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一个治疗计划系统的研究与实现

作　者: 强伟哲
导　师: 郑耀
学　校: 浙江大学
专　业: 计算机应用
关键词: 动态聚焦式全身伽玛刀治疗系统治疗计划系统图像分割三维重构网格简化自动计划设计球充填剂量场可视化
分类号: TP311.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

伽玛刀治疗系统是利用伽玛射线进行肿瘤治疗的医疗设备，动态聚焦式伽玛刀系统改变传统伽玛刀治疗方式，治疗机在运动过程中聚焦于病灶杀死肿瘤细胞同时减少对正常组织的损害。治疗计划系统是放射治疗系统的重要组成部分，它是帮助医师做出放射治疗计划的计算机辅助软件系统。它涉及到图像处理、计算机图形学、科学计算可视化、放射医学和数学优化等多个领域相关理论．本文面向动态聚焦式全身伽玛刀治疗系统，研究了治疗计划系统的关键问题，包括轮廓提取、三维重建、网格简化、靶点剂量分布和自动计划优化方法。同时本文介绍了CESC治疗计划系统的设计、实现和一些改进。放射性肿瘤治疗过程是以图像引导为主的治疗过程。制定治疗计划需要首先分割出医生感兴趣的人体器官组织．自动的轮廓提取可以减轻医生的工作，提高轮廓提取的精度。CESC治疗计划系统先进行图像分割，再使用轮廓跟踪的方法提取出目标组织的轮廓。我们研究了三种图像分割的方法，实现了区域增长的图像分割方法。区域增长的方法由用户交互的指定区域内一种子点，计算机从种子点开始估算其相邻象素，如果满足特定规则，则其被加入区域，算法一直进行直到所有的相邻像素被估算完毕。人体器官组织的三维重建是治疗计划系统的重要支撑技术。我们提出基于图像分割进行三维重构的技术框架，实现了Marching Cubes的三维重构方法，并且使用渐近线判定法解决Marching Cubes算法连接二义性问题。Marching Cubes算法产生对器官组织等值面的近似，由大量细小的三角面片组成。为了实时的绘制和图形交互，我们提出使用网格简化的方法在不改变几何模型的精度和拓扑的前提下，减少组成几何模型的三角面片的数量，从而减少存储和传输代价，便捷地实现医学图像的可视化绘制和实时图形交互。动态聚焦式全身伽玛刀治疗系统对传统静态伽玛刀做出了大量的设计改进，使用动态聚焦式全身伽玛刀制定医疗计划涉及多个可控参数变量。我们提出了使用动态聚焦式全身伽玛刀的优化治疗过程，减少计划设计所需的参数变量，简化了计划的制定。逆向计划以自动靶点设计为主要内容，能极大减轻医生的工作，减少人工经验带来的误差，提高治疗计划的精度。CESC治疗计划系统以球状靶点剂量分布模型为基础，实现了一种球充填的算法进行自动靶点布置和优化。在上述研究的基础上，我们开发了面向动态聚焦式伽玛刀治疗系统的CESC治疗计划软件系统。CESC治疗计划系统采用图形学及可视化技术，具有医学影像数据的处理、三维重建、靶点布置、剂量计算、计划评估等功能。它提供能够在三维空间进行手工靶点布置和球充填的自动靶点布置两种计划方法，并且提供剂量场可视化的方法，能够观察放射线照射范围内任意等剂量线、等剂量面的分布。CESC治疗计划系统以实用为目标，具有合理的系统架构和优化的程序流程，满足了动态聚焦式全身伽玛刀的要求。关键词:动态聚焦式全身伽玛刀治疗系统;治疗计划系统;图像分割;三维重构;网格简化;自动计划设计;球充填;剂量场;可视化乒

全文目录

第1章综述  11-17
  1．1 引言  11-12
  1．2 动态聚焦式全身伽玛刀的研制  12-14
    1．2．1 动态聚焦式全身伽玛刀的组成  12-13
    1．2．2 动态聚焦式全身伽玛刀的性能和特点  13-14
  1．3 三维治疗计划系统及存在问题  14-15
  1．4 本课题的研究和内容  15-17
第2章医学图像预处理和分割  17-30
  2．1 引言  17-18
  2．2 CT／MRI与DICOM  18-20
  2．3 图像预处理  20-23
    2．3．1 图像的归一化处理  20
    2．3．2 图像滤波  20-23
    2．3．3 多层图像间的插值  23
  2．4 轮廓勾画  23-24
  2．5 图像分割  24-29
    2．5．1 分水岭分割算法  24-25
    2．5．2 水平集分割算法  25-28
    2．5．3 区域增长分割算法  28
    2．5．4 分割过程及结果  28-29
  2．6 本章小结  29-30
第3章基于图像分割的三维重构  30-46
  3．1 引言  30-34
    3．1．1 概述  30-31
    3．1．2 基于三维数据的建模方法  31-33
    3．1．3 网格简化  33-34
  3．2 体素和等值面定义  34-35
    3．2．1 体素模型  34-35
    3．2．2 等值面  35
  3．3 基本原理和步骤  35-42
    3．3．1 基本原理  35-36
    3．3．2 基本步骤  36-38
    3．3．3 MC算法的问题及解决方法  38-40
    3．3．4 二义性的解决方法  40-42
  3．4 网格简化  42-44
    3．4．1 点的分类  42-43
    3．4．2 简化标准  43
    3．4．3 三角化  43-44
  3．5 重建算法的结果和分析  44-45
  3．6 本章小结  45-46
第4章计划设计  46-56
  4．1 引言  46
  4．2 逆向计划  46-47
  4．3 伽玛刀放射治疗计划问题  47-48
    4．3．1 治疗过程  47-48
    4．3．2 计划目标  48
  4．4 动态聚焦式全身伽玛刀系统治疗模型的建立  48-51
  4．5 剂量分布的模型  51-52
  4．6 优化方法  52-55
    4．6．1 动态规划  52-53
    4．6．2 模拟退火方法  53
    4．6．3 球充填方法  53-55
  4．7 本章小结  55-56
第5章动态聚焦式伽玛刀治疗计划系统的开发  56-63
  5．1 引言  56
  5．2 系统框架和模块组成  56-62
    5．2．1 数据输入及管理  57
    5．2．2 图像预处理  57
    5．2．3 轮廓提取  57-58
    5．2．4 三维重构及网格简化  58-59
    5．2．5 计划设计与修改  59-61
    5．2．6 剂量计算  61
    5．2．7 剂量场可视化  61
    5．2．8 计划评估  61-62
  5．3 本章小结  62-63
第6章结论与展望  63-65
参考文献  65-68
致谢  68

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