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随着医学影像技术以及放射治疗设备不断发展,对精确放射治疗(放疗)技术提出了高精度、高剂量、高疗效、低损伤(“三高一低”)的目标。目前的精确放疗计划已经可以达到对靶区的剂量高度适形,但由于治疗过程的摆位误差以及靶区和周围组织的运动和形状变化,实际照射区域往往偏离靶区位置,导致肿瘤细胞达不到致死剂量而周围正常组织过量照射。影像引导放疗(IGRT),通过在分次治疗前和治疗中采集病人的当前影像与计划影像的配准计算,纠正摆位误差,确保精确放疗计划的准确实施。目前对于IGRT的需求日趋显著,而国内的相关研究尚属起步阶段,尚无完整的IGRT系统出现,无论是软件算法还是硬件实现方式都存在亟需解决的重要问题。
本文通过广泛调研,结合应用研究需求,以建立开展影像引导关键技术研究的实验平台为目标,基于团队前期所开展的精确放疗系列软硬平台ARTS相关工作,设计并实现了一套影像引导放疗原型系统ARTS-IGRT1.0。在软件系统架构方面,采用模块化、面向对象的设计思路构建了易维护、可扩展的软件框架,在此基础上实现了病人管理、X射线影像采集、骨性标志配准以及标记点配准四大功能模块,涵盖影像引导放疗计划制定的基本流程。在关键算法方面,分别针对DRR生成算法、基于互信息的多模影像配准和基于标记点的配准算法,实现了算法流程,提出了优化方案,经大量例题测试验证了改进后算法的有效性和精确性。在硬件方面,设计了以导轨式KV级X射线成像装置为主的原型系统实验平台,可开展影像引导关键环节的实验研究。
论文基于ARTS-IGTS1.0开展了基于仿真头模的成像实验与摆位纠正实验,同时基于商用IGRT系统在医院开展了一组对照实验,测试原型系统的软硬件功能。实验结果表明,ARTS-IGRT1.0作为国内首个完整的IGRT软硬件系统已初步具备在线摆位纠正的功能,并可作为研究平台开展影像引导放疗关键技术和算法的进一步研究。该平台的建立为国内实现具有自主知识产权的商用IGRT系统奠定了基础。