非等中心锥束CT成像系统标定及三维重建

目的 研究非等中心锥束CT系统(CBCT)几何参数标定及投影图像重排, 提出新的方法以提高参数标定精度及三维(3D)重建质量, 以期突破现有算法要求等中心系统应用环境的限制。方法 针对非等中心CBCT系统建立坐标系, 推导标定模型中特定标志点空间坐标与其在投影图像中平面坐标之间的几何关系, 建立虚拟等中心CBCT系统, 提出面向非等中心CBCT系统的解析+迭代混合标定方法, 对投影图像进行重排, 在此基础上进行3D重建。将标定模型置于非等中心CBCT系统中, 获取各个旋转角度下的投影图像;提取投影图像中特定标志点坐标, 基于这些坐标数据, 采用所提方法计算虚拟等中心CBCT系统几何参数;并求取虚拟等中心锥束投影图像;最后采用FDK算法进行3D重建。结果 与文献[10]算法相比, 所提算法对转轴在成像板上的投影坐标(u^0' 和v^0' )标定精度相当, 而射线源到成像板的垂直距离(D')和射线源到转轴的距离(R')标定精度明显较优。结论 本研究混合标定算法可提高D'和R'的标定精度, 并可突破文献[10]算法等中心系统应用环境的限制。     

一种混合CBCT成像系统标定方法

目的 建立一种混合锥形束CT（CBCT）成像系统标定方法,以提高CBCT成像系统参数标定精度,突破现有算法须已知标定模型中各小球相对中平面位置的限制。方法 针对CBCT成像系统建立坐标系,推导光锥不同旋转角度下标定模型中小球中心空间坐标与其在投影图像中投影平面坐标之间的几何关系,提出解析+迭代混合标定方法。将标定模型置于CBCT成像系统中,获取各个旋转角度下的投影图像;提取投影图像中各小球投影的质心坐标,套用上述方法计算出标定参数。对小鼠标本模型进行相同扫描,采用已求标定参数用FDK算法进行3D重建。结果 解析+迭代混合法对于成像系统参数D的标定精度较高;参数R的标定不直接受D的影响。结论 解析+迭代混合法可提高部分成像参数的标定精度,且突破了须事先知晓小球相对于中平面的空间位置及受旋转半径影响较大的限制。     

直线加速器机载锥形束CT图像散射的修正方法

目的 对直线加速器机载锥形束CT(CBCT)散射修正方法进行研究.方法 在CBCT射线源前放置一个"指交叉"形的阻挡光栅,对Catphan 504模体进行扫描,分别获得CBCT图像和扇形束CT图像.利用基于阈值的图像分割算法跟踪机架旋转过程中阻挡光栅在CBCT图像中的位置,提取散射样本后利用插值法估计散射信号分布,采用改进的半扇扫描重建算法重建散射修正后的图像.结果 散射修正后的Catphan 504模体图像与扇形束CT重建的图像接近.与散射修正前比较,散射修正后CT值误差从100.86 HU下降到15.74 HU,散射修正后低对比度分辨力平均提高1.37倍.结论 基于阈值的图像分割算法准确跟踪阻挡光栅的位置,在铅片区域可采集散射信号,其余区域可通过改进的半扇扫描算法完成单次扫描的图像重建.     

基于交替投影的CT图像重建算法

目的 探讨基于交替投影的CT图像重建算法的可行性。方法 将CT图像的重建转化为凸集优化问题,将重建模型分解为多个约束,并确定其对应的凸集,通过交替投影的方式在其交集中找到可行解。对TV先验项构成的凸集的求解,通过定义TV函数的上方图集,利用点到这个凸集的切向超平面的连续投影,找到起始点到TV凸集最近的点。分别采用CPTV算法、TV-POCS算法和基于交替投影的CT图像重建算法对Shepp-Logan头部图像进行重建,比较不同算法对不同角度投影图像重建后的均方根误差（RMSE）。分别采用TV-POCS算法和基于交替投影的CT图像重建算法对小鼠脊椎轴位图像进行重建,比较两种算法的归一化均方距离（d）和归一化平均绝对距离（r）。结果 CPTV算法所重建的图像平滑性较差,伪影较多,而TV-POCS算法和基于交替投影的重建算法不仅有效抑制了噪声,还保护了图像的边缘,图像质量较高。基于交替投影的重建算法的RMSE比另外两种算法下降速度更快,收敛值更小。基于交替投影的重建算法重建图像的d和r值均小于TV-POCS算法（0.064 0 vs 0.262 4,0.073 7 vs 0.298 2）。结论 采用基于交替投影的重建算法重建有限角度的CT投影图像不需参数估计,且图像质量更高,收敛速度更快。     

