深度卷积神经网络在放射治疗计划图像分割中的应用

目的:结合全卷积神经网络(Fully Convolutional Network,FCN)和多孔卷积(Atrous Convolution,AC)的深度学习方法,实现放射治疗计划图像的组织器官自动勾画。方法:选取122套已经由放疗医师勾画好正常器官结构轮廓的胸部患者CT图像,以其中71套图像(8 532张轴向切层图像)作为训练集,31套图像(5 559张轴向切层图像)作为验证集,20套图像(3 589张轴向切层图像)作为测试集。选取5种公开的FCN网络模型,并结合FCN和AC算法形成3种改进的深度卷积神经网络,即带孔全卷积神经网络(Dilation Fully Convolutional Network,D-FCN)。分别以训练集图像对上述8种网络进行调优训练,使用验证集图像在训练过程中对8种神经网络进行器官自动识别勾画验证,以获取各网络的最佳分割模型,最后使用测试集图像对充分训练后获取的最佳分割模型进行勾画测试,比较自动勾画与医师勾画的相似度系数(Dice)评价各模型的图像分割能力。结果:使用训练图像集进行充分调优训练后,实验的各个神经网络均表现出较好的自动图像分割能力,其中改进的D-FCN 4s网络模型在测试实验中具有最佳的自动分割效果,其全局Dice为94.38%,左肺、右肺、心包、气管和食道等单个结构自动勾画的Dice分别为96.49%、96.75%、86.27%、61.51%和65.63%。结论:提出了一种改进型全卷积神经网络D-FCN,实验测试表明该网络模型可以有效地提高胸部放疗计划图像的自动分割精度,并可同时进行多目标的自动分割。     

放射治疗计划系统剂量跳数计算的独立验证

背景与目的:保证放射治疗计划剂量计算的准确性是放射治疗质量保证的重要内容.本实验验证一种第三方计算软件和3D-TPS的MU计算精度,测试和探讨放射治疗计划独立验证的可行性和可靠性.方法:在TPS中使用均匀模体,根据IAEA第430号技术报告设计开野、挡块野、楔形野和MLC不规则野等测试计划.(1)对上述各计划以给定MU执行照射.用电离室在体模内测量执行剂量并将测量结果输入商业QA软件进行MU计算,验证独立计算的精度.(2)分别以指形电离室在直线加速器上直接测量和QA独立计算软件两种方法验证上述计划的执行结果,比较两种验证方法的结果差异.结果:(1)所有计划的独立验证软件计算结果与实际测量的偏差为(0.1±0.9)%,同时有挡块和楔形板的射野两者差异最大(为2.0%).(2)所有测试计划的TPS计算相对于独立验算软件计算的MU偏差为(0.6±1.0)%(-0.8%～2.8%);TPS计算与实际测量的相对剂量偏差为(-0.2+1.7)%(-3.9%～2.9%).结论:所测试的独立验证软件的计算误差在临床可接受范围.各测试计划的独立验算与实际测量验证的总体差异不大.该独立验算软件可作为TPS计划质量保证的一种有效工具.     

鼻咽癌调强放疗中解剖结构改变对剂量分布影响研究

目的 利用变形融合与配准技术观察和分析鼻咽癌调强放疗(IMRT)过程中患者体形和几何结构改变及对治疗剂量分布的影响.方法 随机选取实际接受IMRT的鼻咽癌患者10例,利用疗程中重复CT图像,根据初始计划轮廓和变形融合配准软件自动勾画疗程中鼻咽和转移淋巴结大体肿瘤体积(GTVnx、GTVnd)、临床靶体积和危及器官(OAR).分别计算和评估GTVnx、GTVnd 、 OAR体积改变和变化规律,以及剂量参数相对原计划的改变.结果 与治疗前相比,治疗2、4、6周时GTVnx体积分别缩小6.44%、10.23%、9.72%(F=1.34,P=0.278),GTVnd的分别缩小16.59%、30.98%、35.13%(F=9.22,P=0.000),CTV1的分别缩小0.73%、1.86%、1.41%(F=0.33,P=0.722),CTV2的分别缩小-1.78%、-6.47%、-9.34%(F=16.89,P=0.000),左腮腺的分别缩小13.96%、32.97%、37.77%(F=17.17,P=0.000),右腮腺的分别缩小13.56%、29.57%、35.63%(F=13.49,P=0.000).与计划的分次剂量相比,治疗2、4、6周时GTVnx平均剂量变化率分别为-0.39%、0.08%、0.32%(F=0.15,P=0.860),GTVnd的分别为0.53%、1.19%、0.69%(F=0.81,P=0.455),脊髓的分别为1.95%、2.70%、3.78%(F=0.61,P=0.552),脑干的分别为0.32%、0.81%、0.62%(F=0.03,P=0.975),左腮腺的分别为4.50%、4.66%、7.20%(F=0.33,P=0.725),右腮腺的分别为2.20%、7.17%、7.12%(F=1.24,P=0.306).结论 鼻咽癌IMRT时GTVnd、CTV2和左右腮腺体积随治疗时间增加明显退缩,而GTV、CTV、脊髓、脑干、腮腺分次剂量随治疗时间增加变化不大,但最终还须加大样本量研究证实.     

