4D-CT重建及其在放療中的應(yīng)用研究.pdf

1、現(xiàn)有的4D-CT圖像重建技術(shù)仍有這樣或那樣的缺陷，在放療中的應(yīng)用還受到多方面的限制，主要包括：①沒有國產(chǎn)的4D-CT系統(tǒng)，進(jìn)口系統(tǒng)不但昂貴，而且依賴于呼吸監(jiān)測裝置，只能在少數(shù)新型CT機(jī)上實現(xiàn)4D-CT圖像重建。②由于4D-CT圖像數(shù)量眾多，通常有1000～2000張，甚至更多，在目前缺乏成熟的四維放療計劃系統(tǒng)的情況下，在4D-CT中勾畫靶區(qū)和危及器官的工作量約10倍于常規(guī)三維適形放療，使靶區(qū)勾畫成為制約4D-CT在放療中廣泛應(yīng)用的瓶頸。

2、⑦不同相位4D-CT中，運(yùn)動靶區(qū)受照劑量的計算和驗證仍然困擾著四維放療。為了克服4D-CT圖像重建對呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的依賴，在普通螺旋CT機(jī)上實現(xiàn)4D-CT圖像重建，Berlinge等提出了利用杠桿原理的“針影軌跡”重建法，但這種方法在重建過程中能識別的相位數(shù)較少，通常只有5個，而且不能識別呼氣或吸氣的中間狀態(tài)。為了便于4D-CT在放療中的應(yīng)用，McClelland等提出了基于運(yùn)動模型的連續(xù)4D-CT重建法，Zeng等提出了迭代模型重建法。

3、雖然，采用這兩種方法重建的4D-CT圖像質(zhì)量較高，但其最大的缺陷是計算時間長達(dá)數(shù)小時，臨床實用價值有限。因此，研究4D-CT圖像重建技術(shù)及其在放療中的應(yīng)用，無論從社會效益還是從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，都具有不可估量的價值和意義。 在全面總結(jié)進(jìn)口4D-CT圖像重建系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及其在放療應(yīng)用中存在的問題之后，研究中提出了兩種新的4D-CT圖像重建法，并編寫了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)方便、快捷的4D-CT圖像重建，打破了沒有國產(chǎn)4D-CT圖像重建系

4、統(tǒng)的局面，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了4D-CT圖像在放療中的應(yīng)用研究，主要內(nèi)容可概括如下： （1）呼吸運(yùn)動對靶區(qū)三維重建的影響。用步進(jìn)馬達(dá)、驅(qū)動器、導(dǎo)輪、有機(jī)玻璃球、低密度泡沫等模擬呼吸運(yùn)動體模。用GE LightSpeed16排螺旋CT對體模進(jìn)行掃描，分析不同螺距、層厚和運(yùn)動周期對靶區(qū)掃描后三維重建體積和形態(tài)的影響，并計算動態(tài)靶區(qū)重建體積相對于靜態(tài)靶區(qū)重建體積的偏差。研究中發(fā)現(xiàn)：①對于靜態(tài)靶區(qū)，改變掃描層厚與螺距對三維重建體積和外觀的

5、影響不明顯；②對于動態(tài)靶區(qū)，不同運(yùn)動狀態(tài)下掃描后，重建體積和外觀差異顯著，其相對偏差的變化范圍與靶區(qū)大小有關(guān)，外形較小的靶區(qū)為-39．8%～89．5%，外形較大的靶區(qū)為-18．4%～20．5%，說明呼吸運(yùn)動對靶區(qū)三維重建的影響很大，三維適形放療計劃設(shè)計所采用的CT圖像必須是靶區(qū)處于相對靜止?fàn)顟B(tài)下掃描的圖像，否則，放療計劃設(shè)計中將存在很大的誤差。因此，減少運(yùn)動偽影并在放療計劃和實施過程中充分考慮靶區(qū)的運(yùn)動規(guī)律是實現(xiàn)精確放療的必要條件。

6、 （2）根據(jù)對4D-CT圖像重建原理的分析，結(jié)合掃描時圖像之間的內(nèi)在聯(lián)系，本研究創(chuàng)造性地提出了基于“相鄰圖像最相似原理”的4D-CT重建法，用VC++程序設(shè)計語言和可視化工具軟件包（Visual Tools Kits，VTK）開發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。對自由呼吸狀態(tài)下的患者進(jìn)行多床位的“電影”（Cine）掃描，每個床位處Cine掃描的持續(xù)時間等于患者的呼吸周期加上1秒。掃描后把相鄰圖像間的互信息作為相似性的測度，據(jù)此對所得掃描圖像進(jìn)行相

