胰腺癌放疗图像引导锥束CT运动伪影修正技术研究

基于二维平板探测器技术的锥束CT系统广泛应用于放射治疗前的摆位验证,但在以胰腺癌为代表的腹腔肿瘤放疗应用中会遇到呼吸运动和肠道蠕动导致的严重阴影与条状伪影问题,难以从CT影像中分辨病灶区域。由于胰腺等柔性脏器在呼吸运动作用下会存在非刚性形变,体表运动监测结果和实际脏器运动间存在难以量化的偏差,也难以监测以肠道蠕动为代表的不规则运动,故腹腔锥束CT运动伪影修正问题缺乏有效解决方案。本文基于生物动力学理论和人体生理学常识,提出全新的无需运动监测或体内标记物植入的放疗图像引导锥束CT运动伪影修正方法,设计基于伪影图像特征、融合各类CT图像域处理算法的伪影修正策略。将该策略应用于临床腹腔锥束CT影像处理后所得结果表明锥束CT图像质量有显著改善,典型软组织区域的平均CT数误差从90 HU降到30 HU,肠道空腔边界和周边软组织信息得到部分恢复。本文开发的伪影修正策略无需呼吸门控或增加投影数,避免标记物植入手术,可集成到现有工作流,为胰腺癌放疗图像引导提供肿瘤定位信息。

水凝胶在前列腺癌图像引导放疗中的应用价值

目的评价水凝胶在前列腺癌(PCa)图像引导放疗(IGRT)中的应用价值。方法收集2022年10月-2023年2月河北北方学院附属第一医院收治的PCa患者80例。采用中央随机系统分配法将患者分为试验组(n=33,注入水凝胶)与对照组(n=47,未注入水凝胶)。比较两组急性和晚期放射性直肠炎(RP)发生率。根据试验组患者是否发生RP分为发生RP组(n=5)与未发生RP组(n=28),采用单因素和多因素logistic回归分析PCa患者RP发生的独立危险因素。结果试验组12.1%(4/33)的患者发生急性Ⅰ级RP,3.0%(1/33)的患者发生晚期Ⅰ级RP。对照组31.9%(15/47)的患者发生急性Ⅰ级RP,12.8%(6/47)的患者发生急性Ⅱ级RP;19.1%(9/47)的患者发生晚期Ⅰ级RP,4.3%(2/47)的患者发生晚期Ⅱ级RP,2.1%(1/47)的患者发生晚期Ⅲ级RP。试验组急性和晚期RP发生率低于对照组(P<0.05),水凝胶的应用有效降低了直肠毒性。多因素logistic回归分析结果显示,年龄、直肠体积、V_(70)、V_(78)均为导致PCa患者发生RP的独立危险因素(P<0.05),水凝胶各项特征与PCa患者RP的发生无关。结论水凝胶可有效降低PCa患者IGRT中直肠毒性且对整体治疗影响较小,具有一定临床应用和推广价值。

兆伏级CT图像引导自适应放疗中生成合成CT研究

目的:开发一种基于深度学习神经网络的方法将宫颈癌MVCT图像转换为具有高信噪比和高对比度的伪kVCT图像,从而提供宫颈癌自适应放疗需要的患者三维解剖图像和定位信息,引导加速器实现精确放疗。方法:收集54例宫颈癌患者的MVCT和kVCT图像组成数据集,随机选择44例样本作为训练集,并将剩下的10例样本作为测试集。采用加入门控机制和多通道数据输入的循环生成对抗网络(CycleGAN)基于MVCT合成伪kVCT图像。采用平均绝对误差(MAE)、峰值信噪比(PSNR)和结构相似度指数(SSIM)等影像学成像质量评估参数,评估网络训练效果。结果:5通道MVCT-5通道kVCT图像与MVCT图像对比,MAE从(24.9±0.7)HU降至(17.8±0.3)HU,PSNR从(29.8±0.2)dB升至(30.7±0.2)dB,SSIM从0.841±0.007升至0.898±0.003。结论:该方法生成的伪kVCT在降噪和增强对比度方面具有优势,同时能够减少剂量计算中对额外MV-kVCT电子密度校准的需求。伪kVCT的剂量计算能力与MVCT相当,为伪kVCT影像应用于图像引导自适应放疗提供了可能。

