4D-CT联合锥形束CT在肺癌放疗中靶区外放边界的研究

目的 分析四维CT(Four-Dimensional Computed Tomography,4D-CT)联合锥形束CT(Cone-Beam CT,CBCT)对肺癌放疗中因呼吸运动和摆位误差对靶区外放值的影响,为临床靶区勾画提供参考。方法 选取2020年7月至2022年9月在安徽医科大学第一附属医院接受4D-CT扫描的肺癌放疗患者24例,其中采用呼吸门控技术患者12例,未采用呼吸门控技术患者12例。所有患者定位时进行4D-CT扫描,且首次放疗前行CBCT扫描,之后每周行CBCT扫描,其中采用呼吸门控治疗患者每次治疗前均行CBCT扫描,采用肿瘤中心点在4D-CT图像中10个时相上的位移作为影响呼吸运动的参数,并结合CBCT的位移数据计算靶区外放边界值,分析肿瘤中心点位置、摆位误差以及肿瘤中心点三维方向上相关性。结果 24例患者随呼吸运动肿瘤中心点在左右、头脚、前后方向上的位移分别为(0.21±0.20)、(0.52±0.49)、(0.29±0.21)cm。摆位误差在左右、头脚、前后方向上的位移分别为(0.06±0.31)、(-0.06±0.46)、(0.07±0.36)cm。仅利用摆位误差只能得出内在靶体积到计划靶区的外放边界值,在3个方向上最大值分别为0.36、0.47、0.43 cm。利用肿瘤中心点位移和摆位误差位移得出肿瘤靶区外放边界3个方向最大值分别为0.73、1.31、0.82 cm。结论 4D-CT联合CBCT能减小肺癌患者放疗中的靶区外放,利用呼吸门控在4D-CT计划基础上也可进一步精确靶区外扩边界。

铅门跟随技术和铅门固定技术在宫颈癌调强放射治疗中的剂量学比较

目的探究铅门跟随技术(Jaw Tracking Technique,JTT)和铅门固定技术(Static Jaw Technique,SJT)在宫颈癌调强放疗中剂量学的差异。方法选取25例宫颈癌患者,对每例患者分别在3种治疗模式[动态调强适形放射治疗(Dynamic IntensityModulatedRadiotherapy,dIMRT)、静态IMRT(StaticIMRT,sIMRT)、容积旋转调强放疗(Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT)]下采用两种铅门技术共设计出75组治疗计划,在满足靶区处方总剂量为50Gy下,比较两组治疗计划靶区及危及器官(Organs at Risk,OAR)的剂量分布、机器跳数、出束时间。结果3种治疗技术的治疗计划靶区剂量均能满足临床处方剂量要求,3种治疗模式中JTT计划与SJT计划的计划靶区(Planning Target Volume,PTV)适形度指数和均匀度指数比较,差异均无统计学意义。dIMRT组JTT计划的OAR剂量除膀胱V_(50)其他参数均显著低于SJT计划(P<0.05)。sIMRT组的JTT计划的OAR剂量除小肠V_(50)其他参数均显著低于SJT计划(P<0.05)。VMAT组OAR剂量两种计划比较差异均无统计学意义(P>0.05)。dIMRT组和sIMRT组JTT计划的机器跳数显著高于SJT计划,当剂量率相同时dIMRT组JTT计划的出束时间较SJT计划显著增加(P<0.05),而sIMRT组JTT计划的出束时间显著短于SJT(P<0.05),VMAT组JTT计划和SJT计划的机器跳数比较差异无统计学意义(P>0.05),但JTT计划的出束时间显著高于SJT计划(P<0.05)。结论宫颈癌患者调强放疗中运用JTT和SJT对靶区和OAR受量均能满足临床要求,但dIMRT和sIMRT组JTT能更好地降低OAR受量,减少并发症的发生。VMAT组JTT技术则无明显优势。

