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多叶准直器的优化设计

作　者: 崔伟杰
导　师: 戴建荣；胡逸民；张红志
学　校: 中国协和医科大学
专　业: 肿瘤放射物理
关键词: 多叶准直器叶片宽度叶片端面形状优化
分类号: TH774
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 62次
引　用: 1次
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内容摘要

多叶准直器(MLC)已成为现代医用直线加速器的标准配置,并且广泛应用于适形放射治疗和调强放射治疗。经过大约四十年的发展,MLC的基本结构已趋于稳定。MLC的重要特征包括叶片的端面形状和截面形状,叶片宽度,以及叶片位置的控制方式。MLC在临床应用中的一个缺陷是用它适形靶区时,形成的射野具有台阶状边界,无法与期望形成的边界光滑的靶区完全一致。也就是说,用MLC适形靶区,总会存在欠挡区域和(或)过挡区域。为了克服这个缺点,本研究提出两个优化设计方案。第一个方案是针对单层MLC的叶片宽度组合的优化。我们建立一个数学模型来描述这个优化问题,该优化模型以叶片宽度为变量,以MLC射野和靶区之间不一致区域的总面积最小化为优化目标,以MLC的总宽度为约束条件。我们引入了一个综合自适应模拟退火方法(ASA,Lester Ingber,1993)和梯度法(DONLP2,P.Spellucci,2001)的混合算法来求解优化问题。优化求解过程基于634个选自临床病例的靶区。我们分别求解了叶片对数为28,40和60时的叶片宽度优化值,这三个叶片对数分别与三种传统MLC的叶片对数相对应。优化结果是在MLC中心轴附近,叶片宽度随着离轴距离的增大而略有减小;在远离中心轴区域,叶片宽度随离轴距离的增大而迅速增大。与传统MLC相比,通过叶片宽度的优化使MLC射野和靶区之间不一致区域的总面积分别下降了11.1%,28.6%和25.0%。第二个方案是针对双层MLC的叶片端面形状的优化设计。我们建立了数学模型描述这一优化问题,并用模拟退火法和单纯形法求解了问题。优化过程同样基于634个选自临床病例的靶区。优化结果表明叶片端面的最佳设计方案是使其在等中心的投影形状为半圆形,圆的半径为叶片宽度的一半。采用这一优化设计时,MLC射野的边界不再是台阶状,而是由圆弧段组成,因而更接近不规则的靶区形状。对于双层41对叶片MLC,当叶片端面从传统的直线段改为圆弧段时,射野适形度提高32.3%。本研究首次将数学优化理念引入MLC的设计,提出了两种新颖的优化设计方案,在不增加MLC叶片对数的前提下,显著提高了MLC的适形度。

全文目录

目录  3-5
图表索引  5-7
英文缩略词  7-8
摘要  8-10
Abstract  10-12
第一章前言  12-15
  1.1 MLC在放射治疗的作用  12-13
  1.2 研究目的及意义  13
  1.3 论文的组织结构  13-15
第二章 MLC的基本结构及研究进展  15-32
  2.1 MLC的构成单元——叶片  16
  2.2 MLC的安装位置  16-17
  2.3 MLC叶片的截面  17-20
  2.4 MLC叶片的端面  20-23
  2.5 MLC叶片位置的控制  23-25
  2.6 MLC叶片的宽度  25-26
  2.7 特殊MLC  26-30
  2.9 MLC的质量保证  30-32
第三章优化单层MLC叶片宽度  32-50
  3.1 引言  32
  3.2 材料和方法  32-40
    3.2.1 优化模型  32-34
    3.2.2 确定叶片位置的计算方法  34-36
    3.2.3 优化算法  36-39
    3.2.4 靶区样本  39-40
  3.3 结果  40-48
    3.3.1 叶片宽度的优化结果  40-42
    3.3.2 对叶片宽度优化结果的分析  42-45
    3.3.3 临床病例比较  45-48
  3.4 讨论  48-49
  3.5 本章小结  49-50
第四章优化双层MLC叶片端面形状  50-58
  4.1 引言  50
  4.2 材料和方法  50-54
    4.2.1 优化模型  50-52
    4.2.2 确定叶片位置的计算方法  52-53
    4.2.3 优化算法  53-54
    4.2.4 靶区样本  54
  4.3 结果  54-57
    4.3.1 各叶片弧形端面的半径不同时的优化结果  54-55
    4.3.2 各叶片弧形端面的半径相同时的优化结果  55-57
  4.4 讨论  57
  4.5 本章小结  57-58
第五章总结  58-59
参考文献  59-65
本学位研究课题受下列基金资助  65-66
致谢  66-68
与学位论文相关的论文/综述/专利  68-69

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