基于单片机的功能磁共振同步器的设计

目的：设计一种处理功能磁共振成像( fMRI)同步输出信号的同步器,对其解决同步问题的性能进行鉴定。方法fMRI在采集图像数据时,有两种同步信号输出方式：其一,采集一幅完整脑图时,每采集一层图像输出一个同步方波信号;其二,采集完一幅脑图输出一个同步信号。首先设定一幅完整脑图的采集层数,也称同步参数( SP);然后采集第一种同步方波信号,用单片机外部中断方法对第一种同步方波信号的上升沿计数,并保持初始输出为高电平;直到最后一层脑图时,将输出信号置为低电平并延时一段时间。结果同步器成功将第一种同步方波信号处理成第二种同步信号;matlab编程串口程序自动化设定SP,通过串口传输至单片机;结果表明该同步器可自动化设置SP。结论设计的同步器能使某类功能磁共振输出同步信号的同步问题得以解决,设备兼容性得到提升,其自动化设置SP,可减少医护人员的工作量。     

基于CT图像的跨模态转换研究进展

医学图像在临床诊断和治疗上起着至关重要的作用。放射治疗过程中采用计算机体层成像（CT）进行靶区定位和勾画。为了从多个角度获取病变体信息,需利用医学图像多模态的优势。然而,获取多种模态的医学图像是比较耗费资源的,同时无法保证患者状态的一致性。医学图像跨模态转换,可以利用一种模态图像预测另一种模态图像。本文详细综述了基于CT图像的超声图像、磁共振（magnetic resonance,MR）图像、正电子发射计算机断层显像（positron emission tomography,PET）跨模态模型研究,分类阐述了各模型的特点和存在的挑战,指出尚待开展的研究领域。     

一种用于功能磁共振的同步器

目的 功能磁共振（functional magnetic resonance imaging,fMRI）在采集图像数据时,有两种同步信号输出方式：其一,每采集一层图像输出一个同步信号;其二,采集一幅脑图输出一个同步信号.由于第一种输出方式中同步信号过于密集,导致刺激计算机无法及时记录同步信号,从而失去同步.为此本文设计出一种基于复杂可编程逻辑器件（complex programmable logic devices,CPLD）的单参数（同步参数）同步器.方法 采集一幅脑图时,该同步器对第一种同步信号的上升沿进行计数,计数期间输出维持高电平,直到最后一个同步信号到来,才把输出拉低为低电平,从而实现第一种同步信号到第二种同步信号的转换.然后用Quartus 9.1对信号转换进行仿真以验证其功能.结果 经过CPLD处理器后,第一种同步信号被处理成第二种同步信号.此外,基于本设计做出的同步器亦成功应用于GE Sigma3.0T.结论 本文设计了具有同步信号转换能力的同步器,成功实现了输出方式的转变.该同步器达到同步信号转换要求,并具有较好的兼容性.     

三维可视化引导放疗摆位系统的研发及临床应用

目的 开发一种三维可视化技术辅助放疗患者摆位,并对比分析其在乳腺和盆腔放疗中与传统摆位方法的差异。方法 选取2020年6月至2021年4月常州第二人民医院40例放疗患者作为研究对象,其中乳腺、盆腔患者各20例。利用患者定位CT数据进行三维可视化重建,并将三维可视化模型与真实治疗环境融合,通过交互操作使得三维可视化模型位于加速器等中心点,并以此为依据进行实际患者的摆位。每例患者每周先进行传统摆位、再进行三维可视化引导放疗摆位,分3周采集,所有患者共240次摆位数据,以锥形束CT （CBCT）引导的摆位作为金标准进行比较。结果 乳腺患者和盆腔患者三维可视化引导摆位x、y、z轴摆位误差绝对值后分别为（1.92±1.23）、（2.04±1.16）、（1.77±1.37） mm和（2.07±1.08）、（1.33±0.88）、（1.99±1.25） mm,各轴精度较传统摆位分别提高了38.83%、52.40%、33%和36.84%、54.04%、52.58%,y、z轴上的差异具有统计学意义（t=2.956~5.734,P<0.05）。同时,对于乳腺患者,两种摆位方法y方向误差分布具有统计学意义（χ²=7.481,P<0.05）,对于盆腔患者,两种摆位方法在各轴的误差分布差异均有统计学意义（χ²=5.900、6.415、7.200,P<0.05）。结论 三维可视化技术引导放疗摆位方法有效提高了乳腺和盆腔患者的摆位精度,具有潜在的临床应用价值。     

