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

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...     

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。     

乳腺癌放疗中扇形束CT和锥形束CT图像引导放疗的比较研究

目的 比较乳腺癌保乳术后放疗过程中应用扇形束CT(fan beam CT,FBCT)和锥形束CT(cone beam CT,CBCT)图像引导放疗（image-guided radiation therapy,IGRT）方式的摆位误差、时间效率及患者满意度,探索临床更优图像引导方式。方法 按照治疗时间顺序顺位选取河南省人民医院2021年5月至2022年2月20例采用配备FBCT图像验证系统的联影加速器（FBCT组：左乳10例,右乳10例）和20例采用医科达加速器（CBCT组：左乳10例,右乳10例）行乳腺癌保乳术后调强放疗的患者。利用2种位置验证方式对患者进行图像引导,由2名主管技师共同配准后,记录配准误差及图像引导所需时间后进行治疗。回收分析两组患者的满意度调查问卷。结果 FBCT组（133次FBCT扫描）图像引导配准后,左右、头脚和腹背方向的摆位误差分别为（-0.065±0.265）mm、（-0.007±0.263）mm和（-0.119±0.266）mm,CBCT组左右、头脚和腹背方向的摆位误差分别为（-0.033±0.312）mm、（0.083±0.344）mm和（-0.183±...     

基于生成对抗网络的鼻咽癌患者伪CT合成方法研究

目的 研究利用生成对抗网络(GAN)建立头颈部肿瘤MRI图像与CT图像的映射模型,实现MRI引导放疗中伪CT (sCT)的预测生成。方法 收集45例鼻咽癌患者治疗前影像信息与IMRT计划信息。首先对MRI (T1)和CT图像进行刚性配准、裁剪、去背景、数据增强等预处理操作;其次对病例进行GAN训练,随机选取30例作为训练集放入网络进行建模学习,另15例用于测试。比较预测sCT与真实CT的图像质量,以及后续比较预测sCT进行重计算的剂量分布与真实计划的剂量分布。结果 测试集的预测sCT与实际CT图像质量比较显示,二者误差较小,体素平均绝对误差值为(79.15±11.37) HU,结构相似性系数值为0.83±0.03。sCT重计算的剂量分布与实际剂量较为接近,不同区域水平下的MAE值相对处方剂量均<1%。在2mm/2%、3mm/3%准则下,所有病例sCT重计算剂量分布的γ通过率均>92%、>98%。结论 提出并实现了使用GAN进行鼻咽癌患者sCT的生成,为MR-IGRT实施奠定了基础。图像质量与剂量学比较均显示了方法的可行性与准确性。     

CBCT引导前列腺癌IMRT图像配准及靶区外放边界分析

目的 通过分析千伏级CBCT引导前列腺癌IMRT的数据,为选择合理的图像配准方法和适宜的外放边界提供临床依据。方法 针对 16例接受根治性IMRT的前列腺癌患者,共行CBCT在线校正治疗体位214次。采用常规皮肤标记激光对位后采集图像,将所获得CBCT图像与计划CT图像进行默认自动配准、骨性配准、软组织配准及手动靶区配准。比较4种配准方式之间差异,并计算由CTV外放产生PTV间距。结果 16例患者默认自动配准、骨性配准、软组织配准及手动靶区配准方式在左右、前后、上下方向平移摆位误差分别为(-0.6±2.8)、(-0.6±4.5)、(-0.6±3.8) mm,(-0.7±2.7)、(-0.9±4.5)、(-0.8±4.1) mm,(-0.8±2.6)、(-0.3±4.4)、(-1.1±4.0) mm,(-0.6±2.9)、(-0.7±5.1)、(-0.9±3.9) mm。经分析4种配准方式之间相近。PTV在左右、前后、上下方向外放间距分别为4.7、5.2、6.5 mm。结论 综合各种因素考虑,应用在线默认自动配准+手动微调CBCT引导放疗技术治疗前列腺癌患者更为合适。PTV安全外放边界在左右、前后、上下方向分别为4.7、5.2、6.5 mm。     