宫颈癌图像引导放疗技术在不同图像配准方法的应用价值

目的探讨将不同图像配准方法用于宫颈癌图像引导放疗技术中的应用价值。方法选取经病理确诊为宫颈癌患者150例,均经图像引导放射治疗(IGRT),利用机载锥形束CT(CBCT)XVI系统对患者进行治疗前摆位扫描、在线调整后扫描和治疗结束后扫描。对重建中获得的CBCT图像和治疗计划系统的CT图像行手动、骨性和灰度三种配准方法,分析X(左右)、Y(头脚)、Z(前后)轴水平方向和GX、GY、GZ旋转方向的不同误差,比较这三种配准方法之间的差异性。结果灰度配准在X水平方向的摆位误差低于手动配准和骨性配准,差异有统计学意义(P<0.05),配准值高于手动配准和骨性配准,差异有统计学意义(P<0.05),三种图像配准方法在Y和Z水平方向的摆位误差和配准值比较差异无统计学意义(P>0.05);三种图像配准方法在GX、GY、GZ轴旋转方向的摆位误差和配准值比较均差异无统计学意义(P>0.05)。结论宫颈癌图像引导放疗技术中骨性和灰度配准方法均可选用,建议首选骨性配准,必要的情况下再应用灰度配准辅之。

超声成像在前列腺癌图像引导放疗中的应用

超声成像(Ultrasonography,USG)技术基于其优势已广泛应用于前列腺癌(Prostate Cancer,PCa)图像引导放疗(Image Guided Radiotherapy,IGRT)中,包括引导黄金基准标志物置入和靶区位置校准。已成熟应用的USG技术包括经腹超声(Trans-Abdominal Ultrasound,TAUS)、经直肠超声(Trans-Rectal Ultrasound,TRUS)和经会阴超声(Trans-Perineal Ultrasound,TPUS)。本文对上述3种USG技术在PCa IGRT中的应用进行了综述,其中TAUS应用过程最为简易,优势不明显且局限较多;TRUS应用过程较为复杂,优势明显但局限较多;TPUS应用过程最为复杂,优势明显且局限最少。TRUS和TPUS将成为PCa IGRT中的应用和研究热点,并进一步提高其治疗增益。

磁共振图像引导下前列腺癌在线自适应放疗自动勾画研究

目的:探讨深度学习(deep learning,DL)和图谱库(Atlas)联合的MRI引导下在线自适应放疗自动勾画方案的勾画效果。方法:选取2020年1月至2021年9月在某院进行MRI引导下在线自适应放疗的15例前列腺癌患者,以随机抽样法分成训练集(12例)和测试集(3例)。基于训练集分别建立DL勾画和Atlas勾画的临床靶区(clinical target volume,CTV)和危及器官(organs at risk,OAR)模型,基于测试集分别对2种勾画模型的结果进行修改并记录修改时长。对比2种勾画方法的勾画精度[戴斯相似性系数(Dice similarity coefficient,DSC)、豪斯多夫距离(Hausdorff distance,HD)和平均一致性距离(mean distance to agreement,MDA)]和勾画效率。结合2种方法勾画的优势及特点,建立DL+Atlas联合自动勾画方案,对比DL+Atlas联合自动勾画方案与单独勾画方案的勾画用时。结果:勾画精度对比结果显示,与DL勾画的CTV和OAR模型相比,Atlas勾画的CTV各项指标均优于DL勾画,差异有统计学意义(P<0.05);在膀胱和直肠方面,Atlas勾画的DSC和MDA劣于DL勾画,差异有统计学意义(P<0.05)。勾画效率对比结果显示,医生以DL勾画为基准修改CTV和OAR的平均时间为9.4 min,以Atlas勾画为基准修改CTV和OAR的平均时间为12 min。DL+Atlas联合自动勾画方案所需平均时间为8 min,优于DL及Atlas单独勾画方案。结论:DL+Atlas联合的MRI引导下在线自适应放疗自动勾画方案勾画用时少,具有较高的准确性,可提升勾画效率。

