应用4D-CT技术确定肝癌内靶体积及相关剂量学研究

背景与目的:由于肝脏肿瘤的位移受呼吸运动的影响显著,三维适形放射治疗(three-dimensionalconformalradiotherapy,3DCRT)难以准确定位靶区。本研究应用4D-CT技术确定个体化肝癌内靶体积(internaltargetvolume,ITV),比较3D计划与4D计划的计划靶体积(planningtargetvolume,PTV)及相关剂量学差异,并评价4D-CT的优势。方法:选择7例原发性肝癌患者,行4D-CT门控扫描,在10个相位的CT图像中分别勾画大体肿瘤体积(grosstumorvolume,GTV)和临床靶体积(clinicaltargetvolume,CTV)。在20%呼吸时相CT图像中利用三维治疗计划系统根据PTV-3D、PTV-4D为每例患者设计两套放疗计划:3D计划与4D计划。PTV-3D由CTV外扩常规的安全边界得到;PTV-4D由10个时相的CTV融合形成的ITV-4D外扩摆位边界(SM)得到。两套计划的处方剂量、射野方式均相同。比较两套计划中靶区体积、靶区与危及器官的剂量学、正常组织并发症概率的差异。结果:PTV-3D、PTV-4D的体积分别为(417.60±197.70)cm3、(331.90±183.10)cm3,后者体积减少20.50%(12.60%～34.40%);两者靶区覆盖率与剂量分布均匀性无显著性差异;4D计划中危及器官(肝、肾、胃、小肠)的受照剂量均较3D计划降低,以肝最为显著。肝V30、V40分别由38.77%、27.32%降至33.59%、22.62%;正常肝平均剂量由24.13Gy下降为21.50Gy;肝并发症概率由21.57%下降为15.86%;在不增加正常组织并发症的前提下,4D计划的处方剂量可由(50.57±1.51)Gy提升至(54.86±2.79)Gy,平均提高9.72%(4.00%～16.00%)。结论:3D计划存在遗漏靶区或过度扩大靶区的缺陷。应用4D-CT技术可在3DCRT的基础上准确定位肝癌靶区,进一步减少正常组织的受照剂量,并提升靶区剂量。

4D-CT重建及其应用研究新进展

概述了不同4D—CT重建方法的优缺点及其改进方法，4D—CT在放疗中主要用于研究靶区和正常组织的运动规律、探讨胸腹肿瘤靶区与腹压的关系、分析靶区与内外标记的相关性、勾画肿瘤靶区、设计精确的4D放疗计划、比较剂量分布和进行图像引导放疗。4D放疗计划设计大多采用单相位CT、平均密度投影CT、最大密度投影CT进行，4D—CT数据量约1000张～1500张，使靶区勾画成为4D放疗的首要难题，基于呼吸运动的B一样条拟合模型和迭代模型重建的连续4D—CT可实现靶区自动勾画和计划设计自动化，在4D放疗计划制定的各个环节都需要进行变形图像的配准，4D-4D图像配准能提高4D图像引导放疗的精度。

基于4D-CT和变形图像配准获取肺通气功能的三维分布

目的获取基于4D-CT和变形图像配准方法,建立肺通气功能的三维分布图像。方法在患者自由呼吸状态下进行肺部4D-CT图像采集和重建;用B样条三维变形配准算法,对4D-CT中不同相位的两个CT图像系列进行配准,获得三维变形场文件,再将该文件转换为雅可比行列式矩阵,根据其物理含义进行量化分析,得到任意横断面的通气分布图像。将此图像伪彩化后与CT图像融合,再进行任意冠状面、矢状面重建,从而得到直观的横断面、冠状面、矢状面三维方向的通气功能分布。将自动勾画并计算出的不同功能肺的体积,与吸气末和呼气末肺体积之差进行相关分析。结果实现了快速获得直观的肺通气功能的三维分布。结果表明,不同功能肺体积与呼吸过程中肺体积的最大变化显著相关(P<0.05)。结论基于4D-CT和变形图像配准来获取肺通气功能的三维分布图像简便、快捷,具有可行性。

基于Cine扫描的4D-CT图像重建系统设计研究

为了在普通多螺旋CT上实现4D-CT重建,研究中采用VC++程序设计语言和模块化的程序设计方法,开发了基于Cine扫描的4D-CT图像重建系统。利用本系统,根据体表轮廓和肺组织的体积变化确定CT图像在呼吸周期中的相位,按相位分组排序后,实现4D-CT重建,其重建过程不依赖于外在的呼吸监测装置、不受CT机本身的软硬件限制,具有普遍适用性。

