文摘

客观的。本文使用最近邻传播聚类分割算法探索的影响PET / CT图像分割技术在肺癌放射治疗计划。方法。在本文中,PET / CT扫描进行12 nonmetastatic肺癌患者。自己编写自动分割程序基于相模型用于部分宠物目标区域,然后肿瘤目标区域是手工画基于CT图像和PET / CT图像,和调强放射治疗计划制定相同的参数。目标体积和剂量分布进行了分析。结果。没有统计学差异宠物自动分割目标区域和宠物手册轮廓目标区域( );细分方法是准确和可靠的;CT手工仿形目标区域之间的差异具有统计学意义( )。结论。基于最近邻传播聚类分割算法,PET / CT图像分割技术可以提高肿瘤目标区域描述的准确性。基于分割放射治疗计划目标区域可以减少正常组织接触范围和降低并发症的发生率。

1。介绍

精确放射治疗技术的快速发展,三维适形放射治疗(3 dcrt)、调强放射治疗(IMRT),和其他技术起着非常重要的作用。目标区域描述是精确放疗的基础。很长一段时间,放射治疗主要用于CT描绘肿瘤目标区域。当肺癌伴有阻塞性肺炎、肺不张及CT难以区分肿瘤的确切边界。

PET / CT功能成像在放射治疗中扮演一个重要角色。PET / CT代谢目标区域可以引导传统CT目标区域的轮廓和准确地定义肿瘤目标区域;制定放疗计划基于PET / CT领域目标区域可以防止肿瘤复发,减少正常组织损伤。PET / CT可以区分肿瘤组织与周围正常的肺组织,适用于肺癌目标区域描述。然而,手动PET / CT目标区域的分割是耗时且不准确,有急需PET / CT图像目标区域的自动分割方法在诊所。脉冲耦合神经网络(相)可以产生类似人类的视觉的识别效果和低分辨率的图像具有良好的分割效果。因为宠物可以提供病变的生物信息,使用宠物图像引导放射治疗计划的制定或修订为非小细胞肺癌(NSCLC)已成为一个研究热点。融合的准确性的PET图像和CT图像在一定程度上限制了其优势。pet - ct机同一台机器的出现大大减少了机械的错误图像融合和病人位置变化的影响。pet - ct机的融合精度可能更糟比身体的其他部位在肺部,可能影响病灶的精确定位和精确放射治疗目标区域的轮廓。 In this paper, an image segmentation technique based on PCNN model is used to segment PET/CT target area, and CT target area is compared to discuss its effect on radiotherapy plan design and normal tissue dose.

2。信息和方法

2.1。患者信息

我们筛选12肺癌患者在医院从2018年5月到2020年12月,包括7个男性和5女性,52 - 70岁,中位年龄为61年。所有患者被病理学诊断。病理类型4例鳞状细胞癌,腺癌7例,小细胞癌1例,所有没有转移。

2.2。图像采集

病人禁食6小时以上,和常规测量血糖浓度在正常范围内。静脉注射370∼555 mbq18f-deoxyglucose (18 f-fdg),休息60分钟的冷静,使用PET / CT设备在同一位置下平静呼吸,全身CT和PET扫描进行从头顶到脚的唯一。PET图像和CT图像融合在一起,和图像数据传输到放射治疗计划系统。

