自適應(yīng)放療中變形圖像配準(zhǔn)算法相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、放射治療是治療腫瘤的三大有效手段之一，其治療效果取決于兩個(gè)方面:一是保證充分的靶區(qū)受照劑量，二是減少正常組織受照劑量。放療技術(shù)也正是以此為目標(biāo)向前發(fā)展，從三維適形放療(three dimensional conformal radiotherapy,3D-CRT)到調(diào)強(qiáng)放療（intensity-modulated radiotherapy,IMRT），再到圖像引導(dǎo)放療（image-guided radiotherapy,IGRT）以及自

2、適應(yīng)放療(adaptive radiotherapy,ART)。具體而言，3D-CRT實(shí)現(xiàn)射野與靶區(qū)在形狀上的一致，IMRT在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)劑量適形，而IGRT利用治療中(in-room)影像校正了每治療分次的擺位誤差。但是，由于治療效應(yīng)和正常生理過程的影響，某些感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)的位置、形狀和體積在治療期間會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而可能導(dǎo)致腫瘤欠照射或危及器官（organ at risk，OAR）過照射。A

3、RT通過重新設(shè)計(jì)或調(diào)整計(jì)劃來適應(yīng)當(dāng)前的解剖結(jié)構(gòu)情況，是解決上述問題的一種有效手段。作為ART中的關(guān)鍵技術(shù)之一，圖像變形配準(zhǔn)(deformable image registration，DIR)算法關(guān)聯(lián)著計(jì)劃圖像和in-room圖像，關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確程度決定了ART的有效性和可靠性。因此驗(yàn)證DIR的精度是非常必要的。本文以此為出發(fā)點(diǎn)開展了一系列相關(guān)研究。
　　本文首先回顧并實(shí)現(xiàn)四類（十種）代表性的基于圖像灰度的DIR算法。這四類算法分別是

4、光流場類（HS，HSLK和FFD）、demons類(OD，MD，SFD，DFD和DISC）、水平集類(LS)和樣條類(BSpline)，其中DISC是在圖像處理單元（graphic processing unit，GPU）上實(shí)現(xiàn)，其他DIR算法均用Matlab實(shí)現(xiàn)。
　　針對(duì)關(guān)于多模態(tài)圖像驗(yàn)證DIR算法精度的研究相對(duì)缺乏的問題，本文回溯性地采集21例鼻咽癌患者的CT和CBCT圖像，由經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生勾畫雙側(cè)腮腺、雙側(cè)頜下腺、頸椎椎體

5、和椎孔四種ROI。然后利用所實(shí)現(xiàn)的DIR算法將CT圖像上的ROI輪廓線推衍到CBCT圖像上，并與醫(yī)生勾畫的真實(shí)輪廓線進(jìn)行比較，以此評(píng)估其在ROI輪廓線推衍方面的精度和性能差異。結(jié)果表明，所有DIR算法的表現(xiàn)并不一定好于剛性配準(zhǔn)。一般來說，DIR算法在剛性結(jié)構(gòu)上的表現(xiàn)要比其在軟組織上的表現(xiàn)出色，且DIR精度還隨ROI的不同而變化。另外，算法的表現(xiàn)還與ROI的形變程度（時(shí)間推移）相關(guān)。
　　針對(duì)目前體模驗(yàn)證研究中體模復(fù)雜度缺乏的問題，

6、本文以真實(shí)患者的腹部CT影像為參考，設(shè)計(jì)并制備一種高仿真的物理體模。該體模包含肝、腎、脾、胃和脊椎等多種仿真結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)具有與真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)相似的體積、形狀、CT值以及空間位置。另外，體模還包含195個(gè)標(biāo)記點(diǎn)（直徑為1～2mm的金屬球），均勻分布于各仿真器官的內(nèi)部、表面以及器官間區(qū)域，標(biāo)記點(diǎn)在變形前后的位置變化被作為精度驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)。體模驗(yàn)證結(jié)果表明，絕大多數(shù)DIR算法能顯著改善剛性配準(zhǔn)的精度，其表現(xiàn)與圖像對(duì)比度及ROI性質(zhì)（體積、形狀等

7、）等因素有關(guān)。盡管器官表面的DIR精度在總體上要顯著高于器官內(nèi)部的DIR精度，但對(duì)于同一實(shí)質(zhì)器官而言，表面與內(nèi)部之間一般不存在顯著的精度差異。
　　本文在DIR算法驗(yàn)證方面取得了一些初步成果，但在某些細(xì)節(jié)上仍有待進(jìn)一步的研究，比如各DIR算法實(shí)現(xiàn)過程中參數(shù)優(yōu)化問題、臨床數(shù)據(jù)驗(yàn)證中勾畫誤差量化問題以及物理體模驗(yàn)證中基準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)分布問題等等。此外，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果來改進(jìn)現(xiàn)有DIR算法將會(huì)是我們未來的研究方向。例如，本研究表明算法精度與ROI