基准标志物在前列腺癌图像引导放疗中的应用

在前列腺癌(PCa)图像引导放疗(IGRT)中,传统的体表标志线联合基于骨骼或软组织的校准可获得相对理想的靶区和危及器官剂量;然而当进行立体定向放疗时,传统方法不可靠。经手术置入或天然基准标志物(FM)可替代传统方法为PCa IGRT提供高精度靶区位置验证。本研究从FM特性、置入、临床应用和增益等方面对其进行综述,发现目前商用FM种类繁多并各具特点,置入后安全性和稳定性良好,对提高PCa IGRT疗效具有重要意义。

基于Sentinel/Catalyst光学体表监测系统引导下的体表图像引导放疗技术在肿瘤放射治疗中的应用研究

光学体表引导放疗(SGRT)可在患者治疗过程中实现全程监控,提供连续图像,在为肿瘤患者获得更精确、安全的放疗中展现了越来越重要的作用。该文就SGRT放疗技术治疗四肢肿瘤、体部肿瘤、头颈部肿瘤的应用场景、具体应用方案及技术进展等作一综述。

前列腺癌图像引导放疗中锥形束CT为合成CT提供质量保证的可行性研究

目的:探究在基于MR的前列腺癌(prostate cancer,PCa)图像引导放疗(image guided radiotherapy,IGRT)中锥形束CT(cone beam CT,CBCT)为合成CT(synthetic CT,sCT)提供质量保证(quality assurance,QA)的可行性。方法:以CT作为QA的金标准,进行体外实验和临床试验。体外实验:利用仿真人体模型检验CBCT的CT值的长期稳定性并建立CBCT的CT值-电子密度曲线。临床试验:筛选2021年6月至2022年12月间于某院接受诊疗且符合纳入标准的PCa患者10例,所有患者均于IGRT前3 d进行1.5T MR和CT扫描。基于患者的MR图像生成sCT图像后进行放疗计划设计和治疗。将患者的sCT、CT和CBCT图像进行基于黄金基准标志物(gold fiducial marker,GFM)的融合配准后,拷贝sCT放疗计划至CT和CBCT图像上并计算剂量分布,分别比较sCT和CT、sCT和CBCT的Gamma通过率和剂量体积直方图(dose volume histogram,DVH)指标。采用SPSS 19.0软件进行统计学分析。结果:体外实验表明,CBCT的CT值(CT值CBCT)长期稳定性良好,与CT的CT值(CT值CT)的一元回归方程为CT值CBCT=1.110×CT值CT+3.891。临床试验表明,sCT和CT、sCT和CBCT在横断面、冠状面、矢状面上的Gamma通过率均呈高度正相关,具有高度一致性,差异平均值均小于0.1%;DVH各项指标差异均较为接近,且均呈高度正相关。结论:在基于MR的PCa IGRT中,CBCT可取代金标准CT为sCT提供QA。

液态基准标志物在图像引导放疗中的应用价值

评价一种可降解的液态基准标志物(Liquid fiducial marker,LFM)在图像引导放疗中的应用价值。体外实验:以固态基准标志物(Solid fiducial marker,SFM)为参考,评价不同锥形束CT管电压条件下LFM的可视性、伪影和最优注量。体内实验:以SFM为参考,评价LFM在裸鼠体内的稳定性和降解状况。将种植了肿瘤细胞的裸鼠随机分为未注入LFM的单次放疗组(16 Gy/次),注入了LFM的单次(16 Gy/次)、二分次(8 Gy/次)和四分次放疗组(4 Gy/次)。根据照射结果评价LFM对肿瘤生长的影响。相比SFM,LFM的伪影显著较小(均p<0.05),可视性满足临床鉴别要求,当注量为10μL时成像质量最佳。裸鼠体内LFM质心相对脊髓位移显著大于黄金基准标志物((0.22±0.03)mm vs.(0.17±0.02)mm,p<0.05),但始终小于一个像素尺寸,故稳定性良好。LFM的实际降解率同理论降解率高度相符。LFM对单次放疗组肿瘤生长影响较小,对分次放疗组影响较大。LFM具有一定临床应用和推广价值,未来有望取代SFM。