PET - CT机的成像,发现LS仪器被用于常规质量控制测量,确保机械融合PET和CT图像精度在2.0毫米,每个径向和实际测量精度在0.8毫米。病人超过6小时禁食,静脉注射FDG5.55 ~ 7.40兆贝可/公斤,检查后60分钟的休息。在考试期间,病人不动,平静呼吸状态。CT扫描参数140 kV、80 mA,每个环旋转时间0.8秒,0.75节。从头顶到盆底,扫描时间约为47秒,重建CT图像为4.25毫米。CT扫描后,宠物发射扫描。扫描条件144.5毫米和4分钟/床。总共5 - 7床收集从头顶到骨盆的底部。邻床之间有一层重叠,避免工件。PET图像纠正衰减使用CT图像,并进行图像重建使用有序子集最大期望值法(OSEM)。 All images were analyzed retrospectively by two observers. Two methods are used for the analysis of lesion fusion accuracy: volume method: PET images and CT images are transmitted to the Advantage Work station, and Fusion 1.0.43 software is used to fuse PET and CT images, respectively, and PET cross-sectional images (display conditions: the maximum count value at the lesion is set to 100%, and the lower limit is deducted by 45%) and the CT lung window cross-sectional image is delineated layer by layer of interest (VOI) [1]。体积(VPET)和CT三维体积(VCT):然后轮廓的总轮廓的PET图像和CT图像病变以及VOICT VOIPET的最外层边缘,名叫VOIPET + CT,获得的总容积的PET图像和CT图像病变(VPET + CT)叠加在一起。融合部分的体积的PET和CT图像病变(VPET-CT)可以通过公式VPET-CT = VPET + VCT-VPET + CT和融合的部分体积的百分比(VPET-CT)总量(VPET + CT) (PPET-CT = VPET-CT / VPET + CT)。

2.3。方法

2.3.1。图像分割方法

自己谱写的相分割算法用于自动段PET / CT图像。分割得到的目标区域命名为GTV-PET汽车。具体步骤如下:(1)图像去噪,(2)设置相参数的初始值,(3)上执行相迭代每个神经元的社区获得分割结果,(4)确定分割的结果是否达到最优分割决策标准,和(5)满足最优分割结果图分割决策准则作为最终分割结果。首先计算的平均抵消当前点和移动点的平均偏移量;然后使用这是一个新的起点上继续移动,直到满足一定的条件和目的。MS算法已成功应用于特征空间的分析,和女士已经应用在图像平滑和图像分割。MS算法的基本原理

其中,内核函数,高斯函数通常用作核函数, 是n采样点在维空间 , 代表核函数的中心,是带宽。MS算法进行图像的平滑,分割时,核函数带宽是一个重要的参数,它不仅决定了采样点参与迭代的数量,但也会影响算法的收敛速度和精度。

美联社算法根据数据点之间的相似性,集群和相似矩阵是由之间的相似性n数据点。处理图像数据时,需要定义特征空间之前计算相似性矩阵。图像的特点可以选择的颜色,质地,图像的统计特征,和形状。本文选择颜色信息为主要特征。对于彩色图像,每个点的颜色是由一个三维向量;然后像素之间的相似度定义为负的像素之间的欧氏距离,也就是说,

其中, 点的颜色值吗和点 ,和点之间的相似性值需要负值。假设图像分为米地区 MS算法后,颜色向量对应于每个地区 ,在哪里 的平均颜色组件中所有像素对应于瘙痒。时间的选择也很重要,准确地合并小区域的能力。为了取得良好的分割效果,有必要选择一个颜色空间的颜色差异是与欧氏距离有关。摘要Luv颜色模型与线性映射特征,l代表亮度,和 ,分别代表色度坐标,被定义为地区之间的相似性

AP算法引入了一个收敛的参数在信息更新,称为阻尼系数。越大 ,收敛速度越快。在每个迭代中,更新后的结果和通过加权得到更新后的值在当前迭代过程和上一次迭代的结果。假设当前迭代数t加权公式 ,其中

MSAP算法步骤如下:步骤1:使用MS算法presegment输入图像。步骤2:计算各领域平均值的颜色,把它作为数据点输入的AP算法。步骤3:计算每个区域的颜色均值的差异获取相似矩阵。第四步:设置和合理的 , ,并初始化 设定最大迭代数。图1给出了算法的流程图。本文的价值作为最小值或多个最小值的相似度矩阵, ,在哪里是一个常数, 。迭代过程的终止条件的迭代的数量超过设置最大迭代次数或多少集群中心的连续迭代不改变。第五步:根据相似矩阵和公式(3)(6)的值和计算和更新迭代,直到满足迭代终止条件,并输出最终的图像分割结果。