基于卷积神经网络生成虚拟平扫CT图像

目的 针对增强CT图像,采用U-Net卷积神经网络（CNN）方法生成虚拟平扫CT图像,比较其与增强CT和实际平扫CT图像的差异。方法 纳入50例于同次检查中接受平扫及增强CT扫描患者,记录其容积CT剂量指数（CTDIvol）。以40例CT数据为训练集,输入增强CT图像后,以对应的平扫CT图像作为输出,用于训练U-Net神经网络;以其余10例数据作为测试集,通过训练完成的U-Net生成虚拟平扫CT图像。比较虚拟平扫CT与实际平扫及增强CT的图像及参数差异。结果 50例平扫CT平均CTDIvol为（11.67±0.51） mGy,增强CT平均CTDIvol为（13.46±0.76） mGy;采用虚拟平扫CT图像可使平均辐射剂量减少46.44%。增强与平扫CT图像的平均绝对偏差（MAE）为（32.28±2.64） HU,结构相似度（SSIM）为0.82±0.05;虚拟平扫CT与平扫CT图像的MAE为（6.72±1.31） HU,SSIM为0.98±0.02。虚拟平扫CT与平扫CT图像所示主要组织的CT值差异均无统计学意义（P均>0.05）。结论 针对增强CT基于U-Net神经网络生成的虚拟平扫CT图像与实际平扫CT图像的一致性较好,可由此减少CT扫描次数、降低辐射剂量。     

对金属植入物模体不同剂量计算方法研究

目的 分析比较含有金属植入物的12-bit和16-bit CT图像应用不同算法下剂量的差异。方法 将钛合金棒插入模体中,CT下进行扫描,重建图像得到12-bit和16-bit图像。通过网络传输到Monaco计划系统,设计一个0°的单野,分别用PB算法,CC算法和MC算法计算剂量分布;扩展CT-ED曲线,重新计算剂量。使用Matlab 8.3数据处理软件获取沿射野方向通过金属植入物中心点的深度剂量曲线,对比12-bit和16-bit图像不同算法的剂量分布曲线和距金属植入物入射面与出射面不同距离处的剂量差异。并使用指形电离室进行测量。结果 16-bit CT图像能准确读出金属植入物的CT值,扩展CT-ED曲线后,相对于MC算法,PB算法在金属植入物入射面的剂量降低了5.43%,而在出射面处剂量升高了25.56%,在出射面后方剂量比MC算法结果高。CC算法降低了金属植入物入射面的剂量达4.5%,出射面处的剂量降低了4.31%,在出射面后方降低的更多。MC算法的计算值与测量值最接近。结论 对含有金属植入物的放疗患者,使用16-bit CT图像并扩展治疗计划系统的CT-ED曲线,并利用MC算法可以提高剂量计算的精确度。     

放疗中基于双任务循环网络的单投影重建胸部CT方法研究北大核心CSCD

目的基于cycleGAN建立双任务循环网络,实现基于单角度投影的三维CT合成模型用于胸部肿瘤的自适应放疗,并评估图像生成质量和剂量精度。方法收集南京医科大学附属常州第二人民医院收治的胸部肿瘤容积弧形调强放射治疗(VMAT)患者45例,并筛选公共数据集图像991例作为预训练数据集,使用ASTRA算法获取多角度投影图像。公共数据集划分为训练集800例、验证集160例和测试集31例,医院患者数据划分为训练集40例、测试集5例。分别输入合成CT模型和多角度投影预测模型,实现双任务的训练。最终测试仅使用合成CT模型获取预测CT图像进行图像生成质量[包括平均绝对误差(MAE)、峰值信噪比(PSNR)和结构相似性指数(SSIM)]以及剂量学评估。结果合成CT的图像质量评估指标显示,图像合成精度较高,MAE为0.05±0.01,PSNR为19.08±1.69,SSIM为0.75±0.04。基于合成CT计算的放疗剂量分布也与真实分布接近,3%/3 mm标准下γ通过率平均为93.1%。结论由cycleGAN修改的双任务循环网络,可以快速准确地从单角度投影预测三维CT,可以应用于胸部肿瘤自适应放疗的工作流程。图像生成质量和剂量学的评估均显示合成CT质量可以满足放疗的临床要求。     

