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。

基于电子射野影像系统的光栅位置和剂量验证研究

目的 使用基于电子射野影像系统(electronic portal imaging device,EPID)的质控系统,在Primus和VenusX加速器上实现光栅位置及剂量验证。方法 通过灰度值最大梯度方法计算光栅位置,评估偏差。使用剂量标定和剂量计算相结合的算法对EPID采集的图像进行剂量重建,将EPID和MapCheck/PTW得到的数据,分别与计划系统剂量进行γ通过率分析。结果 VenusX加速器光栅误差小于1 mm,Primus重新标定后误差明显减小。重建的剂量,在3%/3 mm,阈值10%和2%/2 mm,阈值10%的2种标准下,Primus加速器γ平均通过率分别为98.86%和91.39%;VenusX加速器γ平均通过率分别为98.49%和91.11%。结论 基于EPID的质控系统,可提高加速器质控效率,减轻物理师工作负担。

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。

乳腺癌术后锁骨上淋巴引流区不同照射方式剂量学比较及其对生活质量的影响

目的探讨乳腺癌术后乳腺(或胸壁)和锁骨上淋巴引流区整体化调强放疗和分段放疗的剂量学特点。方法根据116例乳腺癌术后患者锁骨上淋巴引流区放疗方式的不同,将患者分为整体调强组(58例)和分段放疗组(58例),观察2组患者皮肤损伤及患侧肩关节活动情况。随机选取10例患者(改良根治术5例,保乳术5例),分别制定锁骨上淋巴引流区调强计划和X线、电子线混合照射计划,对2组计划靶区的适形度、均匀性以及肱骨头受照剂量进行比较。结果 116患者均健康存活,整体调强组有3例患者出现与放疗有关的肩关节症状,分段放疗组未发现与放疗有关的肩关节症状。调强放疗靶区的适形度、均匀性和肱骨头受照剂量比较,差异均有统计学意义(P=0.000)。结论乳腺癌术后锁骨上淋巴引流区调强放疗靶区的适形度、均匀性好于X线、电子线混合照射,肱骨头受照剂量高于X线、电子线混合照射。调强放疗有可能引起肩关节放射性损伤从而影响生活质量。

基于单片机的功能磁共振同步器的设计

目的设计一种处理功能磁共振成像(f MRI)同步输出信号的同步器,对其解决同步问题的性能进行鉴定。方法f MRI在采集图像数据时,有两种同步信号输出方式:其一,采集一幅完整脑图时,每采集一层图像输出一个同步方波信号;其二,采集完一幅脑图输出一个同步信号。首先设定一幅完整脑图的采集层数,也称同步参数(SP);然后采集第一种同步方波信号,用单片机外部中断方法对第一种同步方波信号的上升沿计数,并保持初始输出为高电平;直到最后一层脑图时,将输出信号置为低电平并延时一段时间。结果同步器成功将第一种同步方波信号处理成第二种同步信号;matlab编程串口程序自动化设定SP,通过串口传输至单片机;结果表明该同步器可自动化设置SP。结论设计的同步器能使某类功能磁共振输出同步信号的同步问题得以解决,设备兼容性得到提升,其自动化设置SP,可减少医护人员的工作量。

一种用于功能磁共振的同步器

目的功能磁共振(functional magnetic resonance imaging,fMRI)在采集图像数据时,有两种同步信号输出方式:其一,每采集一层图像输出一个同步信号;其二,采集一幅脑图输出一个同步信号。由于第一种输出方式中同步信号过于密集,导致刺激计算机无法及时记录同步信号,从而失去同步。为此本文设计出一种基于复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic devices,CPLD)的单参数(同步参数)同步器。方法采集一幅脑图时,该同步器对第一种同步信号的上升沿进行计数,计数期间输出维持高电平,直到最后一个同步信号到来,才把输出拉低为低电平,从而实现第一种同步信号到第二种同步信号的转换。然后用Quartus 9.1对信号转换进行仿真以验证其功能。结果经过CPLD处理器后,第一种同步信号被处理成第二种同步信号。此外,基于本设计做出的同步器亦成功应用于GE Sigma3.0T。结论本文设计了具有同步信号转换能力的同步器,成功实现了输出方式的转变。该同步器达到同步信号转换要求,并具有较好的兼容性。

