X射线诱导声学计算机断层扫描技术在骨密度检测的研究

摘要

随着信息科学技术的发展，计算机科学技术在医学领域也得到了极大的应用。现代医学可以说已经离不开计算机科学技术，其中的计算机辅助诊断技术与计算机指导癌症放射治疗技术越来越受到人们的关注，它们是近几年来在多学科交叉领域中兴起的前沿课题，随着数字化、智能化进程的发展，计算机辅助诊断技术以及计算机指导癌症放射治疗技术的应用将会有更加广阔的前景。本论文主要研究了两项与上述两种技术相关的理论及其临床应用。 骨质疏松症是一种最常见的代谢性骨骼疾病，其特征是骨量低，当骨强度受损并导致骨折风险增加时，就会导致骨质疏松症。骨矿物质密度（Bone mineral density，BMD）是骨耐受负荷和骨折的主要预测指标，现在有大量的研究测量 BMD，但仍然存在一些问题有待解决。X射线诱导声学计算机断层扫描（X-ray-induced acoustic computed tomography，XACT）是一种新的很有前景的成像模式，它将X射线吸收的高对比度与超声波提供的高分辨率的优势相结合。在本研究中，我们提出了用于骨密度成像的三维XACT成像系统并在MATLAB上用K-wave工具箱进行了仿真实验。我们设计了一个三维球面探测器阵列并研究了它的最佳成像位置以及系统成像分辨率，沿轴向和横向的成像空间分辨率为123-130μm。我们使用真实生物样本生成的数字模型，模拟了小鼠骨骼微结构的三维XACT成像。该研究的结果将极大地增强XACT成像在评估骨疾病中用于未来临床应用的潜力。 XACT作为一种新颖的有前景的成像模式，其成像原理跟X射线的吸收有关，XACT成像不仅可以用来辅助诊断器官组织的病变，它的另一个应用方向在于癌症放疗过程中的放射剂量实时监控。在放疗实施之前，放射治疗计划的制定是尤为重要的，因为它指导放疗的整个过程。在本论文另一部分研究中，基于知识的肝癌调强放疗计划自动优化技术目的在于为个体患者半自动制定精确地放疗计划，计算出靶区和危及器官的放射剂量，并指导放射治疗的过程，是放射治疗过程中 XACT进行剂量实时监控的前提，对精准放疗的发展具有相当大的意义。 调强放射治疗（Intensity modulated radiation therapy，IMRT），其基于计算机的逆向放疗计划优化，可以向肿瘤递送更高的治疗剂量，同时减少对邻近正常组织的影响。然而，目前每个IMRT计划都是从头开始的，并使用试错法进行优化，这种方法既费时又主观。基于知识的计划自动化优化技术旨在减少计划质量的不一致和计划制定的时间。基于知识的计划自动优化软件-RapidPlan，通过训练由不同患者计划组成的模型库来获得可以预测新患者剂量-体积直方图（DVH）的模型，并使用这些模型来设置优化目标，然而软件刚处于试用阶段，对模型预测能力以及其临床应用仍待进一步研究。这项工作的目的是针对具有特殊解剖特征的患者的肝脏调强放疗（IMRT）治疗的临床计划与RapidPlan自动优化的计划进行比较，并研究一般模型（Model-G）与我们的特定模型（Model- S）的预测能力。我们的研究结果表明，RapidPlan可以自动生成高质量的放疗计划，两个模型相比较，RPS计划显著提高了的靶区适型度以及显著降低了右肾和脊髓的剂量。对具有特定结构的病例来说，小而精的模型比尺寸大的模型对模型的预测能力影响更大。

目录

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第一章 引 言

1.1骨质疏松症的简介

1.2骨密度检测技术的发展现状

1.3基于激光的光声成像

1.4 X射线诱导声学计算机断层扫描（XACT）的提出

1.5 本论文主要的研究内容与结构安排

2.1 XACT成像原理

2.1.1光声效应方程

2.1.2 XACT成像中骨密度与初始压力的关系

2.2 三维XACT重建算法的研究

2.2.1时间反演算法

2.2.2滤波反投影算法

2.2.3基于全变分的迭代算法

2.3小结

第三章基于球面探测器阵列的三维XACT成像的仿真实验

3.1仿真实验设计流程

3.2球面探测器阵列设计

3.3小鼠真实骨密度计算过程

3.4 k-wave仿真实验

1）XACT系统分辨率测试

2）使用幻影进行XACT成像

3）小鼠骨密度的三维XACT成像

3.5实验结果与分析

3.5.1 XACT系统分辨率测试

3.5.2复杂模体的三维XACT图像重建

3.5.3小鼠骨密度的三维XACT图像重建

3.6小结

第四章 基于知识的肝癌调强放疗计划自动优化技术的研究

4.1研究背景及意义

4.1.1 XACT在放射剂量实时监测的应用

4.1.2基于知识的放疗计划优化技术的提出与发展现状

4.2实验方法

4.2.1临床计划

4.2.2模型库及DVH评估模型配置

4.2.3验证组

4.2.4 RapidPlan性能评估

4.3实验结果与分析

4.4小结

第五章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