基于标定和计算的电子射野影像系统剂量重建

提出了一种基于标定和计算的电子射野影像系统(EPID)剂量重建算法。首先,对连续采集模式的EPID原始数据进行暗场校正和增益校正,然后通过亮场灰度特征确定射野边界。其次,对EPID数据进行MU标定、离轴标定和射野大小标定,并根据标定后的叠加通量和加速器机头蒙特卡罗模型进行剂量重建。最后,选取9例IMRT计划,分别使用EPID和MapCheck对计划进行验证测量,并在不同γ标准下比较两种验证工具的通过率。针对选取的1例计划病例,两种标准下使用MapCheck对多个病例验证的通过率分别为99.02%±1.28%、90.84%±4.49%;使用EPID重建模型的平均通过率分别为98.86%±1.19%、91.39%±4.80%。本文提出的标定和剂量计算相结合的EPID重建算法,与主流剂量验证软件MapCheck相比,对IMRT计划的验证通过率没有统计学差异(P>0.05),符合剂量验证的临床要求。

基于卷积神经网络生成虚拟平扫CT图像

目的针对增强CT图像,采用U-Net卷积神经网络(CNN)方法生成虚拟平扫CT图像,比较其与增强CT和实际平扫CT图像的差异。方法纳入50例于同次检查中接受平扫及增强CT扫描患者,记录其容积CT剂量指数(CTDIvol)。以40例CT数据为训练集,输入增强CT图像后,以对应的平扫CT图像作为输出,用于训练U-Net神经网络;以其余10例数据作为测试集,通过训练完成的U-Net生成虚拟平扫CT图像。比较虚拟平扫CT与实际平扫及增强CT的图像及参数差异。结果50例平扫CT平均CTDIvol为(11.67±0.51)mGy,增强CT平均CTDIvol为(13.46±0.76)mGy;采用虚拟平扫CT图像可使平均辐射剂量减少46.44%。增强与平扫CT图像的平均绝对偏差(MAE)为(32.28±2.64)HU,结构相似度(SSIM)为0.82±0.05;虚拟平扫CT与平扫CT图像的MAE为(6.72±1.31)HU,SSIM为0.98±0.02。虚拟平扫CT与平扫CT图像所示主要组织的CT值差异均无统计学意义(P均>0.05)。结论针对增强CT基于U-Net神经网络生成的虚拟平扫CT图像与实际平扫CT图像的一致性较好,可由此减少CT扫描次数、降低辐射剂量。

GATE在核医学成像和放射治疗中的蒙特卡洛模拟

目的:探讨GATE在核医学成像SPECT和PET、光子和质子放射治疗中的蒙特卡洛模拟,并利用GATE平台研究碳纤维床板对光子放疗时剂量的影响。方法:首先模拟运行GATE V6.1提供的三个例子,分别对应于SPECT、PET和RT,其中RT又分为光子治疗和质子治疗。对SPECT和PET模拟中光子的散射情况进行统计分析,详细比较RT模拟中光子束和质子束在水模体中的能量沉积特性。然后在GATE平台上编程模拟了光子治疗束分别在有碳纤维床板和无床板时射入水模体中,比较并分析这两种情况下水模体中的剂量分布差异。结果:GATE V6.1的三个例子模拟中,SPECT中的未散射光子稳定在36%左右,PET中未散射的真符合计数稳定在44.5%左右,RT模拟中质子相比于光子在深度方向上有明显的剂量分布优势,而光子在横向方向的剂量分布稍好于质子。在碳纤维床板对光子放疗时剂量影响的模拟中,有碳纤维床板相对于无床板时,水模体的表层剂量有明显的提高。结论:GATE能够稳定准确的对核医学成像SPECT和PET及放射治疗过程进行蒙特卡洛模拟。它可以为放射治疗剂量验证、临床放射治疗计划以及核医学成像引导放射治疗的研究提供强大帮助。

