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DTS在放疗摆位中的应用研究

作　者: 冯亚崇
导　师: 周凌宏
学　校: 南方医科大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 图像引导放射治疗摆位误差数字重建影像锥形束CT FDK算法数字合成X线体层图像图形处理器 CUDA
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,癌症的发病率和死亡率均呈上升趋势,已成为威胁人类生命健康的主要杀手之一。放射治疗是治疗恶性肿瘤的重要手段之一,随着肿瘤治疗学的发展,它和外科肿瘤学、内科肿瘤学一起成为治疗恶性肿瘤的主要手段。据世界卫生组织的统计资料,大约有70%的肿瘤患者在病程的不同时期需要接受放射治疗,如单纯放射治疗、术前或术后放射治疗、放射治疗合并化疗等。与其它肿瘤治疗方法相比,放射治疗的起步较晚,至今也不过百年的时间,但其发展却是突飞猛进的,尤其是计算机的出现,使得放射治疗逐步朝着定量化、精确化、程式化、智能化的方向发展。局部未控、复发和远处转移是导致肿瘤放射治疗失败的主要原因。提高恶性肿瘤的局控率对控制肿瘤的复发和转移、提高患者的生存率有非常重要的意义。肿瘤精确放射治疗,就是在物理上最大限度地将射线集中到靶区内,使肿瘤周围的正常组织和器官少受或不受照射,以最大限度的杀死肿瘤细胞,较好地保护正常组织。它要求做到：精确诊断、精确定位、精确计划、精确摆位、精确照射,三维空间上的高剂量分布与靶区形状一致,且靶区内剂量分布符合要求。摆位的准确性和重复性是影响肿瘤放射治疗疗效的关键性因素之一。病人的摆位误差是指相对于治疗机器而言,患者与照射野的位置关系中的所有不确定因素,治疗期间病人受照射靶区及临床器官的实际位置和计划位置之间的差异。摆位误差主要来源于分次治疗摆位过程中的随机误差和系统误差。随机误差是指患者每次治疗时体位重复性的差异,是在治疗期间,不同治疗分次之间的差别。另一种摆位误差是分次内误差,是指在分次治疗中单次治疗内产生的差异,这个差异主要是由病人的随机移动或周期性的移动造成的,包括呼吸运动、心脏跳动和不自主的肌肉收缩等。本课题对摆位误差校正方法进行了深入的研究,回顾了DTS在临床中的应用,重点研究和实现了DTS图像的重建,探讨了DTS硬件加速方法,并探讨了DTS成像算法在放疗摆位校正中的具体应用。图像引导放射治疗(Image-guided Radiotherapy, IGRT)是针对患者解剖和位置信息的不确定性提出的一项技术。将放射治疗机与影像设备结合在一起,在放射治疗过程中采集病人的图像信息,确定治疗靶区和重要结构的位置、运动,并在必要时进行位置和剂量分布的校正,从而提高放疗靶区的摆位精度,提高肿瘤的局部控制并减少正常组织并发症。测量摆位误差,需将治疗位置实时图像与模拟定位图像进行比较。在不改变治疗技术的条件下,通过校正摆位误差可以达到减少摆位误差的目的。根据一个或多个测量的摆位偏差,可在同一个治疗分次内校正病人位置,即在线校正,或者在下一个分次进行离线校正。目前应用最多的是2D kV或MV X线成像系统、电子射野影像系统、锥形束CT系统、正交X射线系统、CT和治疗机的结合等。基于平板探测板的锥形束CT(Cone Beam CT, CBCT)具有体积小,重量轻,开放式架构的特点,可以直接整合到直线加速器上,成为了IGRT的研究热点之一。应用于放射治疗摆位的CBCT采用圆轨迹的采集方式,X线球管以病人头脚方向为轴在一个圆轨迹上旋转一周,平板探测器采集旋转过程中的投影数据,利用这些投影数据进行容积重建,得到患者当前体位的CBCT图像,将计划CT图像与CBCT图像进行配准,得到摆位误差,从而实现精确的摆位。但是其成像需要机架旋转一周,这必然使病人接受较大的额外照射剂量(2-9cGy),和较长扫描时间(-1 min)。数字合成X线体层成像(Digital tomosynthesis, DTS)是以传统体层摄影的几何原理为基础,结合现代数字电子技术尤其是计算机图像处理技术研发的新型体层成像方法。它的主要特点是一次采集数个不同投影角度的投影数据,可回顾性重建任意深度的层面图像,可显示3D信息等。相比于CT技术,虽然DTS的分辨率较低,但是DTS所用设备简单且易与普通X线设备融合,只需有限角度的投影,这样就大大减少了检查的费用和辐射剂量。相信在未来的医学诊断中,DTS技术将发挥巨大的应用价值。目前,DTS主要应用于乳腺、胸部、关节的检查等多个领域。DTS的重建算法一般可分为直接重建法和间接重建法两种。直接重建法又包括解析法和迭代法,间接重建法则包括反投影法,二维傅里叶重建法和卷积法。其中解析法的重建速度最快,而迭代法得到的重建图像噪声较小。DTS的去噪算法一般又有空间频率滤波法、矩阵反转法、滤波反投影法和迭代去噪法等。其中任何一种方法都不能普遍有效地应用于数字合成体层成像的所有情形。针对不同的物体结构的特点应该选择合适的降噪方法。本文使用基于FDK的改进算法,用有限角度的投影图像,实现对VARIAN23 EX医用直线加速器采集的真实人体投影数据的DTS图像重建。通过该方法重建的DTS图像,软组织和骨骼结构的清晰度明显提高。利用安装在直线加速器上的锥形束CT影像设备可以得到患者当前体位的投影数据,然后进行DTS图像重建,使DTS图像与参考图像进行配准,得到摆位误差,实现摆位校正。与CBCT相比,重建DTS图像,病人接受较低的额外照射剂量(<1cGy),只需较短的扫描时间(<10s),并且机械限制小(一般为10。-40。机架旋转)。所以,DTS适用于受运动影响的器官和特殊病人(机架不能旋转3600)的摆位验证。早期的计算机图形处理相对简单,所有工作都由CPU完成。1999年NVIDI公司推出了第一个真正意义上的图形处理器(Graphic Processing Unit, GPU)。至今,GPU经历突飞猛进的发展。在过去十几年间GPU的计算能力有了飞速的发展,平均每6个月就有性能翻倍的产品面世,其计算性能的发展速度也大大快于CPU。GPU的优势突显在较大规模的并行运算上,并且与传统的大型计算机相比成本低。CUDA是一种新的处理和管理GPU计算的硬件和软件架构,它将GPU视作一个数据并行计算设备,对所进行的计算进行分配和管理,并且无需把这些计算映射到图形API。CUDA程序的开发语言以C语言为基础,并对C语言进行扩展,因此任何有语言基础的用户都可以很容易地开发出在GPU上执行的应用程序。本文分析了FDK算法的并行计算原理,实现了DTS图像的加速重建。采用基于CUDA架构GPU技术,通过CUDA架构特有的编程方式,对DTS重建中的滤波部分进行加速计算,实现了DTS图像的快速重建。然后探索DTS在放疗摆位中的应用,根据DRRs的理论基础,利用投影法,实现了DRRs的重建。在论文的最后对研究工作中的遗留问题进行了讨论,并对今后的工作进行了展望。主要有三个问题：1、由于实验条件的限制,尚未用临床数据验证DTS摆位校正的临床有用性。论文中用到的数量的角度是否适用于其他采集条件的投影图像,以及是否最佳的角度数量仍不能确定。2、继续完善DTS加速重建,实现加权和反投影的加速计算。3、利用本实验室的DRRs重建方法和图像配准方法,组合形成一套可供临床应用的摆位校正系统。

