基于多模型高斯过程回归的肺部四维计算机断层扫描超分辨率重建

肺部四维计算机断层扫描(4D-CT)能引导精确放疗,然而出于对患者安全性的考虑,4D-CT扫描间距不能太小,以至于图像的上下层间分辨率过低,因此图像冠、矢状面需要插值才能得到高分辨率图像。本文提出了一种基于多模型高斯过程回归的超分辨率重建技术,该方法利用高分辨率的横截面及对应的低分辨率图像作为训练集,通过构造多个高斯过程回归模型,预测出冠、矢状面的高分辨率像素点。实验结果表明,本文方法在边缘及细节的恢复上都优于双三次插值、凸集投影算法、稀疏表达方法、多相位相似的方法和基于自学习分块的高斯过程回归方法。研究结果表明,本文方法能有效提高肺部4D-CT图像的质量,对实现肺部肿瘤精确的个体化放疗有积极意义。

基于星形先验和图割的肺部四维计算机断层扫描肿瘤自动分割

肺部四维计算机断层扫描(4D-CT)能准确定位肿瘤靶区,对于实现肺癌的精确放疗有重要意义。但4D-CT图像数量巨大,单纯靠人工分割肿瘤勾画靶区很不现实,而且肺4D-CT图像复杂,目前的自动分割技术难以保证分割精度。针对这些问题,本文提出了一种基于星形先验和图割的肺4D-CT肿瘤自动分割技术。首先,在初始相位图像上选取目标种子点,以此点为中心,形成初始目标块。其次,采用运动估计中的完全搜索块匹配算法,获得下一相位图像中与初始目标块最相似的目标块,同时计算出它们之间的运动位移,以此类推,得到所有相位的目标块以及对应块之间的运动位移。随后,利用这些运动位移和初始相位目标种子点的位置,计算出其余各相位目标种子点,将它们作为星形先验的中心点。最后,在各相位的目标块上使用结合星形先验的图割算法,得到肿瘤分割结果。视觉和量化两方面评价结果均表明,相较于传统图割算法,本文提出的方法不仅能够提高分割的准确性,而且大幅提升了自动化程度。

HRCT及多维重建技术在肺部结节定性诊断中的应用

目的:探究高分辨率电子计算机断层扫描(HRCT)及多维重建技术在肺部结节定性诊断中的应用价值。方法:选取2018年1月-2022年10月期间本院收治的65例肺部结节患者作为研究对象。所有患者均行常规X线检查、HRCT多维重建技术检查,以病理学活检结果为金标准。分析其影像学结果,比较常规X线检查与HRCT多维重建技术在肺部结节定性诊断中的效能。结果:经病理学活检证实,65例肺部结节患者恶性37例,良性28例。经Kappa一致性检验显示,常规X线与病理学活检结果存在中等一致性(Kappa=0.498,P<0.001);HRCT多维重建技术与病理学活检结果存在强一致性(Kappa=0.905,P<0.001)。HRCT多维重建技术的灵敏度、特异度及准确度(97.30%、92.86%、95.38%),高于常规X线检查(78.38%、71.43%、75.38%),差异有统计学意义(P<0.05)。结论:HRCT及多维重建技术在肺部结节中具有较高的诊断价值,能有效提高肺部结节定性诊断的灵敏度、特异度、准确度。

快速现场细胞学评价联合四维导航引导CT肺穿刺活检术在肺部疾病诊断中的应用探讨

目的:探讨快速现场细胞学评价(ROSE)联合四维导航引导X射线计算机断层摄影(CT)肺穿刺活检术在肺部疾病诊断中的应用价值。方法:选取医院收治的74例肺部疾病患者,依据穿刺活检术方法的不同将其分为观察组(35例)和对照组(39例)。对比两组平均穿刺针数、穿刺标本合格率及并发症(咯血、气胸)发生情况,并将穿刺活检术后组织病理结果与临床确诊结果进行对比,判定诊断符合率。结果:两组平均穿刺针数比较差异无统计学意义,观察组穿刺标本合格率(100.00%)高于对照组(87.18%),差异有统计学意义(x^(2)=4.812,P<0.05);两组总并发症发生率比较差异无统计学意义;对照组疾病诊断符合率为82.35%,观察组疾病诊断符合率为97.14%,观察组疾病诊断符合率高于对照组,差异有统计学意义(x^(2)=4.138,P<0.05)。结论:在肺部疾病的诊断中应用ROSE联合四维导航引导CT肺穿刺活检术,可提高穿刺标本合格率及疾病诊断符合率,且未增加穿刺针数及并发症的发生,可为临床肺部恶性病变的早期筛查及治疗提供支持与帮助。