16-bit CT图像读取金属植入物CT值的应用

目的探讨16-bit CT图像在读取金属植入物CT值中的应用价值。方法于模体中间分别插入一圆柱形铝棒、钛合金棒和不锈钢棒,对模体进行CT扫描,对图像重建获得12-bit和16-bit CT图像。分析并比较3种金属棒的12-bit和16-bit图像及其CT值。结果对于同种金属棒,12-bit图像和16-bit图像显示效果基本相同。铝棒周围未显示出伪影;钛合金棒周围有较明显的放射状伪影;不锈钢棒周围有严重伪影。3种金属棒内部的显示无明显差异。12-bit和16-bit图像中,铝棒的最大CT值分别为2 159HU和2 150HU,平均CT值分别为2 026HU、2 021HU;钛合金棒的最大CT值分别为3 071HU和6 950HU,平均CT值分别为3 071HU、5 957HU;不锈钢棒的最大CT值分别为3 071HU和12 060HU,平均CT值分别为3 071HU、9 397HU。结论16-bit的CT图像能够显示体内金属植入物的CT值分布,分辨出铝、钛合金或不锈钢的金属植入物。

计算机断层扫描图像金属伪影校正方法研究现状

临床越来越多的患者接受金属植入手术。由金属植入物产生的金属伪影对利用CT图像进行术后评估与肿瘤诊断造成极大困难,易导致误漏诊。在滤波反投影重建算法、迭代重建算法基础上改进的校正方法近几十年来不断取得新的进展。本文对去除金属伪影技术的发展现状进行综述。

多平行束准直器模拟研究

在平行束准直器中引用多通道技术设计了三通道的多平行束(Multi-parallel Beam,MPB)准直器。计算机模拟表明,MPB准直器在保持较高的空间分辨率下,有效地改善了系统的灵敏度。放射药物匀均分布的圆柱数字模具和Jaszczak数字模具(phantom)模拟表明,随重叠比例的增加,未出现重建环状伪影;虽然靠近准直器表面空间分辨率有所下降,但在FOV(Field of View)中心区域空间分辨率近似等同于平行束准直器,重建图像的匀均度有了改善。投影数据的重叠表明,MPB的投影有放大作用。该研究为高成像质量的临床SPECT成像提供一种新的准直器设计方法。

增强现实在医学领域中的应用现状研究

增强现实(Augmented Reality,AR)技术因其独特的虚实结合、实时交互等优点对医学领域起到很大的帮助,已成为辅助医学治疗的新兴手段。本研究介绍了AR技术的特征及关键技术,以及在医学中的应用现状,具体包括AR在医学教育中、临床手术导航、康复治疗、放射治疗中的应用。尽管AR在各个领域发展的程度不一,随着科学技术的不断进步,相信AR技术将与医学更好的结合来造福人类。

MRI技术用于恶性肿瘤放射治疗进展

现代MRI技术已参与放射治疗流程的各个环节,有助于定性、定位乃至定量诊断肿瘤,并将在实施放射治疗和评估治疗反应中发挥重要作用。本文围绕MRI勾画肿瘤靶区以及多模态功能MRI、基于MRI数据合成CT、四维MRI(4D-MRI)等在放射治疗中的应用进展进行综述。

不同放疗定位CT扫描条件对气管支架图像质量影响的研究

目的比较不同扫描条件下气管支架的定位CT图像,探讨适合含有气管支架的放疗病人的模拟定位CT扫描条件。方法将气管支架放入自制的泡沫管套中,一起放入非均匀模体中进行CT定位扫描,扫描条件为80kV/120mAs、120kV/80mAs、120kV/120mAs,扫描方式为轴向扫描和螺旋扫描,扫描层厚分别为0.6、1、2、3mm,扫描完成后传到治疗计划系统,两名有经验的放疗科医生对各组图像进行评分,使用Matlab8.3数据处理软件读取各组图像同一层面支架的CT值。结果相同条件下轴向扫描比螺旋扫描图像更清晰;扫描层厚越小,图像伪影越少,图像越清晰;管电流对支架CT值没有影响,管电压越小,支架CT值越大。结论在条件允许情况下,含有气管支架的肿瘤病人放疗CT定位时扫描方式选择螺旋扫描,扫描层厚选择1mm,选择固定的管电压。

