放射治疗
基于VoxelMorph无监督缺失图像配准的无标记射束方向观肿瘤跟踪算法
中华放射医学与防护杂志, 2022,42(12) : 958-965. DOI: 10.3760/cma.j.cn112271-20220628-00272
摘要
目的

基于机器学习提出可应用于低图像质量、多叶准直器(MLC)遮挡和非刚性变形兆伏级(MV)图像的无标记射束方向观(BEV)肿瘤放疗跟踪算法。

方法

采用窗口模板匹配法和Voxelmorph端到端无监督网络,处理MV图像中的配准问题。使用动态胸部模体,验证肿瘤跟踪算法的准确性。将模体质量保证(QA)计划在加速器上手动设置治疗偏移后执行,收集治疗过程中的682幅电子射野影像系统(EPID)图像作为固定图像;同时采集计划系统中对应射野角度的数字影像重建(DRR)图作为浮动图像,进行靶区跟踪研究。收集21例肺部肿瘤放疗的533对EPID和DRR图像进行肿瘤跟踪研究,提供治疗过程中肿瘤位置变化定量结果。图像相似度用于算法的第三方验证。

结果

算法可应对不同程度(10%~80%)的图像缺失,且对数据缺失图像的非刚性配准表现较好。模体验证中86.8%的跟踪误差<3 mm,<2 mm的比例约80%作用。配准后标准化互信息(NMI)由1.18±0.02提高到1.20±0.02(t=-6.78,P=0.001)。临床病例肿瘤运动以平移为主,平均位移3.78 mm,最大位移可达7.46 mm。配准结果显示存在非刚性形变,配准后NMI由1.21±0.03增至到1.22±0.03(t=-2.91,P=0.001)。

结论

肿瘤跟踪算法跟踪精度可靠且鲁棒性好,可用于无创、实时、无额外设备和辐射剂量的肿瘤跟踪。

引用本文: 黄泰茗, 钟嘉健, 管棋, 等.  基于VoxelMorph无监督缺失图像配准的无标记射束方向观肿瘤跟踪算法 [J] . 中华放射医学与防护杂志, 2022, 42(12) : 958-965. DOI: 10.3760/cma.j.cn112271-20220628-00272.
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放射治疗对治疗时体位精度要求很高,胸腹部肿瘤靶区由于体位固定效果欠缺,且易受呼吸心跳、器官运动及充盈状态变化和摆位偏差的影响[1,2],从而在治疗过程中肿瘤位置和形状发生变化,导致剂量覆盖不足而降低放疗效果[3],但增加靶区外扩又会带来更多的周围组织射线暴露[4,5,6]。因此,放疗过程中的肿瘤位置跟踪具有很大意义。射波刀(CyberKnife)等实时影像引导设备利用X射线透视成像跟踪法实现术中肿瘤实时成像[7],但需要植入金属标记物,造成二次创伤且会引入额外辐射剂量[8,9],且对于肺部的靶区植入标记会带来肺穿孔风险[10,11]。另外,体外标志、光学体表等利用体外信号关联体内肿瘤运动的方法也被提出[12,13]。体外和体内信号非线性相关且存在滞后性[14],患者个体化差异和异常呼吸的问题也需要解决。利用治疗兆伏级(MV)射线及配套的电子射野影像系统(EPID)获取治疗影像并进行肿瘤位置跟踪,具有无标记、无延时、不需额外设备且无额外辐射剂量的优点,但同时存在以下3个方面的问题:MV图像的高噪声水平和低对比度[15];多叶准直器(MLC)遮挡导致肿瘤图像不完整;治疗过程中肿瘤的非刚性变形[16]。肿瘤跟踪问题可以转为计划影像和治疗影像配准和偏差分析的问题。利用计划射束方向观(BEV)图像与治疗EPID影像进行配准,可计算治疗过程中靶区位置和形状变化,为治疗验证、剂量评估和动态MLC治疗等提供参考。传统配准方法基于图像强度度量优化变形场,每次配准进行大计算量的参数优化调整,很难做到实时化[17]。机器学习可通过共享通用网络参数实现高效、稳健的配准,擅长于处理非线性、信息缺失情况[18]。Voxelmorph为端到端无监督网络非刚性配准算法,采用相似性测度驱动图像变形,其速度快且不需标注,本研究选用其作为肿瘤跟踪算法的核心框架,用以应对低质量、MLC遮挡和存在形变的MV图像处理的问题。

 
 
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