基于相邻图像最相似原理的4D-CT图像重建研究

目的:基于"相邻图像最相似原理"实现周期运动靶区的4D-CT重建。方法:用16排螺旋CT机对自由呼吸状态下的胸腹肿瘤患者进行螺旋扫描和电影(Cine)模式扫描;用VC++程序设计语言和VTK工具包,开发了基于"相邻图像最相似原理"的4D-CT重建软件系统;根据相邻图像互信息量的计算(即相似性测度),把Cine模式扫描的CT图像按相位进行了排序,并分别对不同相位的CT图像序列进行三维重建。结果:不同相位CT序列的三维重建明显地消除了运动伪影,与静态扫描重建结果相近。随时间变化的多个相位的3D-CT构成了4D-CT序列。结论:基于"相邻图像最相似原理"能在普通CT上实现4D-CT重建,其重建过程不依赖于外在的呼吸监测装置、不受CT机本身的软硬件限制具有普遍适用性。

基于4D-CT研究随呼吸运动靶区的剂量分布规律

目的:基于4D-CT探讨随呼吸运动靶区的受照剂量分布特征及进行个体化精确放疗计划设计方法。材料和方法:患者在自由呼吸状态下进行多床位Cine模式扫描,每个床位Cine扫描持续时间约4s～6s。扫描后,用研究开发的4D-CT图像重建系统对所得图像进行4D-CT、最大密度投影(MIP)和平均密度投影(AIP)重建,生成多相位4D-CT、MIP和AIPCT。将重建图像传入放疗计划系统中,分别以呼气末相4D-CT、AIPCT和MIPCT图像作为基准图像,其它相位4D-CT作为融合图像进行图像配准,在基准图像上勾画靶区并进行放疗计划设计,比较基准图像和融合图像中靶区的剂量分布。结果:当肿瘤靶区位于肺尖时,呼气末相和吸气末相4D-CT中靶区的剂量分布无明显差异;靶区在肺中部和腹部时,在呼气末相4D-CT上设计的放疗计划,其剂量分布不能很好地覆盖吸气末相时的靶区,可能导致靶区漏照射;在MIP和AIPCT上设计的放疗计划,其剂量分布能较好地覆盖呼气末相/吸气末相时的靶区。结论:基于4D-CT能直观地得到不同呼吸相位时靶区的剂量分布,利用MIP和AIPCT可快速实现运动靶区的个体化精确放疗计划设计。

基于改进多尺度ASM和非刚性配准的4D-CT左心室分割

64排及以上多层螺旋CT(MSCT)能提供含有时间信息的四维CT成像数据,可用于动态心、肺等功能的分析.为此提出了基于改进的多尺度ASM和非刚性配准的分割方法,从心脏MSCT四维数据集中提取左心室腔和心肌.该方法根据MSCT层片间的特点,采用改进的特征点标记方法对收缩末期的左心室进行形状建模,在基于改进的模型定位和搜索算法基础上,运用多尺度ASM算法实现三维数据集上的分割.通过互信息量的Demons非刚性配准方法,利用膨胀末期的分割结果实现对其余心相上的左心室配准分割.在256排MSCT四维心脏数据集上的实验表明,该方法对血腔的分割结果和手工分割结果的平均相似度在95%以上,心肌的平均相似度在88%以上.

4D-CT重建技术在肝癌精确放疗定位的应用效果

目的探讨四维放射治疗技术(4D-CT)重建技术在肝癌精确放疗定位的应用效果。方法分别采用三维放射治疗技术(3D-CT)和4D-CT对20例原发性肝癌患者进行扫描,在3D-CT上分别勾画靶区实体肿瘤靶区、临床靶体积、计划靶体积;在4D-CT上分别勾画内肿瘤靶区、靶区、计划靶体积。结果 4D-CT靶区体积为(148.15±92.04)cm3,3D-CT靶区体积为(249.52±136.51)cm3,两者差异有统计学意义(P<0.05);4D-CT和3D-CT靶区中心在X、Y、Z轴的位移差异无统计学意义(P>0.05);4D-CT的MDTNL、V30、NTCP分别为(18.81±3.89)Gy、(30.21±7.30)%、(12.72±9.27)%,明显高于3D-CT的(14.59±4.47)Gy、(22.95±9.28)%、(6.46±6.69)%,差异均有统计学意义(P<0.05)。结论 4D-CT技术能准确记录肿瘤随呼吸运动的移动轨迹,精确定位放射治疗靶区位置,从而利于个体化确定靶区体积,避免靶区丢失,减少外扩范围,避免过度照射,可有效降低肝脏NTCP,提高靶区剂量,提高放疗疗效。