射野验证片分析软件对头颈部肿瘤放射治疗摆位误差分析的应用价值

目的:使用自行研制的射野验证软件(EMRT)对头颈肿瘤放疗的摆位误差进行分析,探讨其实际应用价值.方法:将接受头颈部放射治疗的35例患者模拟定位和治疗摆位的射野验证照片,扫描输入EMRT软件进行中心点摆位误差分析,并与常规人工方法分析的摆位误差相比较.结果:35例患者的射野中心点在X轴的摆位误差,采用EMRT软件及常规人工方法进行分析的结果相似[(1.36±1.60) mm vs (1.37±1.72) mm,t=0.18,P=0.86],而在Y轴的摆位误差的结果也相似[(0.59±1.85) mm vs (0.53±1.89) mm,t=1.30,P=0.20].结论:与常规人工方法相比较,采用EMRT软件进行头颈部肿瘤放射治疗摆位误差分析方法简便、结果可靠,可作为头颈部肿瘤放射治疗摆位验证的快速工具.     

调强放疗靶区邻近体表时皮肤受量过高解决方案的探讨

目的 研究头颈部调强放疗在靶区邻近体表时不同计划靶区(PTV)边界的设置对浅表剂量分布的影响,探讨靶区靠近体表皮时皮肤受量过高的解决方案.方法 设计圆柱形的颈部浅表肿瘤模型,采用8MV X线分别作两组逆向调强放疗试验计划.(1)计划组A:设置PTV在体表侧边界为0～5mm,其余方向边界为5mm.(2)计划B:建立取消剂量建成的调强计划优化专用的虚拟治疗机剂量学数据,用虚拟机进行逆向优化设计,再用实际的临床治疗机剂量学数据重新计算计划剂量分布.比较上述各计划浅表区域靶区与皮肤附近的剂量分布随摆位误差变化和临床靶区(CTV)剂量覆盖程度,分析当CTV靠近体表时该侧PTV安全边界的合理设置和依据.结果 (1)计划组A在PTV与皮肤距离d<3mm时,皮肤附近出现明显超出处方剂量的高剂量区,且3mm摆位误差可令高剂量显著增加;适当缩小体表侧PTV边界可以在保证CTV得到处方剂量的同时有效降低浅表高剂量现象.为避免CTV不出现<95%处方剂量的低剂量,体表侧PTV安全边界至少为1mm.(2)计划B方法可以在保证CTV剂量条件下有效消除皮肤附近的高剂量分布.结论 利用适当的设计技巧进行逆向调强计划优化可得到更好的浅表剂量分布.     

图像引导放疗锥束CT与计划CT不同配准方法精度研究

目的 验证CBCT图像引导系统骨性和灰度配准算法的精度和适用范围,为临床提供参考依据。方法 使用仿真人头颈和胸腹体模,模拟三维方向摆位偏移并在完成每次摆位时获取CBCT图像。用IGRT系统的骨性和灰度配准方法分别配准计划CT图像与各次摆位CBCT图像,得到体模在x、y、z方向偏移量。分析两种配准方法的精度和重复性,并行配对t检验。结果 头颈体模骨性和灰度配准在x、y、z轴向的误差分别为(－0.65±0.22) mm和(－0.70±0.17) mm (P=0.00)、(1.02±0.27) mm和(0.90±0.20) mm (P=0.00)、(1.46±0.53) mm和(1.47±0.47) mm (P=0.54);胸腹体模的分别为(0.82±0.33) mm和(0.79±0.18) mm (P=0.03)、(2.45±1.17) mm和(1.61±0.84) mm (P=0.00)、(1.44±3.25) mm和(0.19±1.11) mm (P=0.00)。结论 灰度配准精度和稳定性高于骨性配准,头颈部配准精度稍优于胸腹部,临床使用时应分别进行测试并根据治疗精度要求选择合适方法并修正误差。     