SPEEDO:一款快速准确的碳离子蒙特卡罗剂量计算程序

目的:开发一款用于碳离子治疗的快速准确的蒙特卡罗程序SPEEDO。方法:对于电磁过程,采用连续慢化近似的II类浓缩历史模拟方案,模拟能量歧离、射程歧离、多重散射和电离过程。对于核相互作用,本研究考虑5种靶核:氢、碳、氮、氧和钙。产生的次级带电粒子遵循同样的浓缩历史框架。本研究模拟碳离子在4种材料(水、软组织、肺和骨头)中的输运过程,并将计算的剂量结果与放射治疗物理专用蒙特卡罗模拟软件TOPAS进行对比验证,最后与在武威重离子治疗中心医用重离子加速器示范装置(HIMM-WW)上测得的水箱剂量进行对比。结果:SPEEDO的模拟结果与TOPAS具有良好的一致性。对于每种材料在物理剂量大于其体素最大剂量点10%的体素区域,两者的相对最大剂量平均误差均小于2%。在治疗能量为400 MeV/u时,SPEEDO的计算时间(13.8 min)明显小于TOPAS的计算时间(105.0 min)。SPEEDO的计算结果与HIMM-WW的测量值在横向剂量分布和积分剂量深度曲线方面展现出良好的一致性。结论:SPEEDO程序可以准确快速地实现碳离子的蒙特卡罗剂量计算。

基于剂量预测和自动勾画技术的PET/CT器官内照射剂量率快速评估方法

目的:实现一种基于深度学习的剂量预测和自动勾画技术的正电子发射断层成像(PET)/CT检查器官内照射剂量率的快速评估方法。方法:首先基于患者特定时刻的PET/CT图像,使用蒙特卡罗程序GATE进行内照射剂量率计算,获得每个患者的剂量率分布图。随后,基于U-Net构建深度神经网络,将患者的CT和PET图像作为输入,GATE计算的剂量率图作为金标准进行训练。训练后的深度学习模型能够根据患者的CT和PET图像预测对应的剂量率分布。同时,使用勾画软件DeepViewer对患者CT图像中的器官和组织进行自动勾画,结合预测得到的剂量率分布结果计算相应器官和组织的吸收剂量率。使用50名患者的PET/CT数据,其中10份用于测试,其余40份进行4折交叉训练,每次使用30份用于训练,10份用于验证。将测试集结果与GATE和GPU蒙特卡罗工具ARCHER-NM进行对比。结果:在自动勾画软件DeepViewer勾画的24个器官中,绝大部分器官的深度学习预测剂量率与GATE计算结果偏差在±10%以内。其中大脑、心脏、肝脏、左肺、右肺的平均偏差分别为3.3%、1.1%、1.0%、-1.1%、0.0%,与GATE具有较好的一致性。使用GATE程序进行每名患者的内照射剂量率计算平均用时8.91 h,而使用深度神经网络模型进行内照射剂量率预测平均每名患者用时15.1 s,平均加速比达到2 120倍。和ARCHER-NM的对比表明,基于深度学习方法的剂量率预测具有速度优势,但在结果的可解释性方面还需要改善。结论:利用深度学习预测和自动勾画技术可以从PET/CT图像快速得到剂量率分布,有望作为一种PET/CT内照射剂量率快速评估方法,为临床核医学快速、实时地计算人体内照射吸收剂量提供一种新的解决方案。

摆位误差对肺癌立体定向放射治疗剂量学的影响

目的通过锥形束CT(CBCT)图像配准研究早期非小细胞肺癌患者体部立体定向放射治疗中摆位误差对放疗剂量分布的影响,为指导临床改进定位方案提供参考。方法回顾性分析接受SBRT的18例早期非小细胞肺癌患者,应用CBCT对患者进行治疗前扫描并与计划CT图像配准,获得摆位误差。在放疗计划系统中通过患者的移床参数,计算摆位误差对靶区剂量分布的影响。结果患者摆位误差分别是Vrt(前后)=(0.31±0.39)cm、Lng(头脚)=(0.33±0.43)cm、Lat(左右)=(0.31±0.42)cm。早期非小细胞肺癌患者SBRT放疗前摆位误差使PTV的适形度CI由(0.77±0.19)下降为(0.49±0.18)(P=0.003),差异具有统计学意义;同时使平均剂量改变了3.95%±10.01%(P=0.002)。结论采用CBCT图像引导早期非小细胞肺癌患者靶区位置校准,可有效降低摆位误差,为精准放疗的实施提供保障。