利用胶片方模进行国产IGPS图像引导系统质控分析

目的:利用胶片方模进行国产IGPS图像引导系统的精确度和稳定性质控的探讨。方法:使用加载IGPS图像引导系统的加速器对胶片方模进行图像引导和模拟治疗,每次质控进行6组胶片方模测试,通过模体内金标图像引导定位误差和胶片的测试值,计算出IGPS系统影像中心和加速器机械中心偏差及补偿值,通过补偿值修正保持IGPS系统的可靠精确性。结果:IGPS图像引导定位值、胶片值及补偿值误差,在L/R、P/A、S/I三个坐标方向均值和中位数值均小于0.5mm。在IGPS图像引导定位金标配准三维综合误差Z1均值和中位数为(0.43±0.22,0.41)mm均小于0.5mm;胶片值三维综合误差Z2均值和中位数为Z2(0.61±0.32,0.56)mm,均小于1mm。补偿值三维综合误差Z3均值和中位数为Z3(0.47±0.31,0.41)mm,均小于0.5mm。结论:通过胶片方模质控验证体现出国产IGPS图像引导系统精确度高稳定性好。

图像引导放疗技术在直肠癌患者术前调强放疗中的应用价值分析

分析直肠癌患者术前行调强放疗中采用图像引导放疗技术(IGRT)的临床效果。方法 纳入50例直肠癌患者样本,术前均行调强放疗,并于每周固定行时间段应用IGRT校正摆位误差,分析具体应用效果。结果 校正后x轴、y轴、z轴的旋转误差、平移误差及计划靶区边扩值均显著低于校正前。结论 直肠癌患者术前调强放疗中采用IGRT可提升放疗的精确度,可全面推广应用。

图像引导的小动物精准放疗系统对小鼠肝癌皮下移植瘤抑制作用的研究

目的:探讨图像引导的小动物精准放疗系统对小鼠肝癌皮下移植瘤的抑制作用。方法:在28只雄性昆明小鼠的右腋下接种H22肝癌腹水瘤细胞,将其随机分为对照组、5Gy剂量照射组、10Gy剂量照射组、15Gy剂量照射组(7只/组)。用图像引导的小动物精准放疗系统对5Gy剂量照射组、10Gy剂量照射组、15Gy剂量照射组小鼠进行相应的放射治疗。所有小鼠在同样的环境中饲养,比较各组小鼠的瘤体体积。结果:15Gy剂量照射组小鼠的瘤体体积明显小于对照组与其他照射组。结论:一定剂量的X射线照射可抑制H22小鼠皮下瘤的生长,图像引导的小动物精准放疗系统可规范地确定肝癌放疗的靶区和放疗最佳剂量,从而减少射线对全身正常组织的伤害。

图像引导放疗技术在直肠癌患者术前调强放疗中的应用

目的:探讨图像引导放疗技术(IGRT)在直肠癌患者术前新辅助调强放疗(IMRT)中的应用,分析其对靶区勾画的指导意义。方法:67例临床分期为Ⅱ~Ⅲ期(T3-4N0M0或T1-4N1-2M0)的直肠癌患者行术前IMRT,放疗期间每周行1次IGRT,获得术前和术后的2组影像在三维空间的对比位置误差,计算系统误差(Σ)和随机误差(σ),按照Van Herk公式计算计划靶区扩边值(MPTV)。结果:389个CBCT扫描图像在x、y、z 3个轴位方向上的误差范围分别为(0.86^-1.13)、(1.94^-2.11)及(1.87^-1.81)cm。校正后y轴和z轴上的平移误差小于校正前(t=3.541,P=0.001;t=3.275,P=0.000);校正后x轴和y轴上的旋转误差小于校正前(t=1.260,P=0.000;t=2.797,P=0.000。校正前,x、y、z 3个轴位方向上的MPTV分别为2.00、3.25和2.88cm,校正后为0.73、1.74和1.50cm,分别减少了1.27、1.51及1.38cm。结论:IGRT可减少直肠癌患者术前IMRT的系统误差和摆位误差,是精确放疗的有效质量保证。