不同年龄和不同采集时相对肺部肿瘤PET/CT四维显像的临床效果对比研究

目的分析不同年龄和不同采集时相对肺部肿瘤正电子发射计算机断层成像术/电子计算机X射线断层扫描技术(PET/CT)四维显像的临床效果。方法 100例肺部肿瘤患者,按照不同年龄和不同采集时相分为A组和B组,每组50例。A组应用6时相检测方法 ,其中<50岁患者25例,≥50岁患者25例;B组应用10时相检测方法 ,其中<50岁患者25例,≥50岁患者25例。分析两组患者的PET/CT四维显像的临床效果。结果 A组年龄<50岁患者的显像成功率为96.00%(24/25),显像失败率为4.00%(1/25);年龄≥50岁患者显像成功率为80.00%(20/25),显像失败率为20.00%(5/25);B组年龄<50岁患者的显像成功率为88.00%(22/25),显像失败率为12.00%(3/25);年龄≥50岁患者显像成功率为36.00%(9/25),显像失败率为64.00%(16/25)。A组年龄<50岁患者显像成功率与B组年龄<50岁患者显像成功率比较差异无统计学意义(P>0.05);A组年龄≥50岁患者显像成功率与B组年龄≥50岁患者显像成功率比较差异有统计学意义(P<0.05);A组采集方法适合不同的年龄段,B组采集方法适合<50岁年龄段的人群。结论不同年龄和不同采集时相对肺部肿瘤PET/CT有不同的研究价值。

SPECT心肌门控成像的四维重建算法研究

目的:开发一种新的重建算法,用于改善单光子发射型电子计算机断层扫描(SPECT)心肌门控的图像质量,为临床诊断提供依据。方法:利用SPECT不同相位图像之间的相关性,构造先验函数,推导迭代算法进行四维联合重建,基于临床数据和仿真数据对算法性能进行评估,并与传统三维重建方法得到的图像进行对比,验证其算法在提取心肌变化特征方面的优越性。结果:算法数值特性分析中,目标函数值随迭代次数变化曲线验证了算法在迭代时的单调收敛性;参数β和δ增大均会导致图像过平滑。四维联合重建与三维重建方法对比显示,四维联合重建可以有效地压低重建图像的噪声,改善重建图像的信噪比。三维重建+后滤波和四维重建的心肌活度曲线与临床结果呈显著相关(r=0.906,r=0.991;P<0.05);仿真数据的心肌活度不随时间变化,而3种不同重建得到的时间活度曲线归一化标准差分别为9.2%、6.4%和5.7%。基于四维重建算法得到的心肌活度随时间变化更贴近临床数据的参考值和仿真数据的真实值。结论:四维重建算法可以显著改善SPECT心肌门控成像质量,重建结果可以更好地反应心肌的形态变化和代谢情况,有利于临床上更好地对心肌功能进行评估和诊断。

四维CT在肺部肿瘤内靶区勾画方法中的差异性研究

目的基于不同部位的肺部肿瘤患者四维CT(4DCT)图像,比较采用哪种靶区勾画方法更高效。方法选择2019年10月-2021年12月于蚌埠医学院第一附属医院行4DCT模拟定位扫描的130例肺部肿瘤患者。医生在4DCT的10个时相进行大体肿瘤体积(GTV)靶区勾画,融合得到IGTV_(10);基于最大密度投影(MIP)、平均密度投影(AIP)、4DCT的0%和50%时相图像勾画得到IGTV_(MIP)、IGTV_(AIP)、IGTV_(2)。从体积和质心位移对上述靶区勾画方法进行差异对比。结果肺上叶组IGTV_(MIP)、IGTV_(AIP)、IGTV_(2)对IGTV_(10)比值分别为1.00、0.98、0.99(P=0.143,<0.001,<0.001),肺中下叶组比值分别为0.99、0.96、0.98(P=0.603,<0.001,<0.001)。肺上叶组IGTV_(10)与IGTV_(MIP)相互包含度差异无统计学意义(P>0.05),IGTV_(10)与IGTV_(AIP)、IGTV_(2)相互包含度差异有统计学意义(均P<0.05),肺中下叶组IGTV_(10)与IGTV_(MIP)、IGTV_(AIP)、IGTV_(2)相互包含度差异有统计学意义(均P<0.05)。结论10个时相融合的图像所包含的运动信息明显大于AIP图像和0%+50%时相融合的图像,但接近于MIP图像,在使用MIP图像勾画靶区时也要考虑肿瘤所在位置。