CFD/CSD耦合声气动弹性时域仿真研究

提出了一种基于计算空气动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合的声气动弹性时域仿真方法。空气动力学和气动声学分别采用大涡模拟和Lighthill声比拟理论进行计算,结构动力学采用模态叠加的方法进行计算。以运载器舱体为研究对象,通过计算得到了舱体结构响应的时间历程,分析了舱体表面由于涡的破碎和融合的演变所产生脉动压力引起结构瞬态响应的机理。通过对中低频段声气动弹性的分析应用,验证了CFD/CSD耦合的声气动弹性计算方法的可行性。

射流噪声抑制的数值方法——共轴射流的研究

由于喷气飞机中发动机产生的气动噪声是飞行时的主要噪音之一,因此射流噪声的研究具有重要的意义。文章结合CFD技术与气动噪声时域理论求解共轴喷管的射流噪声。首先采用雷诺平均N-S方程求解器对射流的三维流场进行了数值模拟。通过数值模拟,得到了共轴喷管马赫数为0.75的流场特性。然后结合lighthill声比拟理论研究了流场产生的气动噪声。结果发现,由于次级流对主流的影响,导致射流流场结构改变,剪切层内的大尺度涡减小,与常规单喷管射流噪声相比共轴射流有所改善,特别是在高频段喷流噪声有明显减小。

超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC

蒙特卡罗方法对于复杂核系统的模拟具有明显优势,然而在实际工程应用中存在巨大的挑战,如复杂结构与材料分布精准建模难度大、计算收敛速度慢、海量数据难以及时有效分析等。超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC设计为支持以辐射输运为核心,包含燃耗、辐射源项/剂量/生物危害、材料活化与嬗变等的综合中子学计算,支持热工水力学、结构力学、化学、生物学等多物理耦合模拟。SuperMC目前已发展了精准建模、高效计算、四维可视化等关键技术,通过2 000余个国际基准模型及实验的验证与确认,在反应堆工程等方面获得广泛应用,本文对其发展概况进行介绍。

发动机主承力构件热结构特性分析

液体火箭发动机随着推力增大,振动量级会变得更加剧烈,工作环境也会更为恶劣。因此,需要对承力结构的结构变形、摇摆间隙、与总体对接面变形情况以及各组件间接口可靠性进行详尽研究。以某型号发动机的主承力构件为研究对象,首先通过CFD方法得到工作状态下发动机内部的压力及温度载荷,然后将得到的温度和压力载荷做为应力分析的边界条件,对发动机主承力构件进行有限元分析。通过对计算得到的应力场进行分析,寻找到发动机危险截面,对这些截面上的应力采用应力线性化手段进行应力分类,最终通过应力强度评定原则对各类应力进行强度评定,以校核强度是否满足要求。校核结果表明该主承力构件的强度满足安全要求。

超声速逆向喷流的减阻与降热

利用流动控制技术改变流场结构的方法,对逆向冷喷流将激波推离物体表面以达到减阻减热的效果,进行了数值模拟计算。通过计算给出了钝头体在超声速流场中有无逆向喷流的压力场和温度场的比较,结果表明,逆向喷流对钝头体表面的减阻和减热起到了明显的作用。

基于MCNP源子程序的放射治疗剂量计算验证方法

目的:蒙特卡罗方法可以精确地对放射治疗过程所涉及到的物理过程进行模拟而在放射治疗领域有很大应用前景,本文发展了基于蒙特卡罗程序MCNP的剂量计算验证方法。用户只需要设置加速器源的位置参数和放疗计划参数就可以方便的调用MCNP源子程序完成放疗计划的剂量计算。方法:首先确定源的位置,根据加速器机头的位置和等中心点的位置来确定源粒子的位置信息。其次根据代表射野形状和强度的强度矩阵来抽样源粒子的方向信息,然后根据加速器能谱的抽样概率随机抽选能量段,然后在能量段内均匀抽样,得到该次抽样的源粒子能量信息,得到源粒子的所有信息后即可进行粒子在人体的蒙卡输运模拟。结果:本文通过对一例真实的宫颈癌病例的放疗计划进行模拟计算剂量分布,通过剂量偏差分析得到与MCFSPB在目标区域的平均误差为1.12%,γ分析值为94.55%,剂量计算结果符合的很好,比临床上的标准要求要高,完全满足临床要求。结论:本方法的计算精度能满足临床放射治疗验证的要求,能作为放疗计划的验证工具。