图像引导鼻咽癌调强放疗技术和质量保征

目的:探讨图像引导鼻咽癌调强放射治疗技术和质量保证(QA)方法。方法:利用千伏锥形束CT(KVCBCT)引导15例初治鼻咽癌患者调强放射治疗,将KVCBCT得到的位置差异,推导得到靶区勾画CTVPTV的边界;以CT模体检验CBCT图像质量和等中心偏差;以矩阵电离室对调强计划进行剂量验证。结果:对15例鼻咽癌280次CBCT扫描中,3个方向偏差,X方向:0.55±1.03mm,Y方向:0.72±2.25mm,Z方向:0.42±1.14mm,3个方向小于2mm的偏差比例分别为86.3%、76.7%、83.8%;大于3mm偏差分别为5.9%、9.4%、6.3%。对KV-MV等中心验证,三个方向融合差值分别为0.2±0.3mm、0.4±0.3mm、-0.2±0.5mm;用矩阵电离室验证调强计划相对剂量,对于单野,Gamma值为93.2%-97.2%,对于整个计划Gamma值为95.0%-97.7%。绝对剂量验证主要是对等中心点、剂量均匀区、高剂量区、较低剂量区、高梯度区选择5个点进行检测,百分偏差范围为-3.7%-4%。结论:图像引导鼻咽癌调强放疗,可以减少摆位引起的摆位误差,并且通过在线的修正可以提高靶区剂量的准确,也可减少CTV-PTV的边界,从而减少正常器官的剂量。保证图像引导部分的成像质量和机械精度是图像引导放疗的关键;而计划剂量的验证是所有治疗的基础。

基于CTVision图像引导的乳腺癌术后患者调强放疗摆位误差测量与分析

目的:应用CTVision图像引导放疗(CTVision IGRT)系统中自带k V级CT研究乳腺癌术后患者行乳腺托架联合热塑体模固定在精确放疗中的摆位误差。方法:应用西门子CTVision图像引导直线加速器放疗10例乳腺癌术后患者,采用乳腺托架联合热塑体模固定行CTVision图像引导系统自带大孔径CT扫描。分别在治疗前3天连续做3次及治疗期间每周1次行图像引导。将获得乳腺癌术后患者验证图像与计划图像进行两种不同方式的配准得出摆位误差,并记录骨性手动配准和皮肤标记瘤床区域配准下的摆位误差数据,分析左右(X轴)、上下(Y轴)、前后(Z轴)方向的位移误差的差异。结果:10例乳腺癌术后患者摆位共进行CTVision图像引导系统自带的大孔径CT扫描80次,骨性手动配准和皮肤标记瘤床区域配准在左右方向(X轴)的位移误差分别为(0.07±0.24)cm和(-0.13±0.56)cm,在上下方向(Y轴)的位移误差分别为(0.05±0.26)cm和(-0.03±0.44)cm,在前后方向(Z轴)的位移误差分别为(0.07±0.11)cm和(0.19±0.20)cm。对上述三维方向上的位移误差数值超过5 mm进行重新摆位或在线移动治疗床校正,校正后X、Y、Z轴3个方向上的位移误差均低于纠正前水平。结论:(1)CTVsion图像引导放疗系统自带的大孔径CT扫描图像研究乳腺癌术后患者调强放疗的摆位误差在可接受范围内,骨性手动配准好于皮肤标记瘤床区域的配准,乳腺癌术后患者行调强放疗以骨性手动配准确定摆位误差更符合实际选择;(2)乳腺托架联合热塑体模的固定方式重复性与稳定性良好,摆位失败率低。热塑体模可以有效控制呼吸运动引起在前后方向上的误差。乳腺托架联合热塑体模是乳腺癌术后患者较好的固定方式之一。