基于锥形束CT与计划CT图像在线配准的非小细胞肺癌临床靶区外放研究

目的 分析非小细胞肺癌(NSCLC)放疗过程中,应用锥形束CT(CBCr)图像在线校正或来进行在线校正时临床靶区(CTV)的合理外放.方法 8例行三维适形放疗的NSCLC患者入组.放疗前后各行CBCT扫描1次,并将CBCT图像与计划CT图像在线配准.根据配准获得的左右(X轴)、头脚(Y轴)、前后(Z轴)方向上平移矢量调整治疗床的位置,从而修正摆位和器官运动引入的误差.按上差方法每周采集CBCT图像2-3次.放疗前后配准得到的平移矢量分别作为分次间误差和分次内误差代入CTV外放计算公式,计算未进行在线校正和计算进行在线校正后NSCLC放疗的群体化CTV外放.结果 8例NSCLC患者共143组配准数据.若未进行CBCT在线校正,CTV外放为:左右方向8mm、头脚方向9 mm、前后方向11mm.若进行CBCT在线校正,各方向上CTV外放均为2 mm.结论 NSCLC患者三维适形放疗时具有一定的摆位和器官运动误差.基于CBCT图像分析的在线校正方法能明显减小这些误差,并有助于确定合适的CTV外放.     

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。     

ExacTrac X线系统二种不同图像配准序列在头颈部肿瘤放疗中的应用研究

目的 比较2种不同ExacTrac X线系统(ExacTrac X-ray,ET)图像配准序列与锥形束CT(cone beam CT,CBCT)图像配准序列在头颈部肿瘤放疗中的应用,探讨ET在头颈部肿瘤放疗中的临床最优配准序列.方法 选择行调强放射治疗(intensity-modulated radiation the...     

非小细胞肺癌影像引导放疗过程中锥形束CT增强扫描技术

作为图像引导放疗（IGRT）的主要实现方式，kV级X线锥形束CT（CBCT）主要用于各轴向摆位误差的在线和离线校正，同时也被用作放疗计划在线和离线校正。笔者自2006年6月开始使用IGRT系统于非小细胞肺癌IGRT后发现，CBCT平扫图像与治疗计划制定前CT模拟定位所获得增强CT扫描图像匹配时，因CBCT图像为平扫且CBCT扫描时间较长（1 min）、呼吸运动造成的伪影大，     

迭代锥形线束CT成像模式性能评价的研究

目的综合评价瓦里安加速器新的迭代锥形线束CT(iCBCT)成像模式的性能, 探讨其在临床应用中的优势。方法选用天津医科大学肿瘤医院放射治疗科Halcyon 2.0、Edge和VitalBeam型号加速器的千伏级CBCT成像系统, 其中Halcyon 2.0和Edge配备了iCBCT成像模式。使用Penta-Guide模体评价iCBCT成像模式的配准精度, 使用直尺测量治疗床的到位精度。应用CatPhan604模体分析各成像设备iCBCT和常规CBCT模式的图像质量。测量成像出束时间和重建时间, 评估图像采集效率。采用t检验对两种成像模式图像的均匀度、高对比度分辨率、对比度、对比度噪声比(CNR)、图像采集的出束时间和重建时间进行统计分析。结果 Halcyon 2.0和Edge加速器iCBCT模式图像配准测量结果与理论值最大偏差分别为0.7 mm和0.6 mm, 所有成像设备治疗床到位误差均<1 mm。头部扫描条件下, iCBCT图像主要提高了均匀度和CNR, Halcyon iCBCT较常规CBCT图像均匀度和CNR分别提高了2.50%(P<0.001)和78.85%(P&...     

瓦里安新型锥形束迭代重建算法的图像质量分析

目的:定量分析头颈部的锥形束CT（cone-beam CT，CBCT）与新型迭代重建锥形束CT（iterative cone-beam CT，ICBCT）图像之间的质量差异。方法:利用Catphan604模体，客观地分析了瓦里安Halcyon加速器CBCT和ICBCT标准头部扫描模式下两种图像的高对比度分辨率、低对比度分辨率、均匀性、图像噪声及信噪比和对比度噪声比。针对临床患者数据，利用5位头颈部患者的CBCT、ICBCT分别计算了与成对参考CT图像之间的绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）、峰值信号比（PSNR）、结构相似性（SSIM）。结果:两种图像的高对比度分辨率无明显差异，MTF50的值均为0.41 lp/mm；低对比度分辨率的感兴趣区域均不可见；相比于CBCT，ICBCT图像的整体均匀性更好（9.89 HU vs 9.21 HU）、图像噪声更小（7.29 HU vs 6.50 HU）、信噪比更高（38.69 vs 53.01）以及对比度噪声比更高（16.93 vs 25.98）。对于临床患者影像，ICBCT与CBCT相比，其MAE、RMSE更低，均值分别为(29.27±9.26)HU、(97.75±19.61)HU；PSNR、SSIM更大，均值分别为32.61±1.72、0.93±0.02，且四个指标之间均存在统计学差异（P<0.05）。结论:头颈部ICBCT图像的质量优于传统CBCT图像质量。     