改进Demons算法的验证及其在4D-CT轮廓线推衍中的应用

目的研究一种改进的Demons变形配准算法,验证算法的有效性,评价配准算法的精度,并将其应用于4D-CT轮廓线的推衍。方法为加快收敛的速度和提高配准精度,将Demons算法的双向作用力进行重分配,并提出一个能量函数作为相似性测度,利用BFGS优化算法对能量函数进行优化,避免了经典算法中需指定迭代次数的缺陷。分别利用模拟形变CT图像与变形模体,分析和测量了配准算法的精度,并对该算法在4D-CT轮廓线推衍中的应用进行了评价。结果改进后的Demons算法与经典的Demons算法以及类似的变形配准算法相比,有较高的配准精度,推衍生成的轮廓线与人工勾画的轮廓线匹配程度高。结论变形配准是4D-CT中的一项关键技术,改进后的Demons算法应用于轮廓线的推衍有望大大治疗计划设计的轮廓勾画工作量,其配准精度能满足实际临床的需要。

基于运动估计的肺4D-CT图像冠矢状面超分辨率重建

肺4D-CT在肺癌放射治疗中发挥着重要的作用,但肺4D-CT数据层间的分辨率低,导致每个相位3D数据的肺冠矢状面均为低分辨率图像。本研究提出一种基于运动估计的超分辨率重建技术,以提高3D数据的冠矢状面图像分辨率。首先,分析图像退化模型;然后,采用基于完全搜索块匹配的运动估计法,估计出不同"帧"肺冠矢状面图像之间的运动场;最后,以此运动场为基础,采用迭代反投影法(IBP),重建高分辨率的肺部冠矢状面图像。使用一个公共可用的数据集来评价所提出的算法,该数据集由10组肺4D-CT数据组成,每组数据包含10个相位。在每组图像中,选取不同相位的冠矢状面图像进行实验。结果表明,与传统的插值方法(如最近邻插值、双线性插值法)相比,图像边缘宽度均显著降低(最近邻插值9.93±0.59,双线性插值8.04±0.69,新算法5.41±0.60,P<0.001);较双线性插值,图像平均梯度显著提高(5.41±0.59 vs 7.49±0.75,P<0.001),新方法不仅能获得视觉上清晰的图像,而且量化评价指标也有明显提高。主观和客观实验结果表明,所提出的新方法能有效提高肺4D-CT冠矢状面图像的分辨率。

基于4D-CT图像在肺癌放疗靶区勾画设计中的应用

目的探讨4D-CT图像在肺癌适形放疗靶区勾画中的应用价值。方法分别对8例肺癌患者行多层CT电影(Cine)和常规增强扫描,记录扫描参数信息。将扫描数据输入自主开发的4D-CT图像重建系统,进行4D-CT图像和MIP图像重建。模拟勾画4D适形精确放疗靶区;对同组8例患者常规扫描数据行3D传统放疗计划靶区设计。结果 8例肺癌患者4D-CT重建图像靶区勾画的GTV4D平均为:23.62±6.28cm3;该组患者的传统三维重建图像的GTV3D平均为:28.88±7.93cm3。结论传统3D的靶区设计因须考虑吸气和呼气末相的肿瘤位置而使GTV3D要大得多;采用4D-CT图像制定的适形放疗计划,大幅缩小了肿瘤靶区体积,降低了正常组织的受照剂量,可望减少中远期放疗并发症,提高放疗后生存质量。

4D CT图像的肺部呼吸运动估计

四维计算机断层扫描(Four-dimensional computed tomography,4D CT)通过对病人多个呼吸周期进行连续扫描,可以提供肺部全方位的动态信息,对肺部肿瘤的诊断、跟踪和放疗具有重要的作用。本文提出了一种基于B样条形变模型的四维图像配准算法对病人肺部的呼吸运动进行估计。为了充分利用4D CT的时间连贯性信息,保证4D CT配准的稳定性,定义了一个新的图像相似性测度函数,并采用迭代的方法对变形场进行优化求解。实验中,通过和成对三维B样条配准算法进行对比来验证本文算法性能。实验证明:所提的4D CT形变配准算法更加精确和稳定,配准精度可以达到1.22±0.74mm。最后作为应用,对7位病人吸气末相位到呼气末相位的呼吸运动进行估计,并给出了统计结果。