7、位排序，實現(xiàn)4D-CT圖像重建。實驗結(jié)果表明，這種方法重建的4D-CT圖像質(zhì)量高、運(yùn)動偽影顯著減少，不僅真實地再現(xiàn)了靶區(qū)形態(tài)，而且反映了靶區(qū)隨呼吸運(yùn)動變化的規(guī)律。其不足之處是重建時間稍長，當(dāng)CT層數(shù)在1000～2000時，在Dell Latitude620筆記本電腦上重建一個相位4D-CT的時間約3～5分鐘，另外，該方法不能直接確定呼吸相位。 （3）針對上述不足，為了實現(xiàn)更簡便、高效的4D-CT重建，研究中進(jìn)一步提出了基于呼吸運(yùn)

8、動過程中胸腹體積/肺體積變化的4D-CT重建法，開發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，其主要模塊包括：數(shù)據(jù)傳輸、CT圖像讀入、閾值分割、體積計算、相位排序、分相4D-CT重建、動態(tài)顯示、結(jié)果輸出和打印等。研究中對典型病例進(jìn)行了4D-CT重建實驗，患者在自由呼吸狀態(tài)下進(jìn)行多床位的Cine掃描，掃描后根據(jù)所得CT圖像中胸腹體積/肺體積的變化，確定每一層CT圖像在呼吸周期中的相位，按不同相位對所有CT圖像進(jìn)行分組，得到一個完整的呼吸周期中多個相位的CT系列，

9、實現(xiàn)了4D-CT重建。 與昂貴的進(jìn)口系統(tǒng)相比，本研究開發(fā)的4D-CT圖像重建系統(tǒng)有如下優(yōu)勢： ①能在所有普通螺旋CT上實現(xiàn)4D-CT重建，其重建過程不依賴于外在的呼吸監(jiān)測裝置，不受CT機(jī)本身的軟硬件限制，具有普遍適用性。進(jìn)行4D-CT重建后，可輸出任一相位的4D-CT橫斷位、矢狀位、冠狀位及三維視圖，方便4D-CT在后續(xù)臨床和科研中的應(yīng)用。 ②能對胸腹部帶有熱塑體模固定裝置的放療患者進(jìn)行4D-CT重建，這是對目前

10、進(jìn)口4D-CT圖像重建系統(tǒng)局限性的一次重大突破。當(dāng)放療患者采用了熱塑體模固定裝置時，由于體模的限制，患者體表不再隨呼吸而起伏、或者起伏的幅度變得非常微小，在這種情況下，體表監(jiān)測裝置不能準(zhǔn)確地確定呼吸相位，從而導(dǎo)致目前進(jìn)口4D-CT系統(tǒng)不能正常工作。本研究開發(fā)的重建系統(tǒng)可根據(jù)呼吸運(yùn)動過程中肺體積的變化和“相鄰圖像最相似原理”進(jìn)行4D-CT圖像重建，不受熱塑體模的影響，將會大大促進(jìn)4D-CT圖像重建技術(shù)在體部精確放療中的應(yīng)用。 ③基

11、于呼吸運(yùn)動過程中胸腹體積/肺體積變化的4D-CT圖像重建系統(tǒng)具有簡便、高效的優(yōu)勢。例如：在配置為1GB內(nèi)存的Dell Latitude D620筆記本電腦上，讀入1200幅CT圖像（512×512），僅需要約40秒，圖像分組、排序時間不到10秒，重建任意相位的矢狀位、冠狀位4D-CT不到2秒。在臺式PC上（2GB內(nèi)存），讀入2000幅CT圖像（范圍覆蓋全胸腹）后，也能在10秒內(nèi)完成4D-CT重建過程，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于計算時間長達(dá)數(shù)小時的基

12、于運(yùn)動模型的4D-CT重建。 ④實現(xiàn)了真正意義上的4D顯示。既往4D-CT重建文獻(xiàn)中報道了矢狀面、冠狀面4D-CT圖像。本研究不僅完成了矢狀面、冠狀面4D-CT圖像重建，而且完成了4D-CT圖像的橫斷面、矢狀面和冠狀面3D視圖重建，更逼真地反映了內(nèi)臟器官隨呼吸運(yùn)動變化的規(guī)律。 （4）在完成4D-CT圖像重建研究后，基于4D-CT、平均密度投影和最大密度投影CT，研究了運(yùn)動靶區(qū)的表現(xiàn)特征及其進(jìn)行三維適形和調(diào)強(qiáng)放療時的劑量分