基于4D-CT扫描的调强适形放疗联合TACE对直肠癌肝转移患者预后的影响

目的:探讨基于四维计算机断层扫描(4D-CT)的调强适形放疗(IMRT)联合肝动脉化疗栓塞(TACE)对直肠癌肝转移患者预后的影响。方法:前瞻性选取2018年1月至2019年7月期间于我院收治的70例直肠癌肝转移患者为研究对象,采用简单随机法分为观察组和对照组,各35例。在全身放疗的基础上,观察组、对照组分别实施基于4D-CT扫描的IMRT联合TACE治疗、基于3D-CT扫描的IMRT联合TACE治疗。比较两组患者的临床疗效及安全性。结果:观察组患者的疾病进展时间显著高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05),而两组患者的ORR、DCR、2年生存率、各不良反应发生率比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论:基于4D-CT扫描的IMRT联合TACE对直肠癌肝转移患者是一种安全有效的方法,在延缓患者肿瘤进展方面优于基于3D-CT扫描的IMRT联合TACE。

4D-CT检测非小细胞肺癌立体定向放疗中呼吸运动引起危及器官剂量的变化

目的采用四维计算机断层扫描(4D-CT)检测研究非小细胞肺癌(NSCLC)体部立体定向放射治疗(SBRT)中10个呼吸时相肺、脊髓等危及器官(OAR)的剂量变化。方法收集2020年1至10月浙江省人民医院22例未进行手术的NSCLC患者的临床影像学资料。根据肿瘤位置分为内部肿瘤组(肿瘤完全位于肺内部且与胸壁距离≥1 cm)11例和边缘肿瘤组(肿瘤位于肺内靠近胸壁且距离胸壁<1 cm)11例。均行4D-CT扫描,分别在4D-CT的10个呼吸时相图像上进行肿瘤靶区(GTV)勾画,叠加生成内靶区(IGTV),将其外放生成计划靶区(PTV)。在平均密度投影(AIP)图像上进行放疗计划的设计,将AIP图像上计划形变配准到10个呼吸时相,记录并比较肺5 Gy、20 Gy以及30 Gy剂量下的绝对体积V_(5)、V_(20)、V_(30)以及肺平均剂量(Dmean-lung),体5 Gy、20 Gy以及30 Gy剂量下的绝对体积V_(5)、V_(20)、V_(30)以及体平均剂量(D_(mean-external))、脊髓最大剂量(D_(max-sp))和体最大剂量(D_(max-external))。结果两组患者肺V_(20)、肺V_(30)、体V_(20)、D_(mean-external)的变化差异均有统计学意义(均P<0.05),而肺V_(5)、Dmean-lung、体V_(5)、体V_(30)、D_(max-sp)、D_(max-external)变化的差异均无统计学意义(均P>0.05)。内部肿瘤组肺体积变化和各个肺、体剂量变化的差异均有统计学意义(均P<0.05),边缘肿瘤组肺体积变化和各个肺、体剂量变化的差异均无统计学意义(均P>0.05)。结论4D-CT检测可以更加精确地计算和评估肿瘤组织和OAR剂量,为患者个体化精确放疗的实施提供依据。