鼻咽癌在线图像引导放疗摆位校正残余误差分析及计划靶区的确定

目的测定鼻咽癌基于刚体配准的图像引导摆位校正时,靶区和危及器官的残余摆位误差,并据此确定计划靶区(PTV)外放。方法 23例鼻咽癌患者入组,取每例患者前10次放疗时在线采集的CBCT图像初始计划图像进行离线分析。利用自主开发的形变配准软件对CBCT图像及计划CT图像进行形变配准,并分别测量原发肿块、转移淋巴结、腮腺和颌下腺内体素的三维矢量距离,后者作为在线刚体配准后的残余误差,用于计算群体化系统和随机摆位残差,根据临床靶区外放公式:M=2.0Σ+0.7σ计算外放量。结果鼻咽癌原发肿瘤、颈部淋巴结、腮腺和颌下腺的残余误差分别为(0.70±0.59)、(1.00±0.59)、(0.60±0.54)和(0.57±0.50)mm。原发肿瘤的PTV外放至少为1.8 mm,而颈部淋巴引流区的PTV外放至少为2.4 mm。结论即使每分次放疗均进行图像引导摆位校正,鼻咽癌原发肿瘤、颈部淋巴结、腮腺和颌下腺仍有一定残余摆位误差,靶区规划时应该充分考虑到这部分误差,作出合理的PTV外放。

膀胱癌图像引导放疗中基于软组织灰度值与基于内植标记物的锥形束CT校准比较

目的:锥形束CT的X线容积成像系统(XVI)可执行多种方式校准。本研究目的是评价基于软组织灰度值与同基于膀胱内植标记物的校准方法准确性之间的差异。方法:所有病人接受锥形束CT图像引导下的常规图像引导放疗。将病人分为基于软组织灰度值自动校准试验组和基于膀胱内植标记物手动校准参考组,在确认标记物准确性后,比较了两种方法在3D空间向量和左右(LR)、头脚(SI)、前后(AP)3个方向上的差异。结果:两种方法的3D空间向量差异平均值为0.65 cm;左右方向(LR),头脚方向(SI),前后方向(AP)差异平均值分别为0.03、0.45和1.67 cm。结论:膀胱癌图像引导放疗中基于软组织灰度值的自动校准方法在准确度上劣于基于膀胱内植标记物的手动校准。避免标记物植入和新的图像计算、分析方法是未来发展趋势。

膀胱癌图像引导放疗中基于骨骼与基于内植标记物锥形束CT校准比较

目的:以基于内植标记物校准为参考,比较其与基于骨骼校准之间准确性的差异。方法:筛选12名膀胱癌患者并植入标记物,所有病人治疗前接受MV级锥形束CT扫描,并执行基于内植标记物和骨骼两种校准。最后回顾性分析两种校准在左右(LR)、上下(SI)和前后(AP)及3D空间向量上的差异平均值。结果:两种校准在左右(LR)、上下(SI)和前后(AP)及3D空间向量上差异平均值分别为3.2、6.1、2.6和8.6 mm。结论:膀胱癌图像引导放疗中基于相邻骨骼自动校准在准确度上劣于基于膀胱内植标记物的手动校准,避免标记物植入和新的图像计算、分析方法是未来的发展趋势。

盆腔肿瘤图像引导放疗计划靶区外放的研究

目的:利用锥型束CT(CBCT)研究盆腔肿瘤的摆位误差,并探讨计划靶区边界(MPTV)。方法:对13例盆腔肿瘤患者,每次照射前行锥形束CT扫描(CBCT),将获取的CBCT图像和计划CT图像进行匹配,获得左右(x)、头脚(y)、腹背(z)3个方向的摆位误差,在线校正误差后治疗。治疗后再次行CBCT扫描,分析治疗前后的误差数据并计算MPTV。结果:校正前摆位误差在x、y、z轴分别为(0.4±1.3)、(-0.2±3.4)、(-1.7±1.7)mm,MPTV分别为5.4、12.1、7.0 mm;校正后误差分别为(0.1±0.7)、(-0.1±1.4)、(-0.3±1.0)mm,MPTV分别为2.2、3.1、2.7 mm。结论:盆腔肿瘤放疗时建议x、y、z轴MPTV分别为8、15、10 mm,使用CBCT引导可使MPTV缩小至4 mm。