基于迁移学习和三维卷积神经网络检测肺结节

目的 采用迁移学习多尺度三维卷积神经网络（3D CNN）检测肺结节。方法 综合多种方法分割肺实质区域，提取三维候选肺结节；搭建多尺度特征结构3D CNN模型，通过基于权值的迁移学习方法微调网络模型结构；提取数据集，训练微调后的三维网络模型，以之检测肺结节。结果 本方案对大（>15 mm）、中（≥5 mm且≤15 mm）肺结节的平均准确率达97.28%，对小（<5 mm）结节平均准确率达92.31%，综合性能优于传统方法及深度学习方法。结论 基于迁移学习和3D CNN可自动精确检测不同大小肺结节。     

基于改进移动立方体算法的三维重建

目的 探讨基于改进移动立方体算法的腹部器官CT图像三维重建效果。方法 提出一种基于区域增长法的通用树结构和移动等值点法的自适应改进移动立方体算法,先进行医学图像分割,选取种子点后标记出与阈值相交的所有体元;创建通用树结构,将相交体元插入子节点中,确定基于通用树的顶点索引方式;通过移动等值点合并共面三角形,简化等值点信息的获取。基于1名志愿者的腹部CT图像,采用传统移动立方体算法和改进移动立方体算法构建肾脏三维模型,并比较其效果。结果 与传统算法比较,改进的移动立方体算法生成的三角面片个数减少39.20%,算法执行效率提高37.59%,三维模型表面平滑逼真,局部细节真实性较好。结论 基于改进移动立方体的算法可更快速精确地实现CT图像腹部器官三维重建。     

小动物锥束CT分角度几何校正

目的 改善小动物锥束CT(CBCT)系统的空间分辨力。 方法 对由3个钢制小球组成的校正模型进行360°扫描,根据质心法计算小球中心的投影位置,然后计算光源的位置、旋转轴偏移等7个几何参数,最后对在旋转扫描过程中由于系统的不稳定而发生变化的部分几何参数进行分角度计算,得出投影角度相关的几何校正参数。在对被测物体进行扫描后,利用上述几何参数和分角度校正参数,采用FDK算法进行图像重建。 结果 经过分角度几何校正后,重建图像的空间分辨力提高了2 lp/mm。 结论 分角度几何校正方法能够很好地解决系统不稳定造成几何参数在扫描中发生轻微变化的问题,显著提高CBCT的空间分辨力。     

基于模型的迭代重建算法与自适应迭代重建算法对肺炎患儿胸部低剂量CT图像质量的优化

目的 评价基于模型的迭代重建（MBIR）算法、自适应迭代重建（ASiR）算法及滤波反投影（FBP）算法对肺炎患儿胸部低剂量CT图像质量的优化。方法 选取肺炎患儿41例,根据年龄设定噪声指数（NI）。将原始数据重建为5 mm的MBIR图像（序列A）,5 mm的30%ASiR与70%滤波反射投影（FBP）混合图像（序列B）,5 mm的FBP（序列C）图像,由2名医师主观评价图像质量,并计算优化信噪比（SNR）及辐射剂量。结果 序列A图像的主观噪声、细微结构的显示方面明显优于序列B及序列C图像,但结构边缘略为模糊;序列A图像的客观噪声值较序列B及序列C图像噪声降低,SNR较序列B及序列C升高,辐射剂量约为（0.24±0.05）mSv。结论 序列A的图像质量明显优于序列B及序列C的图像。     

基于经食管三维超声的3D打印模型评价左心耳解剖

目的 探讨经食管三维超声心动图（3D-TEE）作为左心耳（LAA）三维（3D）打印数据源的可行性及超声3D打印模型的准确性,并评价3D打印模型对特殊解剖形态LAA封堵手术的指导价值。方法 回顾性分析18例因心房颤动接受LAA封堵术的患者资料,包括LAA的3D-TEE和CT容积图像数据。对3D-TEE数据进行后处理,并使用弹性材料制作LAA的3D打印模型。采用3D打印模型评价LAA解剖分型与分叶分型,测量LAA开口的最大径、最小径及深度,并与3D-TEE及CT容积图像结果进行对比。在封堵困难的特殊形态LAA模型上进行封堵器释放试验。结果 对18例患者均成功进行超声数据后处理并获取LAA 3D打印模型。应用3D打印模型与CT容积图像对LAA进行解剖分型及分叶分型的一致性均较高,Kappa值分别为0.92和0.83。且3D打印模型对LAA开口最大径、最小径及深度的测量值与3D-TEE测量值差异均无统计学意义（P均>0.05）。18例中2例为特殊形态LAA,均通过3D打印模型进行封堵伞释放模拟出术中封堵过程。结论 基于3D-TEE的LAA 3D打印技术具有较高的可行性及准确性,有助于指导特殊形态LAA的个性化封堵。     

