用于肺癌精准放疗的高分辨移动条带CT影像引导关键技术基础研究

Image guided radiotherapy (IGRT) stands for the developing trend of radiation oncology nowadays. However, after the application of IGRT for more than ten years, it doesn’t improve the overall outcome at cancer treatment. The main reason is that the current IGRT technique can neither get high resolution on line images nor deliver the dose accurately by adjusting the treatment plan before each fraction, therefore, the treatment may miss the tumor while bring more complications. Especially for the lung cancer, the motion artifact and the position uncertainty make the current IGRT technique unsatisfied to accurate radiotherapy. Considering this scitifict issue, based on our previous achievements, a high resolution moving band CT (MBCT) imaging method is proposed. MBCT have open architecture like cone-bema CT (CBCT) and the advantagement of denoising like fan-beam CT as well. It will improve the IGRT image quality, enable the accurate irridation dose calculation and on-line plan optimization algorithms. This technique will bring IGRT clear images and accurate dose delivery, which will cover the current shortage of IGRT and bring more benefit to the patients.

影像引导放射治疗（IGRT）代表了当今放疗发展的趋势，但是，其经过十余年的应用并未在实质上提高肿瘤治疗收益，主要原因是现有IGRT技术“看得不够清、打得不够准”，即未能获取高分辨的在线影像，从而无法在线调整放疗计划，导致肿瘤漏照和正常器官的误照。特别是肺癌，由呼吸运动带来的运动伪影和位置不确定性导致现有IGRT技术已无法满足精准放疗的要求。就此科学问题，在前期C型臂CT成像和呼吸监控系统研究工作的基础上，我们提出一种高分辨移动条带CT（Moving Band CT，MBCT）成像方式，融合锥形束CT开放式结构和扇形束CT抑制散射的优点，从空间、密度和时间分辨率上提高IGRT图像质量，并使该图像能够支持准确的剂量计算，从而建立基于先验信息的在线放疗计划优化方法，实现计划在线调整，使IGRT可以“看得清、打得准”，从成像和计划优化两个关键技术上改变现有不足，提高放疗准确性，为患者带来更大收益。

提出新的 CT 成像方法和放疗计划优化方法，围绕“成像”和“计划优化”两个关键技术，从三维重建算法、图像后处理算法、形变配准算法、多判据放疗计划优化算法、肺癌统一呼吸运动模型等五个方面进行基础理论研究，形成适于肺癌精准放疗的高分辨影像引导系统。.1. “开放式MBCT 成像技术”部分，按计划完成了如下五个方面的研究内容：.（1）优化MBCT 成像参数；建立MBCT的蒙特卡洛仿真试验平台。“锥形束CT成像仿真软件”获批软件著作权.（2）“搭建成像平台”；搭建前后两个版本的MBCT成像光学试验平台，先后实现了固定光栅、可调节固定光栅、旋转光栅、可调节旋转光栅四种成像方案。其中一项专利启动向国内放疗龙头企业（山东新华医疗器械股份有限公司）转化。.（3）呼吸信号和肿瘤图像采集平台；.（4）建立统一呼吸运动模型；构建并训练全卷积循环神经网络呼吸运动预测模型.（5）提升图像质量；从投影图像、重建后的三维图像两方面，提出一系列10种提升图像质量的方法.2. “在线放疗计划优化技术”部分，按计划完成了如下研究内容：.（1）改进形变配准算法；形变配准平均偏差减少28.60%，形变配准时间换算成70层达到19.71秒（目标值<20秒）.（2）开发软件平台；将上述形变配准算法融入“图像引导放疗工作站软件平台”，通过国家食药监局型式检验，进入临床试验阶段.（3）自动在线计划；开发了基于先验信息的在线计划自适应算法，根据参考放疗计划和在线肿瘤和器官轮廓实现自动生成自适应在线计划，优化及剂量计算时间1分19秒（目标值：＜2分钟）.（4）基于统一呼吸运动模型的电动多叶光栅追踪放疗优化技术；.（5）“器官自动分割”；提出了一种带回溯的最小路径传播算法（MPP-BT），以实现在CT图像中自动提取类曲线结构，与手动提取的血管相比，MPP-BT 方法相似性系数达0.804，而计算时间仅为传统方法的23%.（6）“放疗计划个体化生物优化”：提出“一种在Pinnacle治疗计划系统上实现放疗计划移植的方法”，可以将MBCT用于Pinnacle放疗计划的自适应剂量评估，扩展了在线影像的应用空间；证实前列腺癌患者放疗计划设计过程中，使用个体化生物优化技术后，膀胱远期并发症风险降低近20%。