AccuContour软件自动勾画镜面人患者4D-CT图像心脏结构的应用分析

目的评估AccuContour软件自动勾画镜面人患者四维CT(4D-CT)图像心脏结构的可行性与准确性。方法选取1例镜面人肺癌患者的10套4D-CT图像序列进行研究,10套图像序列对应10个呼吸时相。对10套CT序列,使用Eclipse治疗计划系统手工勾画心脏结构;使用AccuContour软件自动勾画心脏结构;使用WPS表格,对自动勾画和手工勾画的体积差异、位置差异、形状一致性和勾画时间进行统计分析。结果自动和手工勾画两种方式心脏结构的体积差异(△V%)为(5.63±2.80)%;总位置差异(ΔL)为(2.28±0.45)mm;Dice相似性系数、敏感性指数、包容性指数和Jaccard系数的值分别为0.909±0.011、0.936±0.012、0.884±0.020和0.835±0.019;自动勾画时间平均约为49 s。结论使用基于深度学习的AccuContour软件自动勾画镜面人患者4D-CT图像的心脏结构,能够达到比较满意的勾画结果,使用该软件可明显缩短勾画时间,有效提高工作效率。

基于分块的肺4D-CT图像超分辨率重建

肺4D-CT在肺癌的治疗中,对于准确定位肿瘤靶区、实现个体化精确放疗具有重要的应用价值。由于放射剂量的限制,使得肺4D-CT图像分辨率较低。提出一种基于图像分块的超分辨率重建技术,提升肺4D-CT图像的分辨率。首先,将图像分解为一系列重叠图像块;其次,利用Active Demons配准算法,自适应选取若干幅与目标图像块对应结构相似的其他相位图像块,并估计出它们之间的运动变形场;而后,采用迭代反投影(IBP)算法,重建得到高分辨率的图像块;将得到的所有高分辨率图像块拼接后,最终输出完整的高分辨率肺4D-CT图像。利用由德克萨斯安德森肿瘤中心DIR实验室采集并开放的公共数据集评价所提出的算法,该数据集由10组肺4D-CT数据组成,每组数据包含10个相位。从每组数据中,选取不同相位图像进行实验。量化评价结果表明,所提出的方法相比反投影(BP)算法、全局迭代背投影算法,图像平均梯度显著提高(反投影算法7.65±0.44,全局迭代背投影算法7.92±0.43,本算法8.92±0.50,P<0.001)。视觉评价结果同时显示,所提出的方法能够有效消除伪影,得到结构显著增强、清晰度更高的肺4D-CT图像。

双源CT 70与120 kV不同CARE Dose 4D预设值下图像质量的对比研究

目的:探讨双源CT不同管电压和CARE Dose 4D预设值下的辐射剂量与图像质量相关性,为低剂量扫描方案奠定基础。方法:使用西门子FLASH双源CT对水模进行图像采集。根据管电压分为A、B 2组,A组:管电压70 kV,B组:管电压120 k V。每组CARE Dose 4D预设值均为150、200、250、300、350和400 m As,其他参数不变。采用SPSS 18.0软件对CT值、图像信噪比(signal noise ratio,SNR)、剂量长度乘积(dose length produce,DLP)、容积CT剂量指数(CT dose index volumes,CTDIvol)进行统计分析,以P<0.05为差异有统计学意义。结果:在A组中,不同预设值间CT值无统计学差异(F=0.832,P=0.537>0.05),CT值标准差具有统计学差异(F=6.115,P=0.001<0.05);在B组中,不同预设值间CT值无统计学差异(F=0.880,P=0.506>0.05),CT值标准差具有统计学差异(F=9.470,P=0.000<0.05)。在相同预设值150 mAs下,A组和B组间CT值和SNR值无统计学差异(P>0.05),B组的CTDIvol和DLP是A组的4.4倍。结论:在相同的管电压下,随着CARE Dose 4D预设值增加,辐射剂量增大,噪声降低,图像质量提高;在相同的CARE Dose4D预设值下,70 k V下降低了辐射剂量,但与120 k V下图像质量没有统计学差异。

双源CT CARE Dose 4D技术在儿童牙齿扫描中的应用

目的探讨双源CT CARE Dose 4D(管电流调节技术)在儿童牙齿CT扫描中的运用价值。方法疑牙齿畸形行CT平扫及重建了解根尖情况的患儿70例,按时间先后分A、B两组,A组常规扫描(100kVp/150mAs),B组开启CARE Dose4D扫描(100kVp/参考电流150mAs),其余条件保持不变。比较A、B两组扫描方案的辐射剂量及所得图像的平均CT值、噪声、信号噪声比(SNR)、对比噪声比(CNR)、主观评分等。结果 A、B两组辐射剂量差异有统计学意义(t=-2.24,P=0.03)。与A组比较,B组有效剂量(ED)下降约23.15%;图像的平均CT值、噪声、SNR、CNR及主观评分比较差异无统计学意义(P>0.05)。结论应用双源CT CARE Dose 4D技术行儿童牙齿CT扫描,在降低辐射剂量的同时,不影响图像质量,值得临床推广。