2.3.2。目标区域的轮廓

PINNACLEV 9.2放射治疗计划系统,有经验的放射科医生描绘肿瘤边界截面上一层一层地基于CT图像和PET / CT图像,以及由此产生的一般目标肿瘤区域表示为GTV-CT (CT手册大纲目标区域)和GTV-PET (PET / CT手册大纲目标区域)。

2.3.3。放射治疗计划设计

一位经验丰富的物理学家使用PINNACLEV9.2规划系统开发一个基于GTV-CT IMRT计划和GTV-PET汽车,分别。相同的参数用于放射治疗计划的设计。一般肿瘤目标区域扩大0.7厘米外制造边界形成临床目标区域CTV,和CTV扩展膨胀0.6厘米以外的边界形成目标区域PTV计划。采用相同的等深点做计划时,都采用户外共面设计。所有计划都使用6 MV x射线辐照的瓦里安直线加速器。规定的剂量是60 Gy (2 Gy /时间,5次/周,共计30倍)。目标剂量要求:90%等剂量曲线包围着PTV。器官剂量要求如下:风险V20在两肺≤30%,距离≤40 Gy脊髓,在食道距离≤45 Gy, D1/3≤50 Gy的心。目标区域的剂量和器官剂量直方图逆向风险评估。

2.4。统计分析

使用SPSS13.0统计分析软件进行成对t以及制造中心的平均体积目标区域的三个不同的写生方法。配对t以及进行放射治疗计划的剂量根据GTV-CT和GTV-PET汽车、和 意味着有统计学差异。

3所示。结果

3.1。目标量的比较

选择一个病人的数据解释。GTV-PET汽车的目标区域,GTV-PET GTV-CT图所示2。红色线表示GTV-PET汽车、黄线表示GTV-PET,绿线表示GTV-CT。从图可以看出,红色和黄色线几乎重叠,GTV-PET汽车的区别和GTV-PET很小。GTV-PET汽车和GTV-PET都是< GTV-CT。

软件计算出目标卷制造中心在三个草图方法,和平均制造中心12例表所示1。之间没有统计上的显著差异GTV-PET汽车和GTV-PET ( )。GTV-PET汽车和GTV-PET都不到GTV-CT,有统计学差异( ),这也进一步验证了以上结论。

3.2。剂量的评估和比较

放射治疗计划的剂量分布基于GTV-CT和GTV-PET汽车如图3。它显示了基于CT目标区域的调强放射治疗计划。图3 (b)展示了调强放射治疗计划基于宠物目标区域。可以看出,正常肺组织的摄入量根据宠物的目标面积小得多,和其他正常组织的摄入量也降低了。

正常组织剂量放疗计划的两组的比较如表所示2。从比较可以看出,在相同剂量的60 Gy给肿瘤目标区域,宠物目标区域的计划是远远低于CT目标区域的计划,和肺组织V20和V30显著降低( )。

4所示。讨论

PET / CT,结合功能图像信息和解剖信息,广泛用于精确放射治疗。常用的CT和MR图像相比,PET / CT图像更有利决定肿瘤的范围和淋巴结转移。研究表明,PET / CT用于描述肺肿瘤目标区域,这可以减少制造时伴有阻塞性肺炎、肺不张,从而更好地保护正常肺组织(2]。通过检测纵隔淋巴结的灵敏度高于CT (3),它可以检测正常的转移性淋巴结大小显示在CT,使制造草图更准确。精确放射治疗计划指导下PET / CT预计目标区域,以避免错过了辐射的风险目标区域,可以更好地保护正常组织,这有助于改善病人的局部控制速度,减少并发症。

