四维CT联合四维锥形束CT在肺癌立体定向放射治疗中的应用研究进展

以立体定向放射治疗(SBRT)为代表的高精度放射治疗在肺癌治疗的各个阶段发挥重要作用,而医学影像技术的进步、更加精确的剂量计算方法以及先进的影像及剂量验证算法的应用则为高精准放射治疗的实现提供保证。四维CT(4D CT)能够较好的显示肿瘤受呼吸影响的个体化运动,四维锥形束CT(4D-CBCT)作为勾画并获得肿瘤内靶区(ITV)的一种图像引导技术(IGRT),可以为实现精准治疗提供保证,上述两种技术结合能够纠正位移误差,实施监测肿瘤的运动范围并确保运动的靶区在照射范围内,是实施SBRT的保证。以肺癌精确放射治疗应用研究中的IGRT为切入点,综述4D CT联合4D-CBCT在肿瘤SBRT中的临床应用价值,旨在为肺癌的临床放射治疗提供参考。

四维锥形束的CT重建:基于鲁棒主成分分析的运动补偿算法

目的为降低FDK图像中条形伪影对相位间运动变形场准确估计的影响,提出了基于鲁棒主成分分析(RPCA)的运动补偿重建算法。方法基于RPCA的运动补偿重建算法在传统的MC-FDK算法基础上针对运动变形场的估计进行改进,首先运用RPCA将锥形束CT图像分解为低秩和稀疏分量,再使用基于霍恩&舒克光流法对低秩图像进行不同相位图像间运动变形场估计,以此来降低原始图像中条形伪影对相位间运动变形场准确估计的影响。实验通过MATLAB软件编程对飞利浦16层螺旋CT获得的4D-CT图像以瓦里安EDGE加速器扫描几何进行反投影得到仿真体模数据,并使用Elekta Synergy系统的CBCT以半扇模式获得肺癌肿瘤患者的真实CB投影数据来验证算法性能。结果相比于传统的MC-FDK重建结果组织边界更加清晰,运动伪影减少;仿真数据重建结果显示本算法PSNR与SSIM较MC-FDK算法分别提高了25.4%与7.6%;与FDK算法相比分别提高了37.9%与17.6%。结论该方法可以实现相位间运动变形场的准确估计,改善锥形束CT图像重建质量。

3DCT联合4DCBCT在中下叶肺癌SABR放疗靶区外放边界中的应用研究

目的:利用四维锥形束CT(4DCBCT)扫描获取放疗靶区摆位误差和呼吸运动误差,计算肿瘤立体定向消融放射治疗(SABR)中计划靶区体积(PTV)外放边界大小。方法:回顾性分析19例中下叶肺癌SABR治疗患者,治疗前4DCBCT扫描,共72次扫描图像。根据4DCBCT与定位CT的配准结果,评估放疗靶区分次间摆位和呼吸运动误差,确定PTV外放边界大小。结果:放疗靶区摆位误差在左右、上下、前后3个方向上分别为(0.11±0.29)、(0.02±0.58)、(0.05±0.26)cm,放疗靶区呼吸运动误差在3个方向上分别为(-0.06±0.34)、(0.09±0.68)、(0.06±0.23)cm,利用ICRU83#报告公式计算PTV外放边界,在3个方向上分别为1.13、2.15、0.90 cm。结论:4DCBCT可有效评估放疗靶区摆位和呼吸运动误差,并确定中下叶肺癌SABR治疗中PTV外放边界大小。利用本方法计算的外放边界比原来RTOG提出的外放标准更加精确,可个体化评估放疗靶区外放边界。

基于运动补偿的压缩感知4D-CBCT优质重建

受硬件限制,4D-CBCT成像中单个呼吸相位对应投影数目过少,而相应的常规解析算法重建图像中充斥着大量噪声和伪影。为解决此问题,鉴于当前呼吸相位图像可以通过其它呼吸相位图像运动补偿获取,本文中我们提出一种利用多相位投影数据重建4D-CBCT的策略。本文中我们构建了包含基于多相位投影数据的保真项和基于压缩感知理论的全变分正则化的代价函数。对于投影数据保真项的设计,不再局限于当前相位投影数据,而是利用多个相位投影数据通过变形的成像模型联合构建。对于复杂代价函数的优化,我们利用GPBL(Gradient-Projection-Barzilai-Linesearch,GPBL)算法来实现。物理体模及临床数据实验结果表明,相对于解析算法及代数迭代全变分约束算法,新方法在噪声和伪影的抑制方面有上佳表现,引入不同相位图像间的关联信息并未引入新的伪影和运动模糊。

4D-CBCT在临床中的应用

4D-CBCT是直线加速器机载的千伏级四维锥形束CT,在锥形束CT的基础上加入了时间变量因素,能够全面、直观、方便地校正摆位误差,提高胸部肿瘤放疗的精确度,成为现代精准放疗不可或缺的影像引导设备。本研究测试了4D-CBCT在图像扫描和重建、图像配准、使用耗时方面,不同条件下的临床应用的配准效果,总结了4D-CBCT在不同使用条件下更为合理的应用方式,即:4D-CBCT的临床在线校准更适合采用低分辨率图像重建方式;4D-CBCT图像配准前必须调整配准框范围为包括PTV三维方向上各外放5cm,若肿瘤与附近骨结构相对位置固定,也必须包括这些骨结构。在配准方式的选择上,若肿瘤与附近骨结构相对位置固定,可选骨配准;若是肺内孤立性病灶,选灰度配准效果好。综上,该研究测试的结果对于我科将4D-CBCT临床应用于胸部肿瘤患者的精确放疗具有实际意义。

呼吸运动对4D锥形束CT图像质量影响分析

目的研究四维锥形束CT（4D-CBCT）的成像质量与呼吸运动特征参数间的关系。方法将Catphan500图像质量检测模体通过固定装置固定在MapcheckXY运动平台之上，通过控制平台模拟静止以及19种呼吸运动状态，在各种运动状态下使用Synergy加速器对图像质量检测模块进行4D—CBCT扫描。通过分析重建图像的10个分时相下图像的几何精确性、空间分辨率、低对比可识别度、CT值均匀性以及运动位置准确性等指标，得到4D-CBCT的图像质量和运动方向、幅度和周期3个特征参数的关系。结果当静止或只有左右方向时，重建图像不正常，图像质量显著差于有头脚方向运动的情况。对比度噪声比随运动周期增加而降低，当周期从2S增加为6S时，对比度噪声比从3．33降低到1．72（P〈0．01），几何精确度、空间分辨率和矢状位受呼吸运动影响不显著。结论4D—CBCT图像质量中对比度噪声比、水平和垂直方向的几何精确性以及运动位置精确性受呼吸运动影响显著，图像空间分辨率和矢状位几何精确性受呼吸运动影响不显著，4D—CBCT需要周期性的SI方向的运动介入，过于平缓或者无周期性规律的运动会影响图像质量甚至导致图像不能正确重建。4D-CBCT图像重建需要SI方向的周期性运动介入，图像质量同时受呼吸运动振幅和周期的影响，4D—CBCT扫描推荐患者呼吸周期〈6S，振幅〉0．75cm。