自由呼吸频率与运动幅度对CT与CBCT图像配准偏差分析

目的 探讨自由呼吸状态下,不同呼吸频率、运动幅度对CT扫描图像与CBCT图像的配准偏差。方法 使用QUASAR呼吸运动模体,改变运动频率和头脚方向上的运动幅度,模拟不同状态下的自由呼吸运动。在模体静止时、各种运动状态下分别行定位CT扫描和CBCT扫描,获取相应配准结果及CT定位靶区体积,进行定量分析。结果 以模体静止时的定位CT图像为参考进行配准,当运动幅度一定时,频率的变化对图像的配准误差无明显影响。运动幅度分别为5 mm、10 mm、20 mm、30 mm时,配准误差分别为（0.213±0.020） cm、（0.351±0.009） cm、（0.654±0.010） cm与（0.972±0.022）cm。当运动幅度为5 mm、10 mm时,定位靶区体积变化为-16.92%~18.78%。当运动幅度为20 mm、30 mm时,定位靶区体积变化为-16.44%~81.70%。结论 自由呼吸运动下频率变化对CBCT与定位CT图像之间的配准误差无明显影响。运动幅度为5 mm、10 mm时,配准误差小,定位靶区体积变化小;当运动幅度为20 mm、30 mm时,配准误差可超过0.5 cm,定位靶区体积变化可>20%。     

自由呼吸频率与运动幅度对CT与CBCT图像配准偏差分析

目的 探讨自由呼吸状态下,不同呼吸频率、运动幅度对CT扫描图像与CBCT图像的配准偏差。方法 使用QUASAR呼吸运动模体,改变运动频率和头脚方向上的运动幅度,模拟不同状态下的自由呼吸运动。在模体静止时、各种运动状态下分别行定位CT扫描和CBCT扫描,获取相应配准结果及CT定位靶区体积,进行定量分析。结果 以模体静止时的定位CT图像为参考进行配准,当运动幅度一定时,频率的变化对图像的配准误差无明显影响。运动幅度分别为5 mm、10 mm、20 mm、30 mm时,配准误差分别为（0.213±0.020） cm、（0.351±0.009） cm、（0.654±0.010） cm与（0.972±0.022）cm。当运动幅度为5 mm、10 mm时,定位靶区体积变化为-16.92%~18.78%。当运动幅度为20 mm、30 mm时,定位靶区体积变化为-16.44%~81.70%。结论 自由呼吸运动下频率变化对CBCT与定位CT图像之间的配准误差无明显影响。运动幅度为5 mm、10 mm时,配准误差小,定位靶区体积变化小;当运动幅度为20 mm、30 mm时,配准误差可超过0.5 cm,定位靶区体积变化可>20%。     

千伏级CBCT图像CT值校正及在放疗剂量计算中应用

目的 研究千伏级CBCT图像CT值校正方法,提高其用于剂量计算的准确性。方法 以扇形束计划CT作为先验信息,将CBCT与计划CT图像进行刚性配准,通过将CBCT与计划CT图像相减得到CBCT散射背景估计,对散射背景进行低通滤波处理,最后将原始CBCT图像减去滤波后的散射背景得到校正的CBCT图像。对Catphan600模体和4例盆腔恶性肿瘤患者的CBCT图像进行校正,配对t检验校正前后CBCT与计划CT的差异,评估校正后的CBCT图像质量并分析用于剂量计算的准确性。 结果 经CT值校正后CBCT图像伪影明显减少,空气、脂肪、肌肉、股骨头的平均值校正前与计划CT分别相差232、89、29、66 HU,而校正后平均值差别缩小至5 HU内(P=0.39、0.66、0.59、1.00)。校正后CBCT图像用于剂量计算误差在2%内。 结论 校正后的CBCT图像CT值与计划CT的CT值相似,用于剂量计算可得到准确的结果。     

Feasibility study on effect and stability of adaptive radiotherapy on kilovoltage cone beam CT

Background

We have analyzed the stability of CT to density curve of kilovoltage cone-beam computerized tomography (kV CBCT) imaging modality over the period of six months. We also, investigated the viability of using image value to density table (IVDT) generated at different time, for adaptive radiotherapy treatment planning. The consequences of target volume change and the efficacy of kV CBCT for adaptive planning issues is investigated.