4D-CT在立体定向放射治疗中对内靶区体积和剂量的影响

目的:探究肺癌在三维立体定向放射治疗(SBRT)中利用4D-CT测量的肿瘤运动对内靶区(ITV)的体积和剂量影响。方法:在6例肺癌患者中共探究了两种ITV的定义方法。第一种是将10个呼吸时相的4D-CT序列的所有肿瘤区(GTV)进行合并所得到的区域(ITVall);第二种是在自由呼吸CT中的GTV加上从4D-CT测量到的肿瘤在前后(AP)、左右(LR)和颅尾(CC)方向上的运动距离所得的区域(ITVmotion)。最后分析了两种ITV在靶区体积和剂量上的区别。结果:在体积上,ITVmotion对ITVall的平均比值为2.36;对于这两种不同的ITV,它们的PTV覆盖非常接近。肺平均剂量(Dmean)随着ITV的减小而减小,ITVall的Dmean比ITVmotion少77.4 cGy。结论:由于SBRT治疗的肿瘤尺寸相对较小,因此两种ITV的剂量学差异不显著。考虑到产生ITVall所需的工作量和时间,ITVmotion会是一个不错的选择。

320排CT下犬下颌骨和颞下颌关节运动影像的建立

目的采用320排CT建立稳定的犬下颌骨和颞下颌关节运动影像。方法选择4只本地健康犬,制作非金属、阶梯状开口器,每个台阶高度1 cm,共7个台阶。使用320排CT,采用Jiont-Move&Shot序列进行动态扫描。动物先采取咬合位,然后使用开口器,张口或闭口时每前进或后退1个台阶曝光1次。采用Dynamic重建方式建立若干容积数据,在Aquilion one副台或Vitrea2.1工作站上进行后处理。结果建立了犬下颌骨及颞下颌关节的运动影像,并得到多个角度和各个断层的不同运动位置的影像(四维影像)。每次扫描有效吸收剂量为0.154mSV,仅为16层螺旋CT的1/6。结论采用320排CT动态扫描,建立了犬开闭口运动中下颌骨及颞下颌关节的四维影像,为建立人下颌骨及颞下颌关节的运动影像提供了依据。

基于微分同胚Demons形变配准算法获取肺通气图

基于四维计算机断层扫描图像(4D-CT)生成肺通气功能图的研究是医学图像处理领域的一个热点问题。肺通气图可以有效识别肺的不同功能区域,依此制定的肺癌个体化放疗计划可以有针对性的保护肺的高功能区,减轻放疗对肺功能的影响。本研究提出一种基于微分同胚Demons形变配准算法获取肺通气图的方法。首先使用阈值法对4D-CT呼气末时相和吸气末时相的肺体积进行分割;然后使用微分同胚Demons形变配准算法对两个时相分割出来的肺体积进行形变配准获取其形变函数φ;最后应用雅可比行列式分析φ,经重建获得肺通气图的三维分布。结果发现该方法充分考虑了图像的空间信息及灰度信息,无需借助其他功能影像设备,即可快速获取高分辨率的肺通气功能图像。

乳腺癌术后放疗患者平静呼吸下胸壁运动和器官受照剂量的变化

目的分析乳腺癌术后放疗患者在平静呼吸状态下的胸壁运动和器官受照剂量的变化。方法选取50例乳腺癌术后放疗患者,在患侧胸壁各区(锁骨下区、乳腺区、乳腺下区)做胸壁位移追踪标记,然后在患者平静呼吸状态下行四维计算机断层扫描,监测各标记点在各个方向上的位移以及患侧膈顶在头脚方向上的最大运动位移。通过PVmed系统勾画T0(吸气末)、T50(呼气末)两个时相的心、肺器官并计算其体积。在同等条件下对10例行左侧乳腺癌保乳术的患者制定放疗计划,比较其在T0和T50时相的心脏平均受照剂量(D_(mean))和患侧肺受照射量20 Gy的体积(V20)。结果(1)在左右、前后、头脚方向,50例患者锁骨下区的位移分别为(0.23±0.21)mm、(1.08±0.43)mm、(0.24±0.23)mm,乳腺区的位移分别为(0.67±0.22)mm、(1.51±0.63)mm、(1.01±0.38)mm,乳腺下区的位移分别为(0.74±0.25)mm、(2.37±0.91)mm、(1.08±0.43)mm,其中乳腺下区各方向的位移均大于锁骨下区(均P<0.05)。患侧膈肌头脚方向的位移为(11.58±4.26)mm,大于乳腺下区头脚方向的位移(1.08±0.43)mm(P<0.05)。(2)50例患者T0与T50时相的心脏体积差异无统计学意义(P>0.05),而T0时相的患侧肺体积大于T50时相的体积(P<0.05)。(3)10例左侧乳腺癌保乳术后患者T0时相的心脏D_(mean)和左肺V20少于或小于T50时相的测定值(均P<0.05)。结论在平静呼吸状态下,乳腺癌术后放疗患者胸壁靶区发生一定的位移,但均小于4 mm,这或可为乳腺癌精准放疗计划靶区的确定提供一定的参考;同时,患者的呼吸运动也对心、肺体积和/或受照剂量产生一定的影响,因此很有必要采取一些措施保护这些器官。