基于深度学习的危及器官自动勾画软件系统DeepViewer在放疗中的应用及评估

目的:将一款基于深度学习的危及器官自动勾画软件系统DeepViewer应用于临床,实现自动勾画肿瘤患者治疗计划中危及器官的功能。方法:DeepViewer使用改进后的全卷积神经网络U-Net来实现自动勾画患者CT扫描部位所包含的危及器官,并使用Dice相似性系数(DSC)对比分析这22种危及器官自动勾画与手动勾画的差异。结果:11种危及器官DSC平均值在0.9以上,5种危及器官DSC平均值为0.8~0.9,5种器官DSC平均值为0.7~0.8,视交叉DSC平均值最低,为0.676。总体结果表明DeepViewer系统能够较准确地自动勾画出危及器官,特别是左、右肺、膀胱、脑干等器官,已基本满足临床需求。结论:DeepViewer软件系统可以实现放疗肿瘤患者危及器官的自动勾画,准确性较高。同时,DeepViewer系统勾画完毕后,可以通过网络系统自动传输RTStructure DICOM3.0文件,无需其他操作,能极大地提高临床医生工作效率,降低治疗计划流程中的勾画总时间。

DICOM-RT解析及在精确放射治疗计划系统中的应用

目的:实现CT和DICOM-RT四个放疗对象-RT-Structure、RT-Plan、RT-Image、RT-Dose在治疗计划系统(TPS)中的存储和传输。方法:通过对DICOM-RT四个放疗对象的解析,并对其在治疗计划系统(TPS)中的应用,设计了DICOM-IMPORT和DICOM-EXPORT两个接口。在FDS团队自主研发的精确放射治疗软件系统(ARTS)中调用这两个接口,验证接口导入导出RT-Structure(勾画信息)、RT-Plan(计划信息)、RT-Image(DRR,数字重建放射影像)、RT-Dose(剂量信息)是否正确。结果:通过测试临床病例,ARTS可以成功导入导出两大商用治疗计划系统-飞利浦Pinnacle3和拓能VENUS中获取的DICOM-RT文件。结论:通过对DICOM-RT四个放疗对象的解析,设计的两个接口实现了在精确放射治疗系统计划系统中的应用,及不同TPS数据之间的兼容。

采用MBD技术的液体火箭发动机三维模型设计

采用MBD(Model Based Definition)技术,以Pro/E和Intralink为协同设计平台,首次实现了液体火箭发动机的全三维数字化模型设计。通过将设计、工艺、材料和制造等相关信息包含在三维模型中,并将三维模型电子分发下厂,实现了用MBD模型完全取代传统研制模式中的二维图纸;同时基于MBD模型实现了三维仿真和装配过程分析,减少了方案反复。结果表明采用MBD技术的三维模型设计可显著提高产品研制效率,并为三维数字化制造奠定了坚实基础。

Octavius 4D联合PTW729在RapidArc计划验证中的应用

目的研究Octavius 4D-PTW729验证系统在RapidArc计划验证中应用。方法选取29例RapidArc计划,移植到Octavius 4D模体制作验证计划。在Varian VitalBeam直线加速器上实施验证计划,Octavius 4D-PTW729收集数据与治疗计划导出的RT dose进行比较。结果全部29例RapidArc计划的Gamma通过率均大于90%,各项异性分析算法(AAA)和AcurosXB(AXB)两种算法对验证计划无影响。结论Octavius 4D-PTW729验证系统是一种方便快捷的剂量验证方案。

多叶光栅控制软件的设计与实现

目的:多叶光栅作为三维适形放射治疗计划和调强放射治疗计划精确快速地实施的重要设备之一,被广泛应用于肿瘤放射治疗。为精确快速地控制多叶光栅,本文对多叶光栅的控制软件进行设计和实现。方法:本文首先概要介绍该软件的整体功能,共包括治疗模块、校验模块、参数模块和串口模块,并重点介绍串口模块和检验模块。串口模块使用串口通信技术,将光栅叶片位置数据和控制数据转换为串口数据并发送到底层电路中,控制多叶光栅,保证多叶光栅控制软件和底层电路的顺畅通信。校验模块根据实际测量的等中心面叶片位置数据,建立等中心面叶片位置数据和叶片实际位置数据转换关系,得到叶片实际运动位置对应的等中心面运动位置,保证叶片在等中心面上的移动精度。结果:本软件已在VC平台下编程实现,参考某厂商多叶光栅产品注册检验报告进行测试。测量结果显示多项指标均小于1.0 mm。结论:本软件能够精确快速的控制多叶光栅,满足临床要求。

