疗全过程及其对剂量准确性的影响 100-101 5.2 放射治疗计划系统事故原因分析 101 5.3 放射治疗计划系统质量保证 101-105 5.3.1 系统文档和用户培训 101-102 5.3.2 验收 102-105 5.3.3 常规质量保证程序 105 5.4 基于角色的访问控制技术在放射治疗中的应用 105-112 5.4.1 访问控制 105-106 5.4.2 基于角色访问控制的RBAC模型 106-108 5.4.3 RBAC模型的应用和实现 108-111 5.4.4 访问控制模块在VC6.0下的实现 111-112 5.5 放射治疗中人的因素分析 112-114 5.5.1 人的因素在放射治疗计划系统开发中的重要性 112-113 5.5.2 采取的对策和措施 113-114 5.6 本章小结 114-116 第6章 第三方检测和临床验证技术研究 116-130 6.1 放射治疗计划系统临床验证的法规要求 116-117 6.2 放射治疗计划系统第三方检测 117-118 6.3 放射治疗计划系统临床验证总体设计 118-119 6.4 临床验证的基本方法及数据获取 119-124 6.4.1 临床验证的基本方法 119 6.4.2 临床验证评价标准 119-122 6.4.3 临床验证数据的获取 122-124 6.5 验证的执行流程 124-126 6.5.1 与参考系统计算结果的比较 124-125 6.5.2 与模体胶片实测数据的比较 125-126 6.6 临床验证结果和分析 126-129 6.6.1 临床验证结果 126-128 6.6.2 临床验证分析和讨论 128-129 6.7 本章小结 129-130 第7章 总结和展望 130-134 7.1 总结 130-131 7.2 展望 131-134 参考文献 134-146 附录 146-152 致谢 152-154 攻读博士学位期间发表的学术论文 154-156 作者简历 156
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中图分类: > 医药、卫生 > 肿瘤学 > 一般性问题 > 肿瘤治疗学
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