应用4DCT测量老年食管癌患者放疗引发的肺通气功能变化

目的:评价4DCT检测75岁及以上食管癌患者放疗前后的肺通气功能。方法:纳入31例符合条件的75岁及以上高龄食管癌患者。4DCT扫描图像经过形变配准后进行几何二等分。制定3个肺通气功能分析指标:上下肺通气比值,左右肺通气比值和前后肺通气比值。结果:伴有慢性阻塞性肺疾病(COPD)组与无COPD组的上下肺通气比值差异有统计学意义(P<0.05),前后肺通气比值及左右肺通气比值未见明显差异。在75~80岁组与≥80岁组只发现上下肺通气比值差异有统计学意义(P<0.05)。放疗后在COPD组与无COPD组中发现上下肺通气比值(P<0.05)及前后肺通气比值(P<0.05)均有明显差异。放疗后75~80岁组与≥80岁组的上下肺通气比值有统计学差异(P<0.05)。放疗期间同步化疗组与未同步化疗组在肺通气功能上未见明显差别。结论:应用4DCT扫描可区别放疗前后的肺通气功能变化,为早期临床干预提供可能。

MRI与4DCT联合指导勾画原发性肝癌患者放疗靶区初步研究

目的探讨磁共振成像(MRI)与四维计算机断层扫描(4DCT)图像联合用于原发性肝癌(PLC)患者首次放疗靶区勾画的价值。方法2019年5月~2021年5月我院收治的56例PLC患者,在放射治疗前,分别行MRI和4DCT检查,将获得的图像上传至工作站,在自动配准结束后以Reg Reveal和Reg Refine行配准和图像质量评估,锁定局部感兴趣区。比较配准前后4DCT不同时相图像中的肿瘤靶区体积、大体内靶区体积,观察T2加权像(MR-T2)图像与4DCT图像配准精度。结果在4DCT配准后,CT_(00)、CT_(10)、CT_(20)、CT_(30)、CT_(40)、CT_(50)、CT_(60)、CT_(70)、CT_(80)和CT_(90)肿瘤靶区体积分别为(389.8±52.5)cm^(3)、(393.4±59.7)cm^(3)、(390.7±50.3)cm^(3)、(388.5±47.8)cm^(3)、(380.4±40.5)cm^(3)、(379.2±40.6)cm^(3)、(383.7±43.3)cm^(3)、(380.2±41.7)cm^(3)、(371.0±38.9)cm^(3)和(381.7±36.6)cm^(3),均显著大于配准前【分别为(365.7±29.0)cm^(3)、(360.5±29.2)cm^(3)、(347.4±24.9)cm^(3)、(350.2±27.2)cm^(3)、(351.4±28.5)cm^(3)、(358.4±29.3)cm^(3)、(361.5±34.7)cm^(3)、(357.5±28.8)cm^(3)、(350.3±36.6)cm^(3)和(355.0±34.9)cm^(3),P<0.05】;56例PLC患者配准后大体内靶区体积为(468.7±226.2)cm^(3),显著大于配准前【(410.5±192.5)cm^(3),P<0.05】;经门静脉或腹腔干Reg Refine配准后,X、Y、Z轴位移分别为(0.3±0.1)mm、(0.6±0.2)mm和(0.5±0.2)mm,或(0.7±0.2)mm、(0.7±0.3)mm和(0.6±0.2)mm,显著小于自动配准移位【分别为(3.3±0.4)mm、(4.9±0.5)mm和(4.2±0.4)mm或(3.4±0.3)mm、(3.7±0.4)mm和(3.2±0.4)mm,P<0.05】;MR-T2图像显示肝脏体积为(2002.4±843.7)cm^(3),4DCT图像显示为(2048.7±937.2)cm^(3),肝脏体积交叠度为(110.2±22.7)%。结论首次给PLC患者放疗前行MR-T2联合4DCT检查可精确勾画肿瘤靶区,可能提高放疗效果。

