面向宫颈癌近距离放疗智能治疗计划系统关键技术研究.pdfVIP

摘要

治疗计划系统是宫颈癌近距离放疗手术的基石，对提升宫颈癌的治愈率，改

善患者生存质量具有重大意义。本文围绕多模态图像引导、医学影像智能分割、

智能剂量优化等关键技术开展深入研究，以研发一套面向宫颈癌近距离放疗的智

能治疗计划系统，具体工作如下：

首先，提出了一种基于光学定位的多模态图像引导方法。设计了一种个性化

的超声探头标定模板，建立模板特征点图像坐标和世界坐标的自动检测与追踪方

案；提出基于光学定位的超声图像与术前三维图像的实时配准方案，有效结合两

种图像模态的优势；提出插植针的实时追踪及可视化方案，便于医生直观、准确

地掌握插植针的位置；经实验验证，此方法的超声配准精度、插植针可视化精度、

超声图像与插植针可视化模型间的精度均满足临床要求。

其次，提出了一种针对宫颈肿瘤和危及器官自动分割的SE-nnUNet网络。以

nnUNet作为主干网络，基于预定义的启发式规则生成高质量的管道指纹；将

SENet模块施加于UNet压缩路径每一层末端，提升对有效特征的学习能力；在

UNet底部结构嵌入空洞卷积模块，增强多尺度信息感知能力；经实验验证，SE-

nnUNet实现了比原始nnUNet网络更出色的分割性能，且优于目前已公开的研

究。

再次，提出了一种基于PPO强化学习的剂量优化算法。建立EUD与物理剂

量相结合的混合目标函数，在保证靶区剂量覆盖率的同时减少对危及器官的受照

剂量；对剂量优化过程进行马尔科夫建模，准确设计状态空间、动作空间和奖励

函数；创新性提出结合人类先验知识引导的PPO剂量优化算法，实现强化学习

网络的自主学习与人类知识的有效结合；经实验对比，PPO剂量优化算法取得了

比IPSA算法更出色的优化效果。

最后，开发出一套面向宫颈癌近距离放疗的智能治疗计划系统。以多模态图

像引导、医学影像智能分割和智能剂量优化的研究成果为关键支撑，开发了一套

包括数据管理、多模态图像引导、图像分割与重建、剂量优化与评估四个模块的

治疗计划系统，并从稳定性、运行效率和兼容性对系统进行全面测试，测试结果

均满足临床要求。

关键词：宫颈癌，近距离放疗，治疗计划系统，多模态图像引导，自动分

割，剂量优化

ABSTRACT

Thetreatmentplanningsystemisthecornerstoneofbrachytherapyforcervical

cancer,whichisofgreatsignificancetoimprovethecurerateofcervicalcancerand

thequalityoflifeofpatients.Thispaperconductsin-depthresearchonkeytechnologies

suchasmultimodalimageguidance,intelligentsegmentationofmedicalimages,and

intelligentdoseoptimizationtodevelopanintelligenttreatmentplanningsystemfor

cervicalcancerbrachytherapy.Thespecificworkisasfollows:

Firstly,amultimodalimageguidancemethodbasedonopticallocalizationis

proposed.Apersonalizedultrasonicprobecalibrationtemplateisdesigned,andthe

automaticdetectionandtrackingschemeofthetemplatefeaturepointimage

coordinatesandworldcoordinatesisestablished;Areal-timeregistrationschemeof

ultrasoundim