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基于双能透视成像方法的无标记肺部肿瘤运动跟踪算法研究

基于双能透视成像方法的无标记肺部肿瘤运动跟踪算法研究

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作者：贺树萌天津医科大学

学位级别：硕士

手术、化疗和放疗是当前临床治疗癌症的主要疗法。放射治疗是一种局部治疗方式,利用放射线照射肿瘤区域,可以抑制癌细胞生长或治愈癌症。近年来,随着医学影像、计算机、生物医学工程等学科的飞速发展,先后出现了立体定向放疗（SBRT）、... 详细信息

手术、化疗和放疗是当前临床治疗癌症的主要疗法。放射治疗是一种局部治疗方式,利用放射线照射肿瘤区域,可以抑制癌细胞生长或治愈癌症。近年来,随着医学影像、计算机、生物医学工程等学科的飞速发展,先后出现了立体定向放疗（SBRT）、三维适形与调强放疗（IMRT）、容积旋转调强放射治疗（VMAT）、图像引导放疗（IGRT）等放射治疗方式。呼吸是造成肺部肿瘤在放射治疗分次内运动的主要原因。临床上采用放大计划靶区（PTV）的方式保证治疗过程中临床靶区（CTV）自始至终被射线束覆盖。但是,这意味着会使肿瘤周围更多的健康组织进入射野,增加放射治疗并发症的发生率。因此,如何减少放疗过程中呼吸引起的肿瘤运动所造成的影响,降低健康组织不必要的损伤已经成为肺部肿瘤精确放射治疗领域的研究热点及难点。目前国内外学者已提出许多方法来降低呼吸影响,解决放疗过程中肿瘤的运动问题。如主要有呼吸门控技术、四维放疗技术和肿瘤运动跟踪技术。其中,肿瘤运动跟踪技术作为一种图像引导新形势得以发展,已逐渐引起广泛关注。现有技术中,一种常用的对肿瘤进行运动跟踪的方法是体外标记跟踪法,使用光学跟踪系统对置于患者体外的外部标记进行自动跟踪,然而外部标记不能充分反映有呼吸运动导致的肿瘤位移,这是一种间接的跟踪方式。另一种常用方式为利用X射线立体平面成像技术进行肿瘤运动跟踪。由于骨骼遮挡难以直接对肿瘤进行定位跟踪,通常在肿瘤内部或附近通过手术方式植入一个或多个金属标记,通过跟踪金属标记间接估算肿瘤位移,然而金属标记的植入可能引发气胸等并发症,这是一种间接且有创的方式。为了解决目前临床肿瘤运动跟踪方法中存在的问题,本研究提出了一种基于双能透视成像方法的无标记肺部肿瘤运动跟踪算法。首先,采用一种具有C臂旋转结构和高低能快速切换采图机制的双能X射线透视成像系统,分别在4个投影方向实时采集呼吸周期9或10个时相的高低能图像对序列。通过优化的加权对数减影算法,去除图像中的骨骼结构,得到软组织减影图像序列。优化的加权对数减影算法采用对比度噪声比（CNR）作为图像质量评价参数,自动获取最佳软组织减影图像。其次对得到的软组织减影图像序列进行肿瘤运动跟踪,选择图像间像素差值作为衡量标准,自适应选择匹配所需的参考图像,以归一化互信息作为相似性测度,采用全域搜索法作为搜索方式进行肿瘤区域匹配。最终获得呼吸周期所有时相减影图像中的肿瘤位置,实现肿瘤运动跟踪。以20例肺部肿瘤病例为研究对象。结果证实本研究提出的双能透视成像方法可实时采集呼吸周期不同角度X射线高低能图像序列,通过自动减影算法获得软组织减影图像,显著提高肺部肿瘤的可视度,获得的图像可直接用于肿瘤定位。肿瘤运动跟踪算法可直接确定软组织图像序列中的肿瘤位置,目视证实了肿瘤跟踪结果的准确性。分析结果数据,表明在一个呼吸循环内,肿瘤在头脚方向、左右方向、腹背方向的定位结果与人工测量结果具有一致性。与其他两个方向相比,肿瘤头脚方向运动幅度最大;且在头脚方向位于肺下半部分的肿瘤运动幅度明显大于位于肺中上部肿瘤的运动幅度。

关键词：双能成像加权对数算法对比度噪声比归一化互信息匹配肿瘤运动跟踪

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