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。

目的:探讨射波刀立体定向放疗中以膈肌为跟踪目标实施呼吸同步追踪与金标呼吸同步追踪的一致性和相关性。方法:选取2018年4月至2019年11月在华中科技大学同济医学院附属协和医院住院治疗的11例患者，包括肺癌8例、肝癌肺转移2例、结肠癌肺转移1例。所有入组患者均有采用金标追踪的计划（RT）和采用膈肌轮廓追踪的计划（DT）。对所有患者实施肿瘤可视化模拟测试。采用Bland-Altman法对两种跟踪方法在每个呼吸时相点进行可视化测试过程的偏移量进行一致性分析，采用 t检验比较两种追踪计划的最小公差距离、不确定性和最优模型状态下的平均标准偏差、最大标准偏差。 结果:与RT比较，DT追踪的头脚方向平移的标准偏差为（0.4±2.9）mm，左右方向为（0.3±4.4）mm，腹背方向为（-1.8±6.8）mm。经Bland-Altman法分析，RT和DT追踪之间在头脚方向和左右方向上一致性较好，在腹背方向上一致性较差；而同步性仅在头脚方向较好，在左右方向和腹背方向上均较差。模型质量比较结果示，RT追踪不确定性较DT追踪高，差异有统计学意义[（23±6）%比（9±4）%， t=-5.24， P=0.001]，而二者最小公差距离、平均标准偏差及最大标准偏差差异均无统计学意义（均 P>0.05）。 结论:以膈肌为跟踪目标实施呼吸同步射波刀立体定向放疗的患者，在头脚方向上一致性和同步性较好，而在左右方向和腹背方向上较差。在保证靶区在左右方向相应的边界余量下，对于膈肌附近的可视化测试不可见肿瘤采用膈肌作为跟踪目标实施呼吸同步立体定向放疗有潜在可行性，但对于左右方向和腹背方向运动幅度较大者需谨慎。

阐述了图像引导肝肿瘤热消融治疗介入导航系统的工作原理,综述了光学导航系统、电磁导航系统、超声导航系统和基于增强现实的导航系统4种介入导航系统的研究现状,分析了目前介入导航系统存在的问题,指出了设计基于临床多约束条件的热消融针穿刺路径自动规划新方法、实现实时跟踪定位并确保导航精度、建立介入导航系统的完整评价体系和应用规范、进一步解决人体呼吸运动等因素对精准定位的干扰等是未来介入导航系统的发展趋势.

探讨一种基于双目视觉实时监测和跟踪人体的呼吸运动情况,减少肿瘤靶区组织因呼吸等运动产生位移而引起的治疗误差,以实现在放疗过程中减少呼吸运动对精确放疗产生的影响.采用放置治疗床上方的双摄像机,实时采集带有标记物的图片传送给计算机,使用余弦算法对放置胸腹体表的标记物进行特征识别,对视差信息进行图片匹配,采用双目视觉和小孔成像原理计算标记物三维坐标,通过监测标记物随时间变化的具体坐标可获取标记物是否因呼吸等运动产生位移.实验中,实时测量9个标记物的三维坐标.实验结果表明,9个体表标记物的测量值与实际值之间的平均误差小于±1 mm,其标准误差值小于0.12 mm,且计算一次9个标记物三维坐标需要35 ms.基于双目视觉的呼吸运动跟踪是一种高精度、良好实时性与稳定性的跟踪方法,可以减少呼吸运动对精确放疗产生的影响.

目的 研究一种对非规则呼吸运动更精确的预测算法,更有效地补偿放疗系统的时间延迟,提高胸腹部肿瘤图像引导跟踪或门控放射治疗的靶点精度.方法 提出了一种基于自适应神经模糊推理系统(ANFIS)的对非规则呼吸运动的预测算法.该ANFIS模型结构利用呼吸运动的位置和速度作为输入参数,构造一个结合位置和速度的N×N模糊集,并通过历史数据建立训练集.在预测过程中,如最新输入信号的位置或速度超出当前训练集的幅度范围,则对位置或速度进行相应的幅度调整,然后作为ANFIS模型的输入参数进行预测.本研究采集了20例CyberKnife治疗的胸腹部患者的非规则呼吸临床数据,通过回顾性离线分析,对ANFIS、神经网络(NN)、支持向量机(SVM)、CyberKnife系统的Synchrony呼吸同步追踪系统这4种典型预测算法精度进行对照比较.结果 比较4种预测算法对20例患者数据的结果,证实笔者提出的ANFIS算法预测结果的归一化均方根误差(nRMSE)、最大误差(Max)、大于1 mm误差个数均小于NN、SVM和Synchrony.结论 ANFIS预测算法的精确性和鲁棒性均优于