640层VCT 4D-DSA对肝癌门静脉病变的诊断

目的探讨640层容积CT 4D-DSA技术评价肝癌门静脉病变异及的应用价值。方法回顾分析2012年5月—2015年5月该院确诊的80例肝癌患者640层容积CT 4D-DSA技术检查影像资料。将获得的所有容积数据导入后处理工作站,选择肝门静脉显示最佳的图像分析肝癌门静脉病变。选择80名患者三期肝脏增强扫描后所受辐射剂量进行对比。结果共有80例图像质量符合标准,存在门静脉双重供血动脉4例,80例患者中门静脉病变的36例,单纯肝动脉-门静脉瘘6例(占16.6%),单纯门静脉癌栓7例(占19.4%),肝动脉-门静脉瘘合并门静脉癌栓18例(占50%),门静脉闭塞5例(占13.8%),门静脉癌栓阻塞合并门静脉海绵样变3(占8.3%)。两种检查序列辐射剂量的有效剂量ED分别为10.539 mSv、23.159 mSv,对比结果,差异具有统计学意义P<0.05。结论640层容积CT的低辐射剂量、高清晰模仿DSA图像能应用与肝癌门静脉病变的诊断,并有助于治疗方案和预后的评价。

采用CT电影模式扫描的人体4D肺部模型构建

采用CT电影模式扫描获取肺组织切片数据,确定这些切片的时相关系是构建四维肺部模型的关键步骤.针对现有方法存在的不足,根据相邻图像最相似原理,提出一种改进的4D-CT图像排序法.首先基于半自动动阈值法从原始胸腔切片数据中分割出肺组织图像;然后选定基准时相点,并结合均方根误差作为相似性测度确定相邻床位间图像的时相关系;再利用最小二乘曲线拟合消除切片层间距误差;最后实现了肺模型重建.实验结果表明,采用文中方法构建出的各时相点肺模型表面光滑、轮廓清晰,与呼吸运动变化规律相符,验证了该方法的有效性,并为实现肺部模型的动态仿真奠定了基础.

基于快速亚像素运动估计的肺4D-CT图像超分辨率重建

肺4D-CT图像超分辨率重建技术对于提高肺4D-CT图像分辨率有重要作用。本文提出一种基于快速亚像素运动估计的超分辨率处理方法,以重建清晰的肺4D-CT图像。首先采用快速亚像素运动估计方法估计不同"帧"图像间的运动场,然后采用迭代反投影方法重建高分辨率肺4D-CT图像。实验结果表明,与传统的插值方法及基于全搜索运动估计的超分辨率重建算法相比较,本方法能得到更清晰的肺部图像,图像结构明显增强。同时,与全搜索算法相比,运算时间显著缩减。

4D-DECT对甲状旁腺腺瘤的诊断价值

目的:探讨甲状旁腺腺瘤(PA)的4D-DECT影像特征及物质成分信息,评价其定位及定性诊断价值。资料和方法:回顾性分析经手术及病理证实的53例PA患者的临床资料及4D-DECT影像资料,逐一观察并记录CT征象,分别对病变与邻近组织的CT衰减值(HU)、碘浓度、Rho、Z值及DEI进行测定及比较分析。结果:53例患者中,52例(98.11%)为单发病灶,1例(1.89%)为多发病灶,共计病灶54枚,其中32枚(59.26%)位于气管-食管旁沟,10枚(18.52%)为异位腺瘤,22枚(40.74%)可见“短线征”,14枚(25.93%)可见“极血管征”;动脉期(90 kV)图像PA与甲状腺CT值无明显差异,平扫、动脉期(混合0.5、150 kV)及静脉期(90 kV、混合0.5、150 kV)图像中PA、甲状腺及淋巴结CT值均有差异。动脉期及静脉期淋巴结的碘浓度、Z值及DEI明显低于PA及甲状腺,静脉期PA的碘浓度、Z值及DEI明显低于甲状腺;动脉期及静脉期甲状腺Rho明显高于PA,动脉期PA的Rho明显高于淋巴结。结论:4D-DECT可较好地显示PA的影像学特征,还可以提供病变的碘浓度等多种物质成分信息,有助于提高PA的诊断准确性。