基于自动勾画和快速蒙特卡罗计算的放射治疗全身器官剂量数据库平台的可行性研究

目的:探讨建立一种放射治疗全身器官剂量数据库平台的可行性。方法:使用基于深度学习的自动勾画软件DeepViewer?1例食管癌患者的全身CT上勾画全身器官，然后利用基于GPU加速的蒙特卡罗软件ARCHER计算相应的器官剂量分布，最后利用Lyman-Kutcher-Burman（LKB）模型评估放疗患者正常组织并发症概率（NTCP）。结果:针对该病例，成功建立基于DeepViewer?ARCHER和LKB模型的全身器官剂量数据库，发现距离靶区越近的器官剂量越大，其中心脏与靶区间距离最小，剂量为14.11 Gy，但因其模型参数特殊，通过LKB模型计算的NTCP为0.00%；左、右肺的剂量分别为3.19和1.16 Gy，但是NTCP值却很大，分别为2.13%和1.60%。对于距离靶区较远的头颈部器官（视交叉、视神经和眼）和腹部器官（直肠、膀胱和股骨头）剂量分别约为9和2 mGy，并且NTCP均近似为0.00%。结论:研究结果证明通过自动勾画软件DeepViewer?蒙特卡罗软件ARCHER和LKB模型建立全身器官剂量数据库的可行性。     

针对射程不确定性的质子调强放疗鲁棒优化方法

目的 因治疗精度高、副作用小,质子调强放疗(IMPT)成为放疗领域的研究热点,但其精度对射程变化非常敏感。本研究提出一种针对射程不确定性的IMPT鲁棒优化方法用于减小射程偏差对放疗计划的影响。方法 首先建立鲁棒优化模型,目标函数采用二次型函数表达式,其中包含3种射程:射程增加、射程正常、射程缩短;每种射程对应的器官剂量贡献矩阵采用质子笔形束算法计算得到。对射程偏差进行离散化,每个射程的发生概率基于高斯分布函数得到。最后采用共轭梯度法优化出最优解,最优解使得靶区和危及器官实际剂量分布在射程偏差内尽量达到期望剂量。结果 采用AAPM TG-119号报告的3套模拟例题测试本研究方法的有效性:鼻咽癌病例、前列腺病例和“C”型病例。与常规IMPT优化结果对比,发现该方法对射程不确定性的敏感性更低。射程发生偏差时,鼻咽癌病例和前列腺病例的靶区和危及器官基本达到期望剂量,“C”型病例的靶区高剂量覆盖率和危及器官保护都有了提高。结论 针对射程不确定性,该方法可得到更高的靶区覆盖率,同时降低危及器官剂量。     

基于掩膜优化的多模态医学图像刚性配准

目的:基于配准开源平台ITK和开源计算机显示视觉库OpenCV开发刚性配准程序,并集成到DeepPlan计划系统中,实现快速准确的多模态刚性配准。方法:基于形态学开运算初步去除图像中无需关注的细小区域和部分扫描床,使用最大类间方差法(Otsu)突出感兴趣的图像部位,Canny算子用于提取富含信息区域的边界信息。使用像素填充技术得到图像配准需要的掩膜,并采用OpenMP并行技术加速掩膜计算过程。最终在配准过程中将掩膜作用于参考图像或浮动图像。结果:测试了多组不同模态和部位的算例,实验结果表明基于掩膜优化的多模态医学图像刚性配准方法可以自动去除绝大部分背景图像和扫描床板,节约图像配准中一半以上时间,且图像配准质量并无下降;在1 min内可以完成两组100张左右的图像配准。且本方法以动态链接库的形式成功集成在治疗计划系统DeepPlan中。结论:在保证配准结果准确的基础上,基于掩膜优化的多模态医学图像刚性配准方法显著提高了图像配准速度,且算法稳定性能高,有很好的临床应用前景。     

