【摘 要】
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近距离放疗技术通过向肿瘤细胞植入放射性的粒子定向治疗癌症具有对患者伤害小,疗效确切,术后并发症少,低副作用等特点。随着材料学,医疗影像学,计算机技术的发展,该放疗技术被广泛应用到临床肿瘤疾病的治疗当中。但是目前临床上针对前列腺癌的放射性近距离粒子植入手术需要依靠医生的经验和物理医师的辅助,对目标靶区手动植入放射性粒子,该手术方式存在精准度低,效率差,规划时间长,劳动强度大等问题。引入机器人来辅助粒
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（项目编号:51675142）:基于MRI与超声图像融合的前列腺癌粒子植入过程实时路径控制；
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近距离放疗技术通过向肿瘤细胞植入放射性的粒子定向治疗癌症具有对患者伤害小,疗效确切,术后并发症少,低副作用等特点。随着材料学,医疗影像学,计算机技术的发展,该放疗技术被广泛应用到临床肿瘤疾病的治疗当中。但是目前临床上针对前列腺癌的放射性近距离粒子植入手术需要依靠医生的经验和物理医师的辅助,对目标靶区手动植入放射性粒子,该手术方式存在精准度低,效率差,规划时间长,劳动强度大等问题。引入机器人来辅助粒子植入手术,本文研究并开发了治疗剂量规划系统（Treatment Planning System,TPS）来完成术前剂量规划和植入轨迹规划的工作,并且针对上述问题开展了以下研究。本文使用病患的前列腺MRI序列图像进行研究,首先对图像进行三维重建得到目标靶区的三维模型便于医生观察分析。然后分析序列图像的信息特点选择了双边滤波器进行图像增强处理,双边滤波器有着去噪声、保边缘的特点。使用了改进的麻雀搜索算法来优化双边滤波器的参数,再使用边缘分割算法对图像进行分割处理,最后通过面绘制算法进行三维重建得到三维可视化模型,为后面进行剂量规划提供了基础。根据TG-43 U1号报告中提出的剂量计算方法和TG-137号报告中的剂量准则,给出了粒子的线源模型和其在空间中的剂量值,推导了剂量吸收的计算方法。本文提出了一种逆向剂量规划的布源算法,根据目标靶区的体积和剂量计算方法,得到满足医学标准的剂量方案,提高了术前规划的效率。把基于剂量-体积直方图的目标函数当做逆向规划的目标函数,把逆向规划问题表述为压缩感知问题,通过逆向剂量规划的优化算法得到粒子分布和植入针在模板中的位置,通过机器人辅助对所有目标靶点进行植入方案的研究,所有的植入位置可以看成空间中的目标点位,需要末端执行机构走完所有的目标靶点,把该问题表述成一个经典的数学问题,旅行商问题（Travelling Salesman Problem,TSP）问题来得到最优的植入路径。本文在Windows平台下开发了TPS软件,通过软件可以对整个术前规划流程进行整合统一,把TPS系统分成多个模块,不同的模块之间分工合作实现了整个术前规划。基于VTK,ITK软件包实现三维可视化,在Visual Studio软件内搭建了环境,实现了预设功能,达到了预期效果。本文基于医疗社区提供的数据集完成了TPS系统的逆向布源剂量规划的验证实验,搭建了UR机械臂辅助的粒子植入平台,完成了对2D针位置图进行植入针轨迹规划的验证实验,得到了有效的结论。
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