近年来,PET - ct机应用程序的宠物和3 dcrt对非小细胞肺癌已经收到了广泛的关注。pet - ct机特别是一体化系统已成为一个新的放疗模拟定位平台由于其突出的优势功能紧密结合的图像和解剖图像。精确测量融合精度的损伤是非常重要的进一步探索磁共振图像融合的影响在精确放射治疗目标区域。图像融合的主要影响精度的因素包括图像属性的差异;内部器官的生理运动如呼吸运动;机械PET和CT采集系统之间的错误;运动和差异在PET和CT采集病人的位置。pet - ct机的一体化系统,后两个因素的影响已经大大减少,而前两个的影响仍然存在。磁共振成像的肺癌,呼吸流动图像质量的一个重要影响因素和目标区域描述。在磁共振检查,PET扫描时间相对长,整个胸部图像收集4分钟。 The PET image is the superposition of all the information of the lesion during the entire respiratory cycle. Due to the special laws of respiratory movement, in general, the lesion is in the exhaled state longer than the inhaled state, so the PET image may more mainly reflect the information under the exhaled state of the lesion. The CT scan time is very short, and the image of the entire chest is collected for about 8 seconds, which reflects that the information of the respiratory phase at a certain stage of the lesion at that time has a certain relationship with the respiratory frequency and respiratory amplitude of the patient under examination. The randomness of respiratory motion effects may be more pronounced than PET images. The difference in the acquisition phase of the two will cause the PET image and CT image of the lung lesions to not be accurately fused together. When there is a certain fusion error, if the PET-CT fusion image is used to delineate the target area, in order to avoid geometric loss, it needs to be carried out along the outer edge of the fusion lesion, so that the target area can be delineated using PET or CT images alone. Also, time may affect the dose distribution. The author's research shows that when PET-CT fusion images are used to delineate the target area, the dose difference between the lung dose (V20, average lung dose), heart, and spinal cord is statistically significant. The increase in the above normal tissue dose is mainly because the volume of the target area outlined by different images is different; PTV compared with PET + CT group is the largest in the three groups of plans, so the normal tissues, especially the lungs, are also the highest in this group of plans. According to the grouping analysis of the lesions in different positions (upper and lower lungs), there was no statistically significant difference in the V20 of the upper lung lesions in PET, CT, and PET + CT groups, while the difference in the three groups of lower lung lesions was obvious. The main purpose of PET image in the outline of the target area is to better find the boundary between active tumor cells and nontumor tissue and to supplement and modify the target area outlined by CT anatomical images. Because the two images are essentially different, in order to minimize the impact of inconsistent metabolic information and anatomical information in the lesion, the study mainly selected lesions with clear borders, no atelectasis, no inflammation, and obvious FDG uptake. The difference of GTV-PET is not statistically significant, so we can focus on the analysis of the influence of respiratory motion on the fusion accuracy of the two. Because the current radiotherapy planning system is based on CT, although the use of PET images for delineation can reduce the amount of normal tissue [4),还有一个几何的风险损失,因为仍然没有病理验证研究PET和CT目标区域的描述。报告需要进一步深入研究。

虽然PET / CT显示重要价值的肿瘤放射治疗计划的设计,由于PET / CT的采集时间长,严重影响了呼吸和心跳,和较低的图像分辨率,PET / CT在放疗的应用是有限的。图像对比度较低很难区分肿瘤周围组织的目标区域。即使是经验丰富的临床医师,手动分割是困难和耗时的PET / CT图像。因此,临床迫切需要对PET / CT图像目标区域的自动分割。吴(5肺癌)相比,三种方法圈定目标区域:40%阈值方法,SUV = 2.5描述方法,和公式的方法,但是这些方法并不普遍。相可以产生类似人类的视觉的识别效果,适用于低分辨率的图像分割。因此,本文使用了一个基于相模型的图像分割方法,独立编写自动段PET / CT图像。GTV-PET汽车平均结果是(142.54±120.73)立方厘米,平均GTV-PET手动划定目标区域(146.20±101.32)立方厘米。两者之间的差异没有统计学意义( ),表明这种方法是可靠和准确的。

