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重离子束具有倒转的深度剂量分布和射程末端高的相对生物学效应(relative biological effectiveness,RBE)的优势,因此被认作目前最佳的用于放射治疗的射线。重离子放射治疗过程中,同一分次治疗中由于呼吸运动等导致的靶区运动会引起器官位置和形状的变化。对于因患者呼吸而运动的肿瘤靶区的重离子放射治疗中,通常在临床靶区基础上外扩一定的照射范围来确保呼吸运动导致的靶区运动不被遗漏,由于不同患者的呼吸特征不一样,这种基于患者人群的估计会高估或者低估特定患者需要外扩的照射范围。高估会使正常组织和器官卷入高剂量区,损害关键器官;低估则会导致对肿瘤组织的照射不足,降低肿瘤组织控制率。四维(four dimensional,4D)重离子放射治疗可以有效的解决这一问题。4D重离子放射治疗定义为在成像、治疗计划制定以及束流配送过程中包括解剖结构随时间的改变对治疗的影响而进行的重离子治疗。在治疗过程中,通过跟踪和补偿靶区运动,最大程度提高靶区所接受的剂量,同时尽可能减小对靶区周围正常组织的辐射损伤。非刚性图像配准技术是4D放射治疗计划制定的关键。非刚性配准技术通过建立不同呼吸时相的解剖结构上体素的对应关系,实现器官的自动勾画和体素上剂量的累加。本论文通过对非刚性配准技术的研究及其在4D重离子放射治疗计划中的应用与实现,为4D重离子治疗计划系统的开发了奠定坚实的基础。本论文开展的研究工作和取得的研究结果主要有以下几个方面:1)基于matlab编程语言实现目前应用较广的Demons配准算法和基于三次B样条自由形变模型的配准算法。采用科研网站上发布的10例患者的4D CT数据,使用呼气末期和吸气末期图像上300对对应标记点配准前后的目标配准误差,对两种算法的精度进行了对比,基于B样条的配准算法的精度优于Demons配准算法。2)首先将非刚性配准技术应用于轮廓的自动推衍。本文基于c语言实现了基于二值图像和基于三角面片的两种轮廓自动推衍算法。采用6例患者4D CT数据,由专业医师在呼气末期和吸气末期上勾画了器官轮廓。基于Demons配准算法得到的位移场,分别使用两种轮廓推衍算法将呼气末期上的器官轮廓自动推衍得到吸气末期上对应器官的轮廓,然后与医师手动勾画的器官轮廓做定量分析,发现基于三角面片的轮廓推衍算法得到的轮廓更接近医师手动勾画的轮廓。3)其次将非刚性配准技术应用于剂量重建。本文基于matlab语言实现了基于插值的剂量重建算法。并对基于插值方法累积的剂量和参考计划的剂量进行了比较,发现在人体头脚和前后方向剂量结果差异较大。4)制定4D重离子二维分层适形照射治疗计划,并对结果进行分析。然后分别以内靶区(internal target volume,ITV)和肿瘤区(Gross Tumor Volume,GTV)外放3 mm的器官作为靶器官进行4D治疗计划制定,并对剂量结果进行比较,发现采用ITV的计划对正常组织进行了更好的保护。