4DCT模拟动态累加与3DCT静态计划对EB-PBI剂量学差异的比较

目的 探讨基于3DCT定位的乳腺癌保留乳房术后部分乳腺外照射(EB-PBI)调强放疗计划与4DCT模拟患者实际呼吸运动过程中靶区、危及器官(OARs)的剂量以及肿瘤控制概率(TCP)、正常组织并发症概率(NTCP)的差异。方法 纳入山东省肿瘤医院2016-06-12-2021-05-10收治的30例女性乳腺癌患者,基于3DCT图像和4DCT图像10个时相分别进行靶区勾画。基于3DCT图像进行EB-PBI放疗计划设计。然后将基于3DCT的EB-PBI计划(Plan-3D)分别配准到4DCT图像的0~90%10个相位上,将10个相位的计划基于0相位累加,得到4D累加计划Plan-4D。将Plan-3D和Plan-4D进行计划比较,并以Lyman-Kutcher-Burman (LKB)模型预测TCP和NTCP。结果 Plan-4D的临床靶区体积(CTV)、计划靶区体积(PTV)、D、D、D、V、V均大于Plan-3D,差异均有统计学意义,Z=-4.783,P<0.001;Z=-4.615,P<0.001;Z=-4.720,P<0.001;Z=-4.741,P<0.001;Z=-3.569,P<0.001;Z=4.415,P=0.019;Z=-3.774,P<0.001。Plan-4D患乳同侧肺体积、V、D,患乳对侧肺体积、V、D和心脏体积均大于Plan-3D,差异均有统计学意义,Z=-4.679,P<0.001;Z=-4.782,P<0.001;Z=-4.638,P<0.001;Z=-4.103,P<0.001;Z=-2.223,P=0.026;Z=-3.137,P=0.002。左乳患者心脏的V、V、D在Plan-4D时高于Plan-3D,差异有统计学意义,Z=-2.215,P=0.027;Z=-4.638,P<0.001;Z=-3.317,P=0.002。右乳患者心脏的V、V在Plan-4D时高于Plan-3D,差异均有统计学意义(Z=-3.296,P=0.001;Z=-2.660,P=0.008),二者D差异无统计学意义,Z=-1.903,P=0.057。而Plan-3D的TCP高于Plan-4D,Plan-3D同侧肺的NTCP同样高于Plan-4D,差异均有统计学意义,Z=-4.782,P<0.001;Z=-4.477,P<0.001。结论 基于3DCT的静态计划会高估靶区剂量覆盖、TCP和患乳同侧肺的NTCP,而低估OARs的受照剂量。基于4DCT的EB-PBI动态累加计划更接近真实放疗过程,能够用于精确放疗剂量体积参数的准确评估。

4DCBCT在肺内多发转移灶放疗中的应用

目的探讨四维锥形束CT(4DCBCT)在肺内多发转移灶放疗中的应用。方法采用常规四维CT(4DCT)定位扫描10例肺内多发转移灶患者,勾画靶区与4DCT图像配准。取4DCT的20%时相图像与4DCBCT的中位图像进行融合匹配,坐标系转换,评价肿瘤几何中心距离变化,并用融合指数(DSC)相似法计算相似度评价肿瘤运动。结果 10例患者两两转移灶之间的距离为(3.9±5.0)mm,偏差具有统计学差异(F=33.2,P<0.05)。肿瘤相对位移变化规律为头脚方向大于左右和前后方向[(0.38±0.12)cm vs.(0.15±0.06)cm和(0.13±0.02)cm](P<0.05)。随着治疗进展DSC逐渐减小(F=5.517,P<0.05)。结论肺内多发转移灶的治疗过程中肿瘤之间的位移偏差较大,应进行治疗前的4DCBCT验证。各转移灶在靶区勾画应在头脚外放3~5mm之外再均匀外放1~2mm,避免靶区受量不足。