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

发布时间：2020-10-01 18:43

　　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。
【学位单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O434.1;R580
【部分图文】：

成像系统

图 1-4-1 XACT 成像原理图为了诱导声波，X 射线被内壳电子的激发吸收并产生光电子，被激发的电子通过电磁辐射（可以被重新吸收）或通过俄歇过程衰减，俄歇电子和光电子通过产生二次电子级联将其部分动能转移到周围介质中，在多次碰撞之后，这些电子达到热平衡，从热化的激发电子系统到组织的能量转移由电子声子相互作用控制，从而增加了原子系统的温度。照射体积中温度的升高通常小于 1 毫克，产生的压力波是 X 射线诱导的声学（XA）信号，即 X 射线束向下传播，从探测目标产生 XA 信号（图 1-4-1）。 X 射线诱导的声学效应过程本质上是三维的，因为 XA 波本质上是球形的，并且从它们的生成点向所有方向传播，将 XA 信号用于体积成像是它独特的优势，单个投影 X 射线曝光足以在三维空间中产生声信号。

成像原理

图 1-4-1 XACT 成像原理图内壳电子的激发吸收并产生光电子，被激发通过俄歇过程衰减，俄歇电子和光电子通过围介质中，在多次碰撞之后，这些电子达到量转移由电子声子相互作用控制，从而增加通常小于 1 毫克，产生的压力波是 X 射线诱播，从探测目标产生 XA 信号（图 1-4-1）。的，因为 XA 波本质上是球形的，并且从它们于体积成像是它独特的优势，单个投影 X 射

流程图,仿真实验,流程图

的声学效应引起的初始压力，然后我们使用 Matlab K-Wave 工具箱从发生点和超声波诱导 X 射线诱导的超声波传播以及超声探测器阵列探测到超声信号进行模拟仿真，通过迭代重建算法对初始压力进行XACT图像的三维重建。图3-1-1展示了仿真实验的流程。图 3-1-1 仿真实验流程图图 3-1-2 展示了我们设计的三维 XACT 成像的仿真示意图，它利用直线加速器发出的 X 射线，照射到生物的被测组织上（图中蓝色立方体），生物组织间歇性吸收热量，并向周围空间发射超声波，采用我们设计的球面超声探测器收集超声信号。山东师范大学硕士学位论文

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