γ相机点源扩展函数的研究

采用探测器几何效率推导了高灵敏度SPECT系统的点源扩展函数,指出了考虑探测器晶体厚度修正的必要性,在小型γ相机上用99mTc的实验结果证明了这一过程,并指出取消准直器在大幅提高灵敏度的同时能够成像的基本根据。在此基础上,讨论了高灵敏度SPECT的灵敏度和空间分辨率,指出了进行小动物成像的可行性;Rose标准的讨论指出灵敏度的大幅提高,明显削弱了背景噪音带来的图像分辨影响,使得动态过程的成像能拥有很好的时间分辨率。

锥形束CT扫描角度及中心位置对模体靶区的影响

目的观察锥形束CT(CBCT)扫描机架角度及中心位置对模体中植入物体积及CT值的影响。方法于非均匀模体中插入均匀圆柱棒,以其中心为扫描中心,机架旋转360°扫描模体,分别在X、Y、Z方向上移动将扫描中心2.5、5.0、7.5和10.0 cm,或机架分别沿顺时针和逆时针方向旋转20°,间隔20°,于180°~360°进行重复扫描。重建图像,比较各组图像中植入物体积或CT值。结果植入物体积随扫描中心在X方向偏移距离增大而增大,Y方向偏移距离增大而缩小(P均<0.05),随Z方向偏移距离而变化(F=2919.88,P<0.01)。各扫描角度植入物体积不同,360°图像植入物体积大于其他角度(P均<0.05)。360°图像CBCT图像中植入物均大于其他角度(P均<0.05)。结论CBCT扫描时机架旋转角度及扫描中心与靶区的相对关系对模体靶区体积及CT值存在一定影响,机架旋转360°进行扫描,并以扫描中心即计划中心为靶区中心为计划设计的最佳选择。

影像组学中特征提取研究进展

影像组学是从CT、MRI、PET等医学影像的ROI提取大量影像特征,来描述肿瘤生物学特征和异质性等信息的一种定量分析方法。随着数据科学发展,影像组学的研究方法日益受到国内外的重视。影像组学的特征提取是其中的重要步骤。本文对影像组学的特征提取进行综述。

子野数目对宫颈癌术后调强放疗计划剂量分布的影响

目的探讨子野数目对宫颈癌术后调强放疗计划剂量分布的影响。方法选取宫颈癌术后患者20例,保持计划的优化目标参数不变,仅把多叶光栅子野数目改变为15、25、30、40、60,并为每例患者设计5个计划。比较各个计划间的靶区最大剂量、最小剂量、平均剂量、适形指数(CI)和均匀指数(HI),危及器官关注剂量受照体积占总体积的百分比(V_(30)、V_(40)、V_(50)),机器跳数。结果在所有的计划方案中,15子野的方案的临床靶区的CI、HI与其他方案比较差异均有统计学意义(P均<0.05)。直肠的V50随子野数目增加而减小(P<0.05)。机器跳数及治疗时间随子野数增加而增大(P均<0.05)。结论宫颈癌术后调强计划25子野能够满足临床剂量学要求,同时能有效减少治疗时间,可作为宫颈癌术后调强放疗计划设计应用参考值。