13、布規(guī)律：①分析肺尖、右肺和腹部靶區(qū)在4D-CT、平均密度投影和最大密度投影CT中的差異。②根據(jù)平均密度投影和最大密度投影CT的本質(zhì)特征，開發(fā)了一套軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)在生成平均密度投影和最大密度投影CT時不需要進(jìn)行4D-CT重建、也不用任何呼吸監(jiān)測裝置，可以利用任何能進(jìn)行Cine模式掃描的CT機(jī)生成平均密度投影和最大密度投影CT。③利用自制的運(yùn)動體模，研究了窗寬/窗位對平均密度投影和最大密度投影CT圖像中運(yùn)動靶區(qū)勾畫的影響，為運(yùn)動靶區(qū)的精確

14、放療打下了基礎(chǔ)。④在利用4D-CT研究不同相位運(yùn)動靶區(qū)的劑量分布特征時，巧妙地利用了放療計劃系統(tǒng)的圖像融合功能，得到不同相位4D-CT系列、平均密度投影和最大密度投影CT中的劑量分布，直觀地反映了運(yùn)動靶區(qū)受照劑量分布隨呼吸運(yùn)動變化的特征：④靶區(qū)隨呼吸運(yùn)動時，根據(jù)一個極限相位4D-CT設(shè)計的放療計劃可能在另一相對的極限相位中造成靶區(qū)遺漏。@用平均密度投影和最大密度投影CT勾畫靶區(qū)后進(jìn)行三維適形放療和調(diào)強(qiáng)放療計劃設(shè)計，其劑量分布能很好地覆蓋

15、兩個極限呼吸相位4D-CT中的靶區(qū)，不會過分?jǐn)U大照射范圍，使運(yùn)動靶區(qū)受到合理的照射。@利用平均密度投影和最大密度投影CT還可大大地減輕在多相位4D-CT中進(jìn)行靶區(qū)勾畫的勞動強(qiáng)度，是充分利用靶區(qū)運(yùn)動信息的一個切實可行的好方法。⑤根據(jù)靶區(qū)往返周期運(yùn)動的特點(diǎn)，本研究提出了簡化的運(yùn)動靶區(qū)劑量計算“矩陣疊加”模型，用Matlab7．0工具軟件，編寫了相應(yīng)的模擬計算程序，通過計算預(yù)測運(yùn)動靶區(qū)的受照劑量分布規(guī)律。 （5）利用模擬呼吸運(yùn)動平臺和

16、二維空氣電離室矩陣MatriⅩⅩ系統(tǒng)，研究運(yùn)動靶區(qū)實際受照劑量分布的特點(diǎn)。研究中揭示了運(yùn)動靶區(qū)的“邊緣劑量模糊效應(yīng)”和基于多葉準(zhǔn)直器的調(diào)強(qiáng)放療子野照射時劑量分布的“隨機(jī)效應(yīng)”。正是由于各子野的位置和大小不同，照射運(yùn)動靶區(qū)后產(chǎn)生的劑量分布具有隨機(jī)性，當(dāng)子野劑量疊加后，劑量誤差有相互抵消的趨向。體模周期運(yùn)動時，對三維適形放療照射，在運(yùn)動方向上所測劑量分布半影較靜態(tài)時增加6～9 mm，高劑量區(qū)域向內(nèi)收縮約5mm，低劑量區(qū)域向外擴(kuò)張約5mm，但

17、50%等劑量曲線范圍及中心區(qū)域劑量未見明顯改變；調(diào)強(qiáng)放療各子野單獨(dú)照射且以測量平面最大劑量為歸一劑量時，運(yùn)動和靜止?fàn)顟B(tài)下所測劑量差異介于-56．4%～56．1%，其平均值約±27%。調(diào)強(qiáng)放療計劃所有子野疊加照射時，兩種運(yùn)動狀態(tài)下在射野中絕大部分區(qū)域的劑量分布相對偏差<±3%，其偏差主要出現(xiàn)在射野邊緣，最大約±15%，這與三維適形放療照射的特點(diǎn)相似。說明無論是三維適形放療還是調(diào)強(qiáng)放療多次分割照射后，周期運(yùn)動靶區(qū)中心區(qū)域受照劑量與靜態(tài)靶區(qū)相