螺旋断层放疗在全脑照射保护海马回区计划中的影响因素

目的:研究螺旋断层放疗（HT）在全脑照射保护海马回区（HS-WBRT）计划中各项参数对结果的影响。方法:选取8例行HS-WBRT的患者,在瓦里安Eclipse 13.5医生工作站进行靶区和危及器官的勾画,左右海马基于CT图像和MR图像融合勾画,同时外扩5 mm作为海马减量区,靶区为全脑减去海马回区均匀外扩5 mm的区域,危及器官包括海马回区、海马减量区、眼球和晶体。将勾画好的结构和图像传至HT物理师工作站进行计划设计,处方剂量25 Gy/10 F,射野宽度（FW）分别选择1.0、2.5、5.0 cm,螺距（Pitch）分别选择0.215、0.287、0.430,调制因子（MF）分别选择1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0,剂量计算网格（0.195 cm×0.195 cm）,其余计划参数都保持一致,分别设计不同组合参数的计划。最后统计分析不同计划参数对靶区及危及器官的剂量分布及执行效率的影响。结果:使用不同参数制作的计划均满足临床要求。通过比较不同FW、Pitch和MF对靶区及危及器官的影响,FW和MF影响最大,Pitch无影响。从计划质量考虑,FW为1.0 cm时剂量分布最佳,FW为2.5 cm时次之,FW为5 cm时最差;从治疗效率考虑,FW为5 cm时效率最高,FW为2.5 cm时效率次之,FW为1.0 cm时最差。当FW为1.0 cm时,MF选择2.5左右最佳;当FW为2.5 cm,MF选择4左右最佳;当FW为5 cm时,MF选择4左右最佳;此时减小MF会降低计划质量,而增大MF对改善剂量分布无意义,仅会增加治疗出束时间,降低治疗效率。结论:在进行HS-WBRT的计划设计中,需根据临床要求选择合适的计划参数。当临床侧重计划质量时,可选择FW为1 cm或2.5 cm,此时MF选择对应的2.5左右或4左右最佳;当侧重治疗效率时,可选择FW为5.0 cm或2.5 cm,此时MF选择4左右最佳;当兼顾计划质量和执行效率时,可选择FW为2.5 cm,此时MF选择4左右最佳,实现计划质量和治疗效率的平衡。     

螺旋断层固定野和旋转调强放疗技术在全身照射中的应用对比研究

目的 探究使用螺旋断层固定野调强（TD）和螺旋断层旋转调强（HT）放射治疗技术在全身照射（TBI）中的应用对比,并评估TD治疗技术下计划的质量和执行效率,指导临床选择最佳的计划设计方案。方法 对郑州大学第一附属医院收治的8例身高在120 cm左右的已行TBI的急性白血病患者进行回顾性研究,分别选择TD和HT治疗技术进行计划设计,其中TD分别设计2~12内奇数个均分射野的计划,且起始角度分别从180°和0°开始,其余计划参数都保持一致。最后对设计好的计划剂量分布进行统计,比较TD与HT治疗技术下的计划在靶区的平均剂量（PTV_Dmean）、均匀性指数（HI）和危及器官（OARs）受量,以评估计划质量,并比较治疗出束时间以评估治疗效率。结果 9野的TD计划相对于HT计划在PTV_Dmean和靶区HI能达到一致效果,差异无统计学意义。但TD<9野的计划相对于HT计划在PTV_Dmean（t=-3.12、-5.41、-20.33、-4.56、-7.22、-11.27,P<0.05）和靶区HI（t=-2.94、-5.18、-15.66、-4.31、-5.51、-9.13,P<0.05）无剂量学优势,差异有统计学意义。同时TD计划中起始角度对PTV_Dmean和靶区HI没有影响。在危及器官方面,≥ 7野TD计划与HT计划在左肺平均剂量与右肺平均剂量差异无统计学意义;左眼晶状体计划危及体积（PRV）的最大剂量（2.14±0.60）Gy与右眼晶状体PRV最大剂量（3.05±0.10）Gy在3野TD计划与HT计划差异有统计学意义（t=0.77、0.63,P<0.05）,眼晶状体PRV在最大剂量方面具有一定优势。治疗出束时间差异无统计学意义。TD计划中起始角度对左右眼晶状体PRV最大剂量、左肺平均剂量及治疗出束时间没有影响。结论 对于≥ 9野的TD调强计划相对于HT计划在靶区、危及器官及治疗出束时间方面能达到一致的结果,但在眼晶状体PRV最大剂量方面具有一定优势。     

螺旋断层全身皮肤照射治疗的研究进展

皮肤T细胞淋巴瘤是一组相对罕见的主要表现在皮肤的成熟T细胞淋巴瘤,其常见的亚型是蕈样肉芽肿（俗称蕈样霉菌病）。电子线全身照射作为重要的常规治疗手段之一,却存在着剂量分布不均、体位重复差、治疗时间过长等诸多缺点,从而影响疗效及患者预后。近年随着螺旋断层放疗系统的出现与逐步普及,越来越多的单位凭借其能治疗超长靶区和实现剂量雕刻式分布的特点,正逐步扩展其在全身皮肤照射治疗中的应用,以便进一步探讨其优劣并确认是否能取代传统电子线全身照射。本文对螺旋断层全身皮肤照射治疗的研究进展做一综述,介绍其治疗技术的发展、临床治疗效果及目前存在的顾虑和争议。     