靶区外空心环对调强治疗计划质量的影响

探讨在靶区外定义不同大小的空心环并分别限值对调强放射治疗计划质量的影响。方法:选取宫颈癌术后患者和左乳腺癌保乳术后患者各5例,在计划靶区外分别定义间距为0.3cm,0.5cm,1cm的各六个同心环,并对其按一定梯度的剂量差进行限值,每个病例制定4个IMRT计划。比较各个计划间的靶区适形度,危及器官关注剂量受照体积占总体积的百分比,正常组织的D100,D95,D90,D50。结果:无空心环限值的计划和空心环间距为0.3cm,0.5cm,1cm并限值的计划的靶区适形度分别为:宫颈癌为0.60、0.84、0.81、0.68,乳腺癌为0.75、0.82、0.81、0.79。空心环限值提高靶区适形度(P<0.05);宫颈癌计划中,空心环限值计划提高膀胱和直肠的V50,正常组织的D100,D95,D90,D50都有所减少,其中间距为1cm的空心环限值计划在正常组织D50上减少最多。乳腺癌计划中,有和没有空心环限值对危及器官和正常组织的影响无差异(P>0.05)。结论:靶区外定义空心环并限值可以提高靶区的适形度,不同间距的空心环限值对不同位置的肿瘤的IMRT计划的靶区适形度,危及器官和正常组织的影响不同,计划质量优劣的平衡点需要医师和物理师根据每个病人的情况具体掌握。

金属植入物16-bit CT成像对放疗剂量分布的影响

目的：探索利用CT成像中扩展位深功能重建16.bit CT对金属植入物进行成像，通过比较扫描条件变化对金属CT值影响，分析金属CT值对计算剂量分布影响。方法将不锈钢棒和钛棒插入模体中，采用管电压为120 kV管电流为230 mA条件扫描，得到金属棒12.bit图像及16.bit图像CT值分布。分别在管电流230 mA，管电压分别为100、120、140 kV和管电压120 kV，管电流分别为180、230、280 mA下得到金属棒16.bit 图像CT值分布，并在瓦里安TPS中分别设计为单野和对穿野治疗计划和计算剂量分布。结果不锈钢棒和钛棒12.bit图像CT值均为3071 HU；16.bit图像CT值不锈钢棒比钛棒大。3种管电流下2种金属棒16.bit图像CT值均无明显变化，放疗计划剂量分布也接近。3种管电压下不锈钢棒最大CT值分别为13568、13127、12295 HU；钛棒的分别为8420、7140、6310 HU。结论12.bit图像不能区分不同高密度金属植入物，16.bit图像可得出不同金属CT值分布。金属植入物基于12.bit图像计算的剂量分布与16.bit图像的不同。管电压改变会造成金属植入物CT值明显变化，从而造成放疗剂量分布改变；管电流在一定程度内变化时，金属CT值变化较小，剂量分布差异不明显。

CT图像金属伪影校正算法研究现状

计算机断层成像（CT）技术已经广泛应用于临床诊断，它的高分辨率人体解剖信息对很多疾病的诊断提供了很大的帮助。然而，在患者体内有金属植入物的情况下，CT图像中往往伴随着大量黑色带状或明亮的放射条纹状伪影，统称为金属伪影。金属伪影使临床疾病诊断变得不再可靠，在放射治疗中也会给剂量分布的计算带来误差。消除CT图像中金属伪影的研究具有重要意义，对目前主要的金属伪影消除算法进行了总结和讨论。

放疗中基于超声形变场获取伪计算机断层扫描图像的研究

目的提出一种改良的基于超声(US)形变场下获得伪CT图像(CTps)方法。方法选用3例术后宫颈癌患者CT与三维US图像数据,包括模拟定位阶段获取的CT与US图像,以及治疗1周后摆位验证阶段获取的锥形束CT (CBCT)与US图像。制作基于两幅US图像全局成像重叠区域(OROW)的掩模和感兴趣区域重叠部分(OROI)的掩模,并分别应用于US图像间的配准中,得到两种形变场。分别将两种形变场应用于模拟CT图像得到两种CTps,比较不同CTps与CBCT的配准精度。结果基于OROI、OROW及不加任何掩模下所得CTps与CBCT的相关系数(CC)的平均值分别为0.95、0.82及0.64,归一化灰度均方根误差(NMSE)平均值分别为0.12、0.42及0.57。结论基于OROI所得掩模下获取的US形变场应用到CTsim时获得的CTps与CBCT的配准效果最好。