改进型骨骼细化算法提取冠状动脉中心线

目的 运用全自动骨骼细化算法从CT图像中精确提取冠状动脉的中心线。方法 分割CT图像中的冠状动脉区域，经三维重建得到完整的冠状动脉三维数据；利用骨骼细化算法提取该冠状动脉的中心线，引入Dijkstra最短路径算法提升提取精度。结果 相比未移除分支的骨骼细化算法，重叠率提升2%，平均距离减少38.2%，平均运行时间0.48 s。结论 改进型骨骼细化算法可有效提取冠状动脉中心线。     

基于C型臂超短扫描路径锥束投影的图像合成

背景：CT成像质量的优劣不仅取决于仪器的精密性和先进性,在很大程度上也取决于重建算法,由二维扇束扫描向三维锥束扫描是CT技术的发展方向,因此,寻找一种合适的锥束重建算法具有无法忽略的意义。目的：探讨基于C型臂超短扫描路径锥束投影的图像合成,为实现基于C型臂2D投影图像的3D模型重建提供算法支持。方法：由第一作者于2012年3至5月检索PubMed数据库、CNKI系列数据库及万方数据库1990年至2011年文献。检索词为＂C型臂,超短扫描路径,FDK算法,有限角锥形束三维重建,超短扫描扇束重建算法＂,检索文章的语言种类为中文和英文。计算机初检得到58篇文献,其中19篇符合纳入标准被保留。结果与结论：基于C型臂2D投影图像的3D模型重建必须进行三维模型的重建,目前应用最为广泛的的三维图像重建方法仍然是FDK。但是FDK算法适用于全路径,对超短路径而言不能直接采用,而通过将二维扇束重建算法推广到三维空间中而获得的短扫描轨迹的FDK类型锥束重建算法可对采集到的锥束投影数据进行感兴趣区域重建。未来的研究可针对减少噪声等干扰数据对重建质量造成的影响进行探讨。     

Automatic bone removal for 3D TACE planning with C-arm CBCT: Evaluation of technical feasibility

Purpose To evaluate the technical feasibility of automatically removing the ribs and spine from C-arm cone-beam computed tomography (CBCT) images acquired during transcatheter arterial chemoembolization (TACE). Material and methods Fifty-eight patients (45.8?±?5.0 years) with unresectable hepatocellular carcinoma (HCC) underwent transcatheter arterial chemoembolization and had intraprocedural CBCT imaging. Automatic bone removal was performed using model-based segmentation of the ventral cavity. Two interventional radiologists independently evaluated the performance of bone removal, remaining soft tissue retention, and general usability (where both the bone is appropriately removed while retaining soft tissue) for 3D TACE planning on a four-level (complete/excellent, adequate/good, incomplete/questionable, insufficient/bad) score. The proportion of inter-reader agreement was calculated. Results For ribs and spine removal, 98.3–100% and 100% of cases showed complete or adequate performance, respectively. In 96.6% of the cases, soft tissue was at least adequately retained. 91.3–93.1% of the cases demonstrated good or excellent general usability for TACE planning. Satisfactory inter-reader agreement proportion was achieved in ribs (93.1%) and spine removal (89.7%), soft tissue retention (84.5%), and general usability for TACE planning (72.4%). Conclusion Intraprocedural automatic bone removal on CBCT images is technically feasible and offers good removal of ribs and spine while preserving soft tissue. Its clinical value needs further assessment.     

TREK: an integrated system architecture for intraoperative cone-beam CT-guided surgery

Purpose  

A system architecture has been developed for integration of intraoperative 3D imaging [viz., mobile C-arm cone-beam CT (CBCT)] with surgical navigation (e.g., trackers, endoscopy, and preoperative image and planning data). The goal of this paper is to describe the architecture and its handling of a broad variety of data sources in modular tool development for streamlined use of CBCT guidance in application-specific surgical scenarios.     