基于CFD/CSD/CAA耦合的声气动弹性仿真技术在壁板颤振中的应用

提出了一种基于计算空气动力学/计算结构动力学/计算气动声学(CFD/CSD/CAA)耦合的声气动弹性时域仿真方法。空气动力学和气动声学分别采用大涡模拟和Lighthill声比拟理论进行计算。采用D’Alembert原理和有限元方法建立了二维简支壁板在超声速流作用下的非线性动力学方程,并在时域内进行求解。其中几何非线性采用Von Karman大变形理论描述。以二维弹性壁板作为研究对象,研究了超音速流场中噪声、气动力、和壁板之间的相互作用所产生的非线性颤振现象。

中小企业信用评分的应用研究

中小企业信用评分在国外银行业得到了广泛的应用和发展,我国银行业也已经开始引入。本文在分析总结国内外中小企业信用评分应用情况的基础上,提出了将个体工商户纳入中小企业信用评分范围、将企业主个人信用作为中小企业信用评分的重要组成部分、由人民银行牵头建设企业和个人征信系统开展中小企业信用评分等几点建议。

发动机氧泵后流场数值仿真研究

发动机氧泵至燃气发生器段的流场结构直接影响着发动机的工作性能,从理论上分析氧泵后是否需要设置整流栅以调整流场,对发动机总体设计十分必要。针对氧泵后流场的特点,借助CFD计算手段,对该段流场进行有整流栅和无整流栅两种情况的数值模拟,计算得到流阻、发生器入口处的总压均匀度、氧阀流量均匀度以及阀芯受力情况。结果表明:氧阀后设置整流栅是有必要的。

基于螺旋断层全身皮肤照射治疗难治性皮肤T细胞淋巴瘤中蕈样霉菌病

目的:探讨使用螺旋断层进行全身皮肤照射治疗难治性皮肤T细胞淋巴瘤中蕈样霉菌病的方法。方法:具有7年病史的男性患者确诊为全身多发皮肤T细胞淋巴瘤中的蕈样霉菌病,行全身皮肤照射,采用5 mm氯丁橡胶潜水衣作为组织补偿物,利用其剂量建成效应提高全身皮肤剂量。患者分上下两段扫描,髌骨上方10 cm附近作为分界线,总处方剂量24 Gy,单次1.2 Gy执行20次,5次/周。计划设计采用射野宽度5 cm,螺距0.287,调制因子2.5,在体中心加入全挡模式以减少内部危及器官受量,尤其是全身骨髓剂量,以降低骨髓抑制的发生率。通过Cheese Phantom点剂量、ArcCHECK三维面剂量及全身多点EBT3胶片验证,确保剂量投照的准确性。最后利用兆伏级图像多部位引导确保摆位和治疗的精度。结果:上段靶区和下段靶区均实现95%靶区体积达到处方剂量,下段靶区的适形度指数和均匀性指数略优于上段靶区。全身骨髓随着距离皮肤间距的缩小而受量逐步增加,其余危及器官剂量均在临床可接受范围之内。点剂量验证偏差小于1%,三维面剂量验证Gamma通过率大于90%,胶片多点剂量验证偏差小于5%,多种验证确保实际投照剂量的准确性,整个治疗过程时间约1 h(包括摆位和图像引导),患者治疗后期仅出现轻微的乏力、恶心、呕吐、低热及Ⅲ度骨髓抑制,整个治疗效果接近完全缓解。结论:该方法具有剂量分布均匀、治疗时间短、实施过程简易、治疗效果佳和毒副作用低的特点,适合在临床中广泛开展,但对剂量建成层的组织补偿物选择及治疗后的毒副作用尤其是骨髓抑制需进一步探讨。