Delta-4探测MLC细小位置偏差敏感性研究

目的研究Delta-4对MLC细小位置误差的探测敏感性。方法利用瓦里安Trubeam型直线加速器配置EPID对MLC模拟细小位置偏差能力进行测量。设置2．0cm（x）×6．0cm（y）、7．0cm（x）×6．0cm（y）2个射野，MLC的x1、x2，方向同时分别外扩0．1、0．2、0．3……0．9mm和1．0、2．0……5．0mm，使用3mm3％、2．5mm2．5％、2mm2％、1．5mm 1．5％和1mm1％标准γ分析。分析Delta-4测量的相对应剂量分布与TPS计算MLC位置不变时的剂量分布间差异。结果Trubeam型直线加速器MLC具有移动丝米级位置能力。2．0cm（x）×6．0cm（y）射野2．5mm2．5％标准下γ通过率100％，在MLC的x1，x2方向各打开0．3mm时γ通过率下降至95．9％，打开0．5mm时γ通过率下降至89．4％。7．0cm（x）×6．0cm（γ）射野1．5mm1．5％标准下γ通过率为96．5％，x1、x2方向各打开0．3mm时γ通过率下降至95％以下，在打开3．0mm内γ通过率都〉90％。结论适当提高叮分析标准有可能会改善Deha-4探测MLC位置细小偏差的敏感性，但不能对所有MLC丝米级位置误差探测出来。对不同大小射野，建议Delta-4选择不同分析标准。

基于深度相机的三维点云放疗实时监测系统的研发与应用

目的利用深度相机开发三维点云放疗实时监测系统并验证其可行性。方法以深度相机坐标系为世界坐标系,由校准模体得到定位CT坐标系与世界坐标系之间的转换关系。患者的定位CT点云经上述关系转换到世界坐标系中并与深度相机实时获取的患者表面点云配准计算六维误差,完成摆位验证及放疗中分次内体位误差监测。统计系统六维计算误差的均值、标准差,配准后点云的豪斯多夫距离以及各部分程序运行时间,验证系统的可行性。选取15例真实患者,统计本系统与锥形线束CT之间六维误差。结果模体实验中,系统在左右、头脚、腹背方向的误差分别为(1.292±0.880)、(1.963±1.115)、(1.496±1.045)mm,在偏转、俯仰、翻滚角度的误差分别为0.201°±0.181°、0.286°±0.326°、0.181°±0.192°。对于真实患者,系统平移误差在2.6 mm以内,旋转误差在1°左右,程序运行1~2帧/s,精度和速度满足放疗要求。结论基于深度相机的三维点云放疗实时监测系统能自动完成放疗前摆位验证、放疗中体位实时监测,并提供误差视觉反馈,具有潜在的临床应用价值。

CT和锥形束CT配准范围与精度关系研究

目的 研究锥形束CT（CBCT）图像和CT图像的配准范围对配准精度的影响.方法 对腹部、头部和胸部各5位患者分别进行CBCT和CT扫描,将扫描后各部位图像的配准范围处理成4种模式,模式1为CT配准范围大于CBCT配准范围;模式2为CBCT与CT配准范围相同;模式3是将模式2的CT平移5 cm;模式4是将模式2的CBCT和CT两边同时减少2 cm.4种模式均使用图像分割与配准工具包进行配准,比较4种模式配准后的平均方差测度值,并分析模式2与其他3种模式的关系.结果 平均方差测度值模式3最大,其次是模式1,最小的是模式2和4,且模式2和4的平均方差测度值几乎相等（P＞0.05）.对于各部位的模式2与模式1比较,差异有统计学意义（t=-4.586、-4.164、-5.618,P＜0.05）;模式2与模式3比较,差异有统计学意义（t=-6.423、-8.109、-19.601,P＜0.05）.结论 CBCT和CT图像的配准范围对图像配准精度有一定的影响,CBCT的配准范围与CT的配准范围越接近,配准精度越高.