GATE在核医学成像和放射治疗中的蒙特卡洛模拟

目的:探讨GATE在核医学成像SPECT和PET、光子和质子放射治疗中的蒙特卡洛模拟,并利用GATE平台研究碳纤维床板对光子放疗时剂量的影响。方法:首先模拟运行GATE V6.1提供的三个例子,分别对应于SPECT、PET和RT,其中RT又分为光子治疗和质子治疗。对SPECT和PET模拟中光子的散射情况进行统计分析,详细比较RT模拟中光子束和质子束在水模体中的能量沉积特性。然后在GATE平台上编程模拟了光子治疗束分别在有碳纤维床板和无床板时射入水模体中,比较并分析这两种情况下水模体中的剂量分布差异。结果:GATE V6.1的三个例子模拟中,SPECT中的未散射光子稳定在36%左右,PET中未散射的真符合计数稳定在44.5%左右,RT模拟中质子相比于光子在深度方向上有明显的剂量分布优势,而光子在横向方向的剂量分布稍好于质子。在碳纤维床板对光子放疗时剂量影响的模拟中,有碳纤维床板相对于无床板时,水模体的表层剂量有明显的提高。结论:GATE能够稳定准确的对核医学成像SPECT和PET及放射治疗过程进行蒙特卡洛模拟。它可以为放射治疗剂量验证、临床放射治疗计划以及核医学成像引导放射治疗的研究提供强大帮助。     

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。     

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。     

16-bit CT图像读取金属植入物CT值的应用

目的 探讨16-bit CT图像在读取金属植入物CT值中的应用价值。方法 于模体中间分别插入一圆柱形铝棒、钛合金棒和不锈钢棒,对模体进行CT扫描,对图像重建获得12-bit和16-bit CT图像。分析并比较3种金属棒的12-bit和16-bit图像及其CT值。结果 对于同种金属棒,12-bit图像和16-bit图像显示效果基本相同。铝棒周围未显示出伪影;钛合金棒周围有较明显的放射状伪影;不锈钢棒周围有严重伪影。3种金属棒内部的显示无明显差异。12-bit和16-bit图像中,铝棒的最大CT值分别为2 159 HU和2 150 HU,平均CT值分别为2 026 HU、2 021 HU;钛合金棒的最大CT值分别为3 071 HU和6 950 HU,平均CT值分别为3 071 HU、5 957 HU;不锈钢棒的最大CT值分别为3 071 HU和12 060 HU,平均CT值分别为3 071 HU、9 397 HU。结论 16-bit的CT图像能够显示体内金属植入物的CT值分布,分辨出铝、钛合金或不锈钢的金属植入物。     

CT和锥形束CT配准范围与精度关系研究

目的 研究锥形束CT（CBCT）图像和CT图像的配准范围对配准精度的影响。方法 对腹部、头部和胸部各5位患者分别进行CBCT和CT扫描，将扫描后各部位图像的配准范围处理成4种模式，模式1为CT配准范围大于CBCT配准范围；模式2为CBCT与CT配准范围相同；模式3是将模式2的CT平移5 cm；模式4是将模式2的CBCT和CT两边同时减少2 cm。4种模式均使用图像分割与配准工具包进行配准，比较4种模式配准后的平均方差测度值，并分析模式2与其他3种模式的关系。结果 平均方差测度值模式3最大，其次是模式1，最小的是模式2和4，且模式2和4的平均方差测度值几乎相等（P>0.05）。对于各部位的模式2与模式1比较，差异有统计学意义（t=-4.586、-4.164、-5.618，P<0.05）；模式2与模式3比较，差异有统计学意义（t=-6.423、-8.109、-19.601，P<0.05）。结论 CBCT和CT图像的配准范围对图像配准精度有一定的影响，CBCT的配准范围与CT的配准范围越接近，配准精度越高。     

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。     

锥形束CT扫描角度及中心位置对模体靶区的影响

目的观察锥形束CT(CBCT)扫描机架角度及中心位置对模体中植入物体积及CT值的影响。方法于非均匀模体中插入均匀圆柱棒,以其中心为扫描中心,机架旋转360°扫描模体,分别在X、Y、Z方向上移动将扫描中心2.5、5.0、7.5和10.0 cm,或机架分别沿顺时针和逆时针方向旋转20°,间隔20°,于180°~360°进行重复扫描。重建图像,比较各组图像中植入物体积或CT值。结果植入物体积随扫描中心在X方向偏移距离增大而增大,Y方向偏移距离增大而缩小(P均<0.05),随Z方向偏移距离而变化(F=2919.88,P<0.01)。各扫描角度植入物体积不同,360°图像植入物体积大于其他角度(P均<0.05)。360°图像CBCT图像中植入物均大于其他角度(P均<0.05)。结论CBCT扫描时机架旋转角度及扫描中心与靶区的相对关系对模体靶区体积及CT值存在一定影响,机架旋转360°进行扫描,并以扫描中心即计划中心为靶区中心为计划设计的最佳选择。     

Delta-4探测MLC细小位置偏差敏感性研究

目的 研究Delta-4对MLC细小位置误差的探测敏感性。方法 利用瓦里安Trubeam型直线加速器配置EPID对MLC模拟细小位置偏差能力进行测量。设置2.0 cm (x)×6.0 cm (y)、7.0 cm (x)×6.0 cm (y)2个射野,MLC的x₁、x₂方向同时分别外扩0.1、0.2、0.3……0.9 mm和1.0、2.0……5.0 mm,使用3 mm 3%、2.5 mm2.5%、2 mm 2%、1.5 mm1.5%和1 mm1%标准γ分析。分析Delta-4测量的相对应剂量分布与TPS计算MLC位置不变时的剂量分布间差异。结果 Trubeam型直线加速器MLC具有移动丝米级位置能力。2.0 cm (x)×6.0 cm (y)射野2.5 mm2.5%标准下γ通过率100%,在MLC的x₁、x₂方向各打开0.3 mm时γ通过率下降至95.9%,打开0.5 mm时γ通过率下降至89.4%。7.0 cm (x)×6.0 cm (y)射野1.5 mm1.5%标准下γ通过率为96.5%,x₁、x₂方向各打开0.3 mm时γ通过率下降至95%以下,在打开3.0 mm内γ通过率都>90%。结论 适当提高γ分析标准有可能会改善Delta-4探测MLC位置细小偏差的敏感性,但不能对所有MLC丝米级位置误差探测出来。对不同大小射野,建议Delta-4选择不同分析标准。