三维坐标下任意方向的投影变换及反投影重建方法

提出一种三维坐标下任意方向的投影变换及反投影重建的方法,并且给出一个基于多个二维投影变换及反投影重建的简单实现方式,计算机仿真实验的结果证明了该方法的可行性.本文提出的三维投影变换及反投影重建,不仅可以应用在放疗计划的设计过程中,也可用在多层CT的成像过程、数字减影等多种三维图像重建中.     

四维动态数字人体模型的开发及其在放疗计划中评估器官呼吸运动影响的研究

目的开发一种可以用于蒙特卡罗模拟的四维动态运动模型来研究不同放射治疗计划中器官运动造成的影响。方法本文阐述了一个用在放射治疗计划上来研究器官运动影响的四维数字化人体模型。该模型通过对器官控制点的采样和使用非均匀有理B样条方法,对现存的三维VIP-Man(visiblephotographicman)模型利用临床中得到的呼吸运动数据进行器官控制点的时间,空间变换,进而得到四维的数字化人体解剖模型。一种蒙特卡罗代码,EGS4(electrongammashower,version4),被用于对该四维VIP-Man模型进行放疗模拟。出于测试模型目的,我们模拟了四维VIP-Man左肺部产生一肿瘤,通过传统三维四束对穿(前,后,左,右)来模拟计算呼吸运动对肿瘤剂量分配的影响。结果在本次模拟研究中,从不同呼吸相位产生的剂量的差别可达40%。目标剂量容积直方图明显存在区别。结论初步的研究证明了四维数字人体模型用于蒙特卡罗模拟计算中的潜能。     

实时MRI引导放射治疗中边缘磁场对电子枪束流特性的影响

目的 观察实时MRI引导放射治疗（MRIgRT）系统中MR边缘磁场对电子枪束流特性的影响。方法 以电磁场仿真软件模拟平行配置MRIgRT系统中1.5T MR不同边缘磁场下Varian 600C电子枪和Litton L2087电子枪的束流特性。结果 2款电子枪在磁场中的整体表现一致。随磁感应强度增大，Litton L2087和Varian 600C电子枪电流分别缓慢增加至无磁场时的2.72%和1.93%。电子枪阳极出口处电流在经历初始稳定水平后开始减少，达到最小值后电流缓慢增加，电流损失最大分别可达80.25%和73.48%；高场强处，束流半径出现周期性变化；束流均方根发射度存在波动。结论 平行配置的MRIgRT系统中，边缘磁场会对电子枪束流轨迹产生影响，导致大量电流损失，均方根发射度变化巨大。     

APBI治疗过程中身体主要器官吸收剂量的蒙特卡洛模拟

目的:使用蒙特卡洛方法分析患者接受加速部分乳腺照射(APBI)治疗过程中身体主要器官的剂量分布。方法:使用Mammo Site球囊进行后装治疗是一种主要的APBI照射治疗手段。与传统的全乳腺照射(WBI)相比,APBI的治疗周期更短,对心肺的副作用更小。蒙特卡洛方法是一种基于概率和统计理论的数值计算方法。能对放射治疗计划提供最准确的器官剂量信息。本文使用MCNP5蒙特卡洛罗粒子输运软件包和三维异构体素模型RPI-Adult Female模拟左右两侧乳房分别接受APBI治疗时身体主要器官所受到的剂量。结果:当不同侧乳房接受治疗时,需分情况考虑不同器官所受到的剂量。另外由于治疗区域靠近心脏和肺部,当对患者进行APBI治疗时,需格外考虑心脏和肺的辐照剂量,必要时可以采取缩野,以免对心肺造成不必要的放射性损伤。结论:本篇文章使用蒙特卡洛方法和体素模型对接受APBI治疗的患者的全身大部分器官受到的剂量进行研究,模拟结果对临床医生和物理师开展APBI治疗具有一定的指导作用。     

新一代虚拟人体解剖模型开发研究及其在放射医学及防护中的应用

人体辐射剂量的评估是核医学及辐射防护的重要任务之一。在实际工作中，由于时间、场地、探测器等客观条件的限制，经常无法或者不方便进行直接测量。从1966年以来，人们开始利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法来虚拟计算各个器官所受的辐射剂量，并为此开发了各种各样的虚拟人体计算模型。笔者对于目前国外人体模型的发展状况进行了调研和比较，并结合中国数字化虚拟人体项目的启动，提出开发中国解剖学人体模型的可能性和挑战。     

三维超声软件系统Ultra 3DTM的设计及临床应用

三维超声成像技术作为科研课题已经存在多年,随着计算机和图像处理技术的进步,开发具有临床应用价值的三维超声影像软件系统吸引了越来越多的注意力.本文基于开发Ultra 3DTM三维超声软件的经验,对三维超声成像系统的特点,设计和实现进行了分析和介绍.临床应用的实例验证了Ultra 3DTM系统的稳定性和有效性.     