Materials and methods.

Standard electron density phantom was used to establish CT to electron density calibrations curve. The CT to density curve for the CBCT images were observed for the period of six months. The kV CBCT scans used for adaptive planning was acquired with an on-board imager system mounted on a “Trilogy” linear accelerator. kV CBCT images were acquired for daily setup registration. The effect of variations in CT to density curve was studied on two clinical cases: prostate and lung.

Results

The soft tissue contouring is superior in kV CBCT scans in comparison to mega voltage CT (MVCT) scans. The CT to density curve for the CBCT images was found steady over six months. Due to difficulty in attaining the reproducibility in daily setup for the prostate treatment, there is a day-to-day difference in dose to the rectum and bladder.

Conclusions

There is no need for generating a new CT to density curve for the adaptive planning on the kV CBCT images. Also, it is viable to perform the adaptive planning to check the dose to target and organ at risk (OAR) without performing a new kV CT scan, which will reduce the dose to the patient.     

3D打印个性化乳腺托架在乳腺癌调强放疗中应用初探北大核心CSCD

目的比较3D打印个性化乳腺托架和普通头枕在乳腺癌调强放疗中引起的摆位误差,分析3D打印个性化乳腺托架在乳腺癌调强放疗中的固定效果。方法选取2021年1月至7月32例乳腺癌患者,随机分为3D打印乳腺托架组和普通头枕组。两组均采用仰卧位、头偏向健侧,患侧手握抓杆同侧横杆、健侧手握对侧竖杆,均用热塑膜固定胸部及下颌。每周行锥形束CT扫描并按照配准感兴趣区域分别用乳腺/胸壁野、锁骨上下野、腋窝野三种靶区配准方式进行配准。分析两组左右、头脚、腹背3个方向的摆位误差。结果3D乳腺托架组在乳腺/胸壁野、锁骨上下野、腋窝野的左右、头脚、腹背3个方向摆位误差分别是(1.75±1.26)、(1.77±1.11)、(1.70±1.08)mm,(1.75±1.25)、(1.72±1.09)、(1.70±1.05)mm,(1.86±1.34)、(2.14±2.13)、(1.66±1.19)mm。普通头枕组在乳腺/胸壁野、锁骨上下野、腋窝野的左右、头脚、腹背3个方向摆位误差分别是(2.54±1.84)、(2.73±3.62)、(2.18±2.45)mm,(3.25±2.02)、(3.52±2.26)、(2.62±2.83)mm,(3.25±2.05)、(4.44±2.90)、(3.10±3.18)mm。两组摆位误差比较P均<0.05。结论使用3D打印个性化乳腺托架固定摆位误差小于普通头枕固定;在乳腺/胸壁野、锁骨上下野、腋窝野3个靶区摆位一致性方面,3D打印个性化乳腺托架优于普通头枕。     

Dosimetric feasibility of cone-beam CT-based treatment planning compared to CT-based treatment planning