四维超声对前列腺运动靶体积分辨能力的研究

目的 探究四维(4D)超声对运动靶体积分辨能力。方法 选用前列腺超声模型,分组对比研究应用4D超声在不同运动振幅(A)及运动周期(T)下勾画前列腺靶区,模拟A值分别设置为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mm,t值设为1、2、3、4s。分别计算模体前列腺靶体积,并以靶区静止时超声图像作为对照,分析两者间差异。结果 模体静止时超声靶体积与CT靶体积大小有较高一致性(P>0.05)。A值为0.5、1.0 mm,t值为1~4s时的体积与静止时超声靶体积相近(均P>0.05);A值为2.0、3.0 mm,t值为1~3s时靶体积与静止时超声靶体积不同(均P<0.05)。A值为2.0 mm,t值为4s时靶体积与静止时超声靶体积相近(P=0.710),组内极差为6.7cm³,标准差为1.15cm³;A值为3.0 mm,t值为4.0s时靶体积重复性差,组内极差为14.4cm³;A值为4.0、5.0 mm,t值为1~4s时组内极差分别为3.27~17.63cm³、6.51~21.02cm³。各周期下靶体积重复性很差,不能满足临床要求。结论 4D维超声可在患者运动周期1~4s内、运动幅度≤1 mm内为患者靶区勾画提供可靠参考数据,探头初始位置无影响。     

乳腺癌术后锁骨上淋巴引流区不同照射方式剂量学比较及其对生活质量的影响

目的探讨乳腺癌术后乳腺(或胸壁)和锁骨上淋巴引流区整体化调强放疗和分段放疗的剂量学特点。方法根据116例乳腺癌术后患者锁骨上淋巴引流区放疗方式的不同,将患者分为整体调强组(58例)和分段放疗组(58例),观察2组患者皮肤损伤及患侧肩关节活动情况。随机选取10例患者(改良根治术5例,保乳术5例),分别制定锁骨上淋巴引流区调强计划和X线、电子线混合照射计划,对2组计划靶区的适形度、均匀性以及肱骨头受照剂量进行比较。结果 116患者均健康存活,整体调强组有3例患者出现与放疗有关的肩关节症状,分段放疗组未发现与放疗有关的肩关节症状。调强放疗靶区的适形度、均匀性和肱骨头受照剂量比较,差异均有统计学意义(P=0.000)。结论乳腺癌术后锁骨上淋巴引流区调强放疗靶区的适形度、均匀性好于X线、电子线混合照射,肱骨头受照剂量高于X线、电子线混合照射。调强放疗有可能引起肩关节放射性损伤从而影响生活质量。     

放疗中基于超声形变场获取伪计算机断层扫描图像的研究

目的 提出一种改良的基于超声(US)形变场下获得伪CT图像(CTps)方法。方法 选用3例术后宫颈癌患者CT与三维US图像数据,包括模拟定位阶段获取的CT与US图像,以及治疗1周后摆位验证阶段获取的锥形束CT (CBCT)与US图像。制作基于两幅US图像全局成像重叠区域(OROW)的掩模和感兴趣区域重叠部分(OROI)的掩模,并分别应用于US图像间的配准中,得到两种形变场。分别将两种形变场应用于模拟CT图像得到两种CTps,比较不同CTps与CBCT的配准精度。结果 基于OROI、OROW及不加任何掩模下所得CTps与CBCT的相关系数(CC)的平均值分别为0.95、0.82及0.64,归一化灰度均方根误差(NMSE)平均值分别为0.12、0.42及0.57。结论 基于OROI所得掩模下获取的US形变场应用到CTsim时获得的CTps与CBCT的配准效果最好。