全文目录

摘要  3-7
ABSTRACT  7-15
第一章绪论  15-21
  1.1 背景与意义  15-16
  1.2 IGRT具有代表性的技术  16-19
  1.3 主要工作  19
  1.4 内容安排  19-21
第二章 DTS重建算法研究  21-42
  2.1 引言  21
  2.2 DTS重建方法的原理分析  21-34
    2.2.1 线性积分的测量  21-22
    2.2.2 位移与叠加法  22-29
    2.2.3 迭代法  29-30
    2.2.4 矩阵反转法  30-31
    2.2.5 滤波反投影  31-32
    2.2.6 FDK相似的算法  32-34
  2.3 仿真实验与分析  34-35
  2.4 结果与讨论  35-42
第三章 DTS硬件加速技术  42-53
  3.1 引言  42
  3.2 FDK算法的并行原理分析  42-44
    3.2.1 按旋转角度划分的并行计算  42-44
    3.2.2 按重建对象切片划分的并行计算  44
  3.3 基于CUDA的DTS加速技术  44-51
    3.3.1 CUDA工作原理  44-49
    3.3.2 DTS加速重建  49-51
  3.4 结果与讨论  51-53
第四章 DTS在放疗摆位校正中的应用  53-61
  4.1 引言  53
  4.2 在线数据  53
  4.3 参考数据  53-55
  4.4 RDTS图像与DTS图像的配准  55-59
  4.5 实验结果与分析  59-61
第五章总结与展望  61-63
参考文献  63-66
攻读硕士期间发表的论文及取得的成果  66-67
致谢  67-70
统计学证明  70

DTS在放疗摆位中的应用研究

内容摘要

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