PURPOSE: Cone-beam computed tomography (CBCT) images are currently used for positioning verification. However, it is yet unknown whether CBCT could be used in dose calculation for replanning in adaptive radiation therapy. This study investigates the dosimetric feasibility of CBCT-based treatment planning. METHODS AND MATERIALS: Hounsfield unit (HU) values and profiles of Catphan, homogeneous/inhomogeneous phantoms, and various tissue regions of patients in CBCT images were compared to those in CT. The dosimetric consequence of the HU variation was investigated by comparing CBCT-based treatment plans to conventional CT-based plans for both phantoms and patients. RESULTS: The maximum HU difference between CBCT and CT of Catphan was 34 HU in the Teflon. The differences in other materials were less than 10 HU. The profiles for the homogeneous phantoms in CBCT displayed reduced HU values up to 150 HU in the peripheral regions compared to those in CT. The scatter and artifacts in CBCT became severe surrounding inhomogeneous tissues with reduced HU values up to 200 HU. The MU/cGy differences were less than 1% for most phantom cases. The isodose distributions between CBCT-based and CT-based plans agreed very well. However, the discrepancy was larger when CBCT was scanned without a bowtie filter than with bowtie filter. Also, up to 3% dosimetric error was observed in the plans for the inhomogeneous phantom. In the patient studies, the discrepancies of isodose lines between CT-based and CBCT-based plans, both 3D and IMRT, were less than 2 mm. Again, larger discrepancy occurred for the lung cancer patients. CONCLUSION: This study demonstrated the feasibility of CBCT-based treatment planning. CBCT-based treatment plans were dosimetrically comparable to CT-based treatment plans. Dosimetric data in the inhomogeneous tissue regions should be carefully validated.     

3D打印个性化乳腺托架在乳腺癌调强放疗中应用初探

目的 比较3D打印个性化乳腺托架和普通头枕在乳腺癌调强放疗中引起的摆位误差,分析3D打印个性化乳腺托架在乳腺癌调强放疗中的固定效果。方法 选取2021年1月至7月32例乳腺癌患者,随机分为3D打印乳腺托架组和普通头枕组。两组均采用仰卧位、头偏向健侧,患侧手握抓杆同侧横杆、健侧手握对侧竖杆,均用热塑膜固定胸部及下颌。每周行锥形束CT扫描并按照配准感兴趣区域分别用乳腺/胸壁野、锁骨上下野、腋窝野三种靶区配准方式进行配准。分析两组左右、头脚、腹背3个方向的摆位误差。结果 3D乳腺托架组在乳腺/胸壁野、锁骨上下野、腋窝野的左右、头脚、腹背3个方向摆位误差分别是（1.75±1.26）、（1.77±1.11）、（1.70±1.08）mm,（1.75±1.25）、（1.72±1.09）、（1.70±1.05）mm,（1.86±1.34）、（2.14±2.13）、（1.66±1.19）mm。普通头枕组在乳腺/胸壁野、锁骨上下野、腋窝野的左右、头脚、腹背3个方向摆位误差分别是（2.54±1.84）、（2.73±3.62）、（2.18±2.45）mm,（3.25±2.02）、（3.52±2.26）、（2.62±2.83）mm,（3.25±2.05）、（4.44±2.90）、（3.10±3.18）mm。两组摆位误差比较P均<0.05。结论 使用3D打印个性化乳腺托架固定摆位误差小于普通头枕固定;在乳腺/胸壁野、锁骨上下野、腋窝野3个靶区摆位一致性方面,3D打印个性化乳腺托架优于普通头枕。     

Comparative study of respiratory motion correction techniques in cone-beam computed tomography

Background and purpose

To validate the clinical usefulness of motion-compensated (MC) cone-beam (CB) computed tomography (CT) for image-guided radiotherapy (IGRT) in comparison to four-dimensional (4D) CBCT and three-dimensional (3D) CBCT.

Material and methods

Forty-eight stereotactic body radiation therapy (SBRT) patients were selected. Each patient had 5-12 long CB acquisitions (4 min) and 1-7 short CB acquisitions (1 min), with a total of 349 and 150 acquisitions, respectively. 3D, 4D and MC CBCT images of every acquisition were reconstructed. Image quality, tumor positioning accuracy and tumor motion amplitude were quantified.

Results

The mean image quality of long short acquisitions, measured using the correlation ratio with the planning CT, was 74%/70%, 67%/47% and 79%/74% for 3D, 4D and MC CBCT, respectively; both 4D and MC CBCT were corrected for respiratory motion artifacts but 4D CBCTs suffered from streak artifacts. Tumor positioning with MC CBCT was significantly closer to 4D CBCT than 3D CBCT (p < 0.0001). Detailed patient analysis showed that motion correction was not required for tumors with less than 1 cm motion amplitude.

Conclusions

4D and MC CBCT both allow accurate tumor position analysis under respiratory motion but 4D CBCT requires longer acquisition time than MC CBCT for adequate image quality. MC CBCT can therefore advantageously replace 4D CBCT in clinical protocols for patients with large motion to improve image quality and reduce acquisition time.