基于电子射野影像装置的容积调强弧形治疗二维剂量验证研究

目的 基于电子射野影像装置(EPID)建立二维剂量精确重建模型并验证容积调强弧形治疗(VIMAT)剂量,与其他测量工具进行比较与分析。方法 采用EPID进行VIMAT的二维剂量验证,基于卷积、反卷积以及修正函数建立二维剂量重建模型。通过电离室测量的离轴比剂量曲线并用最小二乘法确定计算模型参数。对 12例不同部位肿瘤患者的VIMAT计划用电离室测量中心点剂量,采用其他平面剂量测量工具测量相应平面剂量分布。所有工具测量深度均设置为10 cm,并采用γ分析法比较测量结果。结果 对中心点绝对剂量,EPID与电离室测量结果偏差<1.5%。对平面剂量,2%2 mm标准下EPID与Seven29、Matrixx的平均γ通过率分别为98.9%、99.8%,3%3 mm标准下EPID与治疗计划系统计算结果的平均γ通过率为99.9%。结论 基于EPID建立的二维剂量重建模型能很好地用于调强放疗二维剂量验证工作,今后将考虑将该模型拓展到均匀模体的三维剂量验证中。     

初治鼻咽癌VMAT与IMRT的比较评估

目的 比较初治鼻咽癌(NPC)子野式调强放疗(ss-IMRT)和容积调强弧形治疗(VMAT)的计划质量、治疗效率和执行精度,为临床治疗技术的选择提供参考依据。方法 对 26例NPC患者以相同处方剂量和目标条件分别设计9个野ss-IMRT和VMAT计划。比较两种计划剂量分布和剂量适形指数(CI)与均匀性指数(HI),不同危及器官(OAR)的平均剂量、最高剂量或感兴趣剂量体积等,治疗计划执行时间以及治疗计划剂量验证准确性。结果 两种治疗计划均能满足临床剂量要求,VMAT计划的靶区剂量覆盖率略差于ss-IMRT。ss-IMRT和VMAT的CI、HI分别为0.57、0.08和0.48、0.12(t=－4.52、－8.33,P=0.000、0.000)。除脑干外,VMAT计划各OAR的平均剂量和最高剂量均高于ss-IMRT计划(t=－9.57~－3.71,P=0.000~0.001),其中脊髓 D_1cc和腮腺 D_50%的分别平均增高了11.9%和6.5%。ss-IMRT和VMAT治疗时间分别为 803.7 s和389.3 s (t=24.12,P=0.000),VMAT减少了51.6%。ss-IMRT和VMAT的3 mm/3%的γ通过率分别为99.4%和98.0%(t=5.19,P=0.000)。     

局部晚期非小细胞肺癌累及野和选择性淋巴结照射前瞻性随机研究

目的 前瞻性比较局部晚期非小细胞肺癌(LA-NSCLC)采用累及野照射(IFRT)或选择性淋巴结照射(ENI)局部失败的差异及对生存的影响。方法 99例LA-NSCLC经紫杉醇加卡铂化疗2周期后无远处转移患者随机分为IFRT组(45例)或ENI组(54例),IFRT组照射原发病灶、同侧肺门和纵隔阳性淋巴结,ENI组照射原发病灶、同侧肺门、双侧中上纵隔淋巴引流区及双侧锁骨上区。在满足双肺 V₂₀≤35%、脊髓受量≤50 Gy条件下给予尽可能高剂量,每周紫杉醇40 mg/m²放疗增敏。采用Kaplan-Meier法计算生存率并Logrank法检验。结果 随访率为99%,随访时间满1、2、3年者分别为49、29、17例。IFRT组与ENI组放疗剂量>60 Gy的分别占49%和26%(χ²=5.59,P=0.018),局部失败率分别为29%和36%(χ²=0.46,P=0.497),1、2、3年局部无进展生存率分别为76%、69%、65%和80%、53%、49%(χ²=0.74,P=0.389),1、3、5年总生存率分别为80%、41%、33%和69%、32%、13%(χ²=3.97,P=0.046)。两组不良反应相似(χ²=3.91~0.16,P=0.142~0.925)。结论 IFRT较ENI照射剂量高并增加了总生存率,未增加选择性照射区淋巴结复发率,不良反应相近,还需大样本研究。