最初作者的研究结果显示,即使机器系统误差只有0.8毫米的范围内,和特定的固定设备用于限制考试期间的运动主题,这个主题进行磁共振检查而平静地呼吸。然而,之间仍然存在一定的偏差的PET图像和CT图像融合肺部病变,并融合精度之间的差异上肺损伤和降低肺部病变不明显,需要进一步的研究来证实。因此,更要注意融合精度的影响当使用磁共振图像融合制定放疗计划为特定的肺部病变如下。pet - ct机由于呼吸运动的影响,同一台机器的形象有一定的偏差在NSCLC的显示目标区域。为了提高PET图像功能目标区域描述的准确性,PET - CT机的临床应用需要引进四维浇注技术制定放疗计划或使用CT扫描在一个特定的呼吸状态,并使用相应的PET图像和CT图像融合呼吸运动阶段描绘目标区域,更实际地反映人体损伤的状况,进一步提高放射治疗的准确性,提高剂量奠定了基础。Zbib et al。6]研究了pet - ct机呼吸动力学的影响胸部融合图像。病人接受CT扫描在平静呼吸,呼气末最大呼吸控股,最大呼气控制呼吸,呼气末正常呼吸。这是−11.6−44.4−9.5,和0.4毫米,表明同一台机器的正常过程end-tidal CT扫描图像融合系统或不同的机器系统造成最小的呼吸动力学。Zhang et al。7)报道,使用封闭的肺癌的FDG PET成像技术可以减少肿瘤体积和28%的标准摄入值56.5%,而使用呼吸PET - CT机的损伤齿轮的PET和CT扫描图像,可以减少到低于5毫米的距离(8),哪个更有利于准确描述目标区域和保护正常组织到最大程度。

PET / CT成像具有重要临床价值在确定肺癌目标区域的范围。Tran和吴1)划定目标肿瘤领域基于PET / CT图像和36个肺癌患者的CT图像,发现21例放射治疗的目标地区不同程度的改变。在12例,目标区域减少由于区分肿瘤和肺不张,7例,目标区域增加。徐et al。2]分析了92例肺癌病人PET / CT定位扫描放射治疗前,发现45例有显著变化。本研究发现,PET / CT图像分割得到的目标区域项目GTV-PET汽车< CT手动划定目标区域。GTV-PET汽车的平均值(142.54±120.73)立方厘米,和GTV-CT的平均值(161.43±139.30)立方厘米。两者的区别是重要的和统计学意义( )。的原因减少的目标区域在8 12例,PET / CT图像区分肿瘤组织和肺不张。这项研究表明,肺癌的PET / CT描述目标区域比简单的CT图像描述更准确,适用于精确的放射治疗,可以减少正常组织损伤。

PET / CT图像带来肿瘤目标区域的变化,这将不可避免地影响放射治疗计划和肿瘤和正常组织的剂量曝光。里奥斯的结果委拉斯开兹et al。3)表明,与传统的CT相比,PET-guided放疗计划增加15例肺V20和减少22例;8例心脏V36增加和14例减少。Gallivanone et al。4)表明,目标区域的变化引起的PET / CT显著改变了正常组织的剂量分布。制造中心的减少导致了肺和食管剂量减少,和制造中心的增加导致肺和食管剂量的增加。本文是基于两种不同强度调控放射治疗PET / CT自动分割目标和CT概述了目标区域,并发现两肺有不同剂量梯度V20和PET / CT自动分割V30 target-guided放疗计划,显著降低。其中,V20从(26.45±4.72)%下降(23.43±5.11)%,和V30下降(19.46±3.07)%(17.76±3.41)%,差异具有统计学意义( )。上述结果表明,平均收到的辐射剂量,12例正常组织降低了,这并不意味着所有病人的正常组织的重量减少。本文10的12例符合上面的结论,和其他两个没有显著的不同。本文的结果表明,自动宠物图像分割方法可以影响放射治疗计划通过更准确的肿瘤和正常组织摄取目标定位,减少肺癌患者并发症的发生率,并帮助指导辐射剂量的增加。

5。结论

PET / CT图像有助于准确地定义放射治疗目标区域的边界,为精确放射治疗奠定基础。快速和准确的PET / CT目标区域的分割是精确放射治疗的关键。本文讨论了PET / CT图像分割技术在肿瘤中的作用目标区域确定和放射治疗计划。初步研究表明,该技术能提高肿瘤的局部控制速度,减少正常组织并发症的发生率。进一步研究PET / CT图像自动分割技术适用于临床实践将扮演重要的角色在精确放射治疗肺癌。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号81903125)和广东省自然科学基金、中国(批准号2018 a030310513)。