CT/MRI混合配准方法及其在放疗计划系统中的应用

旨在研究放疗中图像配准方法,特别是针对放疗中常用的CT、MRI,提出基于混合框架的配准方法,该方法主要包 括两个方面:（1）采用掩膜（Mask）提取感兴趣区域、形态学运算等图像处理方法以及CPU多线程并行技术,大幅度提高配 准速度;（2）采用由全局到局部的混合配准策略,首先利用基于仿射变换的刚性配准整体配准,以防止图像间偏差过大,在 此基础上针对感兴趣区域采用B样条弹性配准,调整局部形变。通过实验表明,采用预处理及加速策略的刚性配准,在保 持其精度的情况下,提速比可达10倍,测试结果已达到临床需求;此外,采用基于GPU加速的混合配准策略,其配准速度 提至约4 min。     

质子放疗计划解析与传输软件开发

目的:开发一款精确、高效、跨平台的质子放疗计划解析与传输软件,为质子放射治疗临床数据解析与传输提供解决方案。方法:分析放疗医学数字成像和通讯标准,采用面向对象方法设计软件流程,利用QT开发框架搭建软件界面,根据SOAP协议开发基于Web Service的数据解析与传输的应用程序接口(API)。结果:开发出质子放疗计划解析与传输软件P-Viewer,测试了20组不同质子放疗计划,CT、MRI、PET、RTImage、RTIon Plan、RTStructure Set等文件解析速度平均为0.01 s,RTDose文件解析速度平均为0.05 s,不同设备之间数据传输速度随带宽增加而提升;P-Viewer解析结果与主流DICOM解析软件Sante DICOM HEX Viewer等对比,准确率达100%。结论:P-Viewer为质子放射治疗计划解析与传输提供了一套准确可靠的跨平台解决方案。     

基于蒙特卡罗和CT数据体素模型的双能X射线吸收法腰椎骨密度成像参数优化

目的 研究双能X射线吸收法（DXA）腰椎成像过程并优化成像参数,为提高双能X射线骨密度仪的成像质量提供理论依据。方法 采用蒙特卡罗方法,构建基于计算机断层扫描数据（CT）的体素模型,利用模拟产生的高低能X射线能谱,分别照射体素模型腰椎部位得到骨密度图像,计算每幅图像的品质因数（FOM）。根据FOM大小优化高低能管电压组合、过滤铜片厚度以及入射粒子数比值。结果 FOM在管电压组合为75与200 kVp达到最低值1.59×10^-2。当过滤铜片厚度由0 mm增加至3 mm时,FOM数值从6.30×10^-2下降到1.87×10^-2,且下降趋势逐渐变缓。随着低能与高能的入射粒子数比从1∶3增加到19∶1,FOM先降低后升高,在3∶1时达到最低值1.40×10^-2。结论 低能管电压为70~85 kVp,高能管电压为160~200 kVp,产生高能能谱时额外添加过滤铜片厚度0.3 mm,入射粒子数比值（低能/高能）为1~5时,能在获得较好的DXA腰椎图像质量的同时使患者受到较小的辐射剂量。     

螺旋断层调强放疗靶区外沿纵向剂量跌落及影响因素研究

目的研究螺旋断层调强放疗(HT)靶区外沿纵向剂量跌落的变化规律及影响因素,以便对临床关于计划衔接、靶区预处理以及执行效率等方面的应用进行指导。方法回顾性选取2019年12月份郑州大学第一附属医院放射治疗部收治的8例头颈部肿瘤患者资料作为研究对象,使用德国西门子SOMATOM Definition AS大孔径定位CT在获得层厚为1 mm的头颈部图像中勾画计划靶区和剂量跌落结构。在计划设计时射野宽度(FW)分别选择5.0、2.5和1.0 cm,螺距分布选择0.430、0.287和0.215,调制因子使用默认值1.8,剂量计算网格选择最精细0.195 cm×0.195 cm,其余计划参数都保持一致。按照不同参数分别进行计划设计,并将结果进行单因素方差统计分析。结果研究显示同一射野宽度下不同螺距变化曲线重合,因而螺距对剂量跌落没有影响,不同射野宽度变化曲线相互独立说明射野宽度对纵轴双向剂量跌落有影响,靶区外沿纵向的剂量跌落速度与射野宽度成反相关系:即射野宽度越大剂量跌落速度越慢,半影区越大;反之射野宽度越小剂量跌落速度越快,半影区越小。当剂量跌落至处方剂量50%时距靶区纵向边界的距离近似约等于射野宽度一半,而对于距靶区边界不同距离处的剂量值可通过拟合公式计算得到。射野宽度和螺距对靶区的适形度指数(CI)和均匀性指数(HI)影响较小,相对而言射野宽度为2.5 cm时靶区最佳。总治疗出束时间随射野宽度和螺距的增大而逐步降低。结论当靶区分段治疗需要考虑计划衔接、执行效率及沿纵向剂量跌落控制时,可选择最佳的射野宽度、螺距等计划参数或根据纵向剂量跌落公式对衔接处靶区进行内收处理,以达到理想的剂量分布。