影像引导放射治疗中锥形束CT双能成像及其优化机制研究

The scattering artifacts resulted from on-board kV cone beam computed tomography (CT) for image-guided radiation therapy cause the low tissue resolution. The dual energy CT technology has the advantages of material resolution function. The combination of dual energy and cone beam CT would be conducive to personalized imaging for image-guided radiotherapy. Scatter correction and low-dose optimization are the main factors that influence the clinical application of the dual-energy cone beam CT for personalized radiotherapy. This project is set to realize the dual energy imaging system of cone beam CT and imaging optimization, and to investigate the effect of scattering artifacts on the decomposition of basic materials in dual-energy imaging and the effect of energy selection on feature extraction. The study mainly includes: (1) the establishment of the dual-energy cone beam CT imaging by Monte Carlo simulation, which could describe the physical process of imaging and output the characteristic density images and organ dose of the object; (2) the cone beam CT images scatter correction based on the projection data; (3) the energy modulated organ dose optimization. The goal of the study is to improve the dual energy cone beam CT image quality and reduce the radiation dose, and to seek the optimal combination of energy for dual energy cone beam CT to provide high quality images in the image-guided and adaptive radiotherapy application, which could be instructional for its clinical application.

影像引导放射治疗中机载锥形束CT因散射伪影等因素导致图像分辨率低，双能技术具有提取特征信息的功能性优点，双能锥形束CT的应用将有利于个体化精准放射治疗中图像引导的优化。散射校正和剂量优化是影响双能锥形束CT应用于临床的关键因素，因此本项目立足于解决锥形束CT双能成像实现及图像优化机制，探讨散射伪影对双能成像分解基物质系数的影响以及能量优化对提取特征信息的影响。研究内容包括1)锥形束CT双能成像系统建立，利用蒙特卡罗模拟方法描述成像的物理过程，输出被测物体特征密度图像和单能重建图像以及器官剂量；2)基于投影数据去散射光子的散射校正方法；3)基于入射束能量调节的器官剂量优化。以期提高双能锥形束CT图像质量和降低成像辐射剂量，寻求双能成像最优的能量组合，分析其在肿瘤及正常组织分辨上的功能性，为其在临床实际应用上提供理论依据和数据支撑，使其在图像引导放射治疗及自适应放射治疗应用中提供优质影像帮助。

锥形束CT具有扫描速度较快、射线利用率高、剂量低等优点，广泛应用于图像引导放射治疗中肿瘤患者分次放疗间摆位误差的修正。由于锥形束CT图像散射伪影和噪声较为严重、组织分辨率不足等缺点影响个其在精准放疗中的进一步应用。为获取较高质量锥形束CT图像，本研究基于蒙特卡罗模拟，对锥形束CT图像散射校正、双能成像方法进行研究。主要研究内容有（1）完成一套基于蒙特卡罗模拟（GEANT4/GATE）的锥形束CT成像系统（CBCTITK）设计，实现对放射治疗加速器机载锥形束CT的成像模拟，包含X射线源设计和探测器设计，可动态获取体膜投影数据，系统验证模拟数据与实际测量数据误差在5%内。（2）实现锥形束CT图像投影域基于蒙特卡罗模拟经验数据的散射校正方法，在锥形束CT成像模拟过程中去除散射过程中的散射光子数，为双能成像基物质分解等过程建立优质的投影数据。为研究散射校正方法的可行性，应用临床40例病例研究表明与基于计划 CT图像的计划和基于散射校正后 CBCT图像计划两者 PTV和 OARs剂量学差异小于1%。 （3）实现基于蒙特卡罗模拟数据库的基物质分解的双能成像方法，通过锥形束CT模拟系统获取两种基物质Al和PMMA不同厚度组合下投影模拟值，建立高低能量下（80kV和140kV）两种基物质的投影数据库，对实际测量输出的体模CIR062投影域数据进行优化搜索，获得基物质分解系数投影，三维重建后获得分解系数，进而获得电子密度图像，有效电子序数图像等，实现锥形束双能成像。系统验证结果表明重建数据相对电子密度误差小于5%，有效原子序数小于6%。该方法可应用于经过蒙特卡罗经验数据散射校正后的实际病患锥形束CT投影图像数据，提升锥形束CT电子密度精度，为后续锥形束CT在精准放疗和自适应放疗中治疗计划规划和剂量计算有很大应用价值。