一种用于肺部图像引导放射治疗的双能X射线透视成像方法

目的 研究一种双能X线透视成像方法，采集呼吸周期高低能X线图像序列，通过改进双能减影算法获取软组织减影图像，以提高在图像引导放射治疗中无标记肺部肿瘤运动跟踪的肿瘤可视度。方法 采用具有C臂旋转结构和高低能快速切换采图机制的双能X线透视成像系统，分别在4个投影方向实时采集呼吸周期9或10个时相的高低能图像对序列。通过优化加权对数减影算法，对去除同一时相高低能图像对中的骨骼，得到软组织减影图。双能减影算法采用CNR作为图像质量评价参数，自动获取最佳软组织减影图像。采集和分析20例患者数据，评价软组织减影图像中肿瘤可视度的提高程度。结果 分别在0°、45°、90°和135°投影方向采集198、196、198、和198个高低能图像对，肿瘤可视图像分别为198、38、69和49对。所获软组织减影图像中，肿瘤可视图像分别为198、108、149和159幅。结论 本研究提出的双能X线透视成像方法可显著提高肺部肿瘤的可视度。     

C臂CT结合X线透视引导下经皮椎体成形术治疗疼痛性上胸椎转移癌

目的 评估C臂CT结合X线透视引导下经皮椎体成形术（PVP）治疗疼痛性上胸椎转移癌的安全性、可行性及疗效。方法 回顾性分析接受C臂CT结合X线透视引导下PVP治疗的18例（19个病变椎体）疼痛性上胸椎转移癌患者的资料。记录病变椎体部位、术中透视时间、C臂CT扫描次数、骨水泥用量、骨水泥渗漏及并发症情况。记录患者术前及术后1天、1周、1个月及3个月的疼痛视觉模拟（VAS）评分,比较治疗前后VAS评分的差异,计算止痛有效率。结果 19个病变椎体,分别为T1 2个,T2 5个,T3 3个,T4 9个。PVP术后3个月内止痛有效率为88.89%（16/18）,术后患者VAS评分较术前明显降低（P均<0.05）。PVP术中椎体平均透视时间为（14.76±3.14）min,C臂CT扫描次数（3.32±0.13）次,骨水泥用量（2.66±0.70）ml。无症状骨水泥渗漏率为31.58%（6/19）。无PVP相关并发症发生。结论 C臂CT结合X线透视引导下PVP治疗疼痛性上胸椎转移癌操作安全、方法可行,止痛效果好。     

An on-board surgical tracking and video augmentation system for C-arm image guidance

Purpose

Conventional tracker configurations for surgical navigation carry a variety of limitations, including limited geometric accuracy, line-of-sight obstruction, and mismatch of the view angle with the surgeon??s-eye view. This paper presents the development and characterization of a novel tracker configuration (referred to as ??Tracker-on-C??) intended to address such limitations by incorporating the tracker directly on the gantry of a mobile C-arm for fluoroscopy and cone-beam CT (CBCT).

Methods

A video-based tracker (MicronTracker, Claron Technology Inc., Toronto, ON, Canada) was mounted on the gantry of a prototype mobile isocentric C-arm next to the flat-panel detector. To maintain registration within a dynamically moving reference frame (due to rotation of the C-arm), a reference marker consisting of 6 faces (referred to as a ??hex-face marker??) was developed to give visibility across the full range of C-arm rotation. Three primary functionalities were investigated: surgical tracking, generation of digitally reconstructed radiographs (DRRs) from the perspective of a tracked tool or the current C-arm angle, and augmentation of the tracker video scene with image, DRR, and planning data. Target registration error (TRE) was measured in comparison with the same tracker implemented in a conventional in-room configuration. Graphics processing unit (GPU)-accelerated DRRs were generated in real time as an assistant to C-arm positioning (i.e., positioning the C-arm such that target anatomy is in the field-of-view (FOV)), radiographic search (i.e., a virtual X-ray projection preview of target anatomy without X-ray exposure), and localization (i.e., visualizing the location of the surgical target or planning data). Video augmentation included superimposing tracker data, the X-ray FOV, DRRs, planning data, preoperative images, and/or intraoperative CBCT onto the video scene. Geometric accuracy was quantitatively evaluated in each case, and qualitative assessment of clinical feasibility was analyzed by an experienced and fellowship-trained orthopedic spine surgeon within a clinically realistic surgical setup of the Tracker-on-C.

Results

The Tracker-on-C configuration demonstrated improved TRE (0.87 ± 0.25)?mm in comparison with a conventional in-room tracker setup (1.92 ± 0.71)?mm (p Conclusions The proposed tracker configuration demonstrated sub-?mm TRE from the dynamic reference frame of a rotational C-arm through the use of the multi-face reference marker. Real-time DRRs and video augmentation from a natural perspective over the operating table assisted C-arm setup, simplified radiographic search and localization, and reduced fluoroscopy time. Incorporation of the proposed tracker configuration with C-arm CBCT guidance has the potential to simplify intraoperative registration, improve geometric accuracy, enhance visualization, and reduce radiation exposure.