基于级联3D U-Net的CT和MR视交叉自动分割方法

目的:基于级联3D U-Net,利用配对患者头颈部数据［CT和磁共振图像（MRI）］,取得比仅CT数据更高分割精度的视交叉自动分割结果。方法:该级联3D U-Net由一个原始3D U-Net和改进的3D D-S U-Net（3D Deeply-Supervised U-Net）组成,实验使用了60例患者头颈部CT图像及MRI图像（T1和T2模态）,其中随机选取15例患者数据作为测试集,并使用相似性系数（DSC）评估视交叉的自动分割精度。结果:对于测试集中的所有病例,采用多模态数据（CT和MRI）的视交叉的DSC为0.645±0.085,采用单模态数据（CT）的视交叉的DSC为0.552±0.096。结论:基于级联3D U-Net的多模态自动分割模型能够较为准确地实现视交叉的自动分割,且优于仅利用单模态数据的方法,可以辅助医生提高放疗计划制定的工作效率。     

基于临床质子加速器的DeepPlan笔形束模型构建

目的:基于佛罗里达大学质子放疗中心（University of Florida Health Proton Therapy Institute, UFHPTI）质子加速器在笔形束扫描模式下的临床实验数据,在DeepPlan中构建相应模型,验证模型构建的准确性并初步应用于临床前列腺癌的剂量计算。方法:在DeepPlan质子模块中建立UFHPTI质子加速器的笔形束计算模型,并将剂量计算结果与临床实验数据进行对比,包括30组积分深度剂量（Integrated Depth Dose, IDD）、30组空气中质子束斑发散大小、1组多能量多点照射下的纵向扩展布拉格峰（Spread Out Bragg Peak, SOBP）和横向剂量分布,以此验证模型构建的准确性。最后以UFHPTI的两个前列腺癌临床放疗计划为指导,将DeepPlan计算结果与商用放疗计划系统RayStation计算结果通过PTW公司的VeriSoft软件进行gamma分析。结果:DeepPlan质子模块计算产生的30组IDD与UFHPTI加速器的临床实验数据平均相对误差为0.01%,最大相对误差为0.23%;30组空气质子束斑发散大小与临床实验数据平均相对误差为0.15%,最大相对误差为1.14%。在多能量多点照射下,DeepPlan质子模块计算产生的SOBP与临床实验数据平均相对误差为1.07%,最大相对误差为3.91%;横向剂量分布和临床实验数据平均相对误差为1.92%,最大相对误差为4.09%。针对两个前列腺癌的放疗计划,DeepPlan质子模块与RayStation计算的三维剂量结果在以3 mm/3%的标准下每个子野的gamma通过率都达到95%以上,其中病例1两个子野（270°和90°方向）的gamma通过率分别为96.4%和97.5%,病例2两个子野（270°和90°方向）的gamma通过率分别为99.3%和98.9%。结论:在DeepPlan中构建了与UFHPTI质子加速器相匹配的笔形束模型,该模型可初步应用于临床前列腺癌的剂量计算。     

基于U-net的心脏自动勾画模型的临床应用及改进

目的:拟分析基于不同医院数据的心脏自动勾画模型在临床应用中的适用性及其改进方法。方法:首先,建立基于U-net和Inception模块的心脏自动勾画网络。其次,收集不同治疗中心的患者数据:中国科学技术大学附属第一医院65例（数据1）、MICCAI2019比赛数据50例（数据2）、数据1和2的混合数据（数据3）、郑州大学第一附属医院50例（数据4）和郑州大学第一附属医院100例（数据5）,分别训练得到模型1～5。然后,以郑州大学第一附属医院59例患者作为测试集,使用形状相似性系数（DSC）评估该测试集在不同模型上的分割精度,比较模型之间的差别。最后,将模型3作为心脏预训练模型,采用数据5进行模型再训练,分别测试3组实验（20例/次×5次、10例/次×10次、5例/次×20次）对心脏预训练模型的改进情况。结果:测试集在模型1~5中的平均DSC为0.926、0.932、0.939、0.941和0.950。在再训练过程中,模型在20例/次×5次的实验中表现更稳定。结论:基于不同医院的数据训练模型在心脏自动勾画的临床应用上表现存在差异,使用本地医院数据进行训练的模型预测精度更高。对于非本地数据训练的模型,基于本地数据再训练可以有效提高模型预测的精度,其中以20例/次的再训练方式效果较好。     

X (γ)射线全身照射过程中患者全身剂量分布的蒙特卡罗模拟

目的 对比实际测量结果探究利用蒙特卡罗方法模拟患者在实际X (γ)射线全身照射过程中全身剂量分布的可行性。方法 利用MCNPX构建准确的医科达Synergy加速器6 MV治疗头蒙卡模型,根据CT值与物质密度的关系将ATOM物理体模的CT转换为用于MCNPX计算的体素模型,模拟患者在X (γ)射线全身照射过程中常用的水平照射方式中全身的剂量分布,并将模拟结果与热释光剂量计在ATOM物理体模内不同位置处的测量值进行对比分析其差异。结果 标准源皮距下6 MV加速器治疗头模型在水模体中计算的百分深度剂量曲线和离轴剂量曲线与医院的实际测量值差异性均<2%,其中10 cm×10 cm射野下的最大剂量点深度约为1.5 cm,与实际测量值相符。全身照射中体模内不同位置处剂量的模拟结果与热释光剂量计测量值的最大差异性约为4%,MCNPX的模拟结果与热释光的测量结果基本符合。结论 MCNPX较精确地模拟计算患者全身照射的剂量分布,蒙特卡罗模拟为全身照射过程中患者全身剂量的均匀性优化提供了可能。