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。

基于B/S的空间对比敏感度测量研究

空间对比敏感度是一种比视锐度更全面的视觉功能评价指标,但由于其测量技术相对复杂至今无法广泛普及。目前,实现空间对比敏感度测量的技术方案有:Psychtoolbox+Matlab、Vision Egg+Python、C/C++等。但是这些技术方案或多或少的面临着软件授权、使用复杂、跨平台等问题。为解决这些问题,提出一种基于B/S架构的空间对比敏感度实现方法。前端使用HTML5+Java Script+CSS组合实现空间对比敏感度测量程序,服务器端采用轻型建站方案(如:Windows+IIS6+花生壳软件)。用户通过浏览器访问测量页面即可完成空间对比敏感度的测量。本研究采用的测量方法为正弦光栅随机出现在注视点左右两侧,空间频率选择0.5、1、2、4、8、16 cpd,每个空间频率的对比度调整120次,对比度以二进一的方式进行调整。三名被试参与了该实验,实验结果与其他研究组的结果一致。最后表明,提出的基于B/S架构的空间对比敏感度测量方案完全可行。该方法解决了软件授权费用、使用复杂、跨平台等问题,实现了客户端零维护、访问即测量的优点。本研究提出的技术方案将会给空间对比敏感度的普及带来很大推进作用。

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。

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。

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。

放疗中基于双任务循环网络的单投影重建胸部CT方法研究

目的基于cycleGAN建立双任务循环网络,实现基于单角度投影的三维CT合成模型用于胸部肿瘤的自适应放疗,并评估图像生成质量和剂量精度。方法收集南京医科大学附属常州第二人民医院收治的胸部肿瘤容积弧形调强放射治疗(VMAT)患者45例,并筛选公共数据集图像991例作为预训练数据集,使用ASTRA算法获取多角度投影图像。公共数据集划分为训练集800例、验证集160例和测试集31例,医院患者数据划分为训练集40例、测试集5例。分别输入合成CT模型和多角度投影预测模型,实现双任务的训练。最终测试仅使用合成CT模型获取预测CT图像进行图像生成质量[包括平均绝对误差(MAE)、峰值信噪比(PSNR)和结构相似性指数(SSIM)]以及剂量学评估。结果合成CT的图像质量评估指标显示,图像合成精度较高,MAE为0.05±0.01,PSNR为19.08±1.69,SSIM为0.75±0.04。基于合成CT计算的放疗剂量分布也与真实分布接近,3%/3 mm标准下γ通过率平均为93.1%。结论由cycleGAN修改的双任务循环网络,可以快速准确地从单角度投影预测三维CT,可以应用于胸部肿瘤自适应放疗的工作流程。图像生成质量和剂量学的评估均显示合成CT质量可以满足放疗的临床要求。

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.

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。

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。

调强放射治疗剂量验证工具与方法

调强放射治疗广泛应用于肿瘤的治疗,其剂量分布在三维方向上与靶区高度适形.然而调强放疗的复杂射野、数据误差、算法误差及机器误差等因素可能会引起较大的剂量偏差,从而造成实际剂量与计划剂量不符,而严重的剂量不符可能会造成不必要的辐射事故.因此鉴于患者安全角度考虑,治疗计划在执行之前通常需要进行剂量验证,以确保患者治疗计划的安全实施,避免计划外的剂量照射.目前,临床上剂量验证的工具与方法有很多,包括指形电离室工具和热释光剂量仪工具等的点剂量验证法、半导体阵列工具和电离室阵列工具以及胶片工具等的二维剂量验证法、ArcCHECK工具和Delta4工具以及第三方软件工具等的三维剂量验证法等,对临床上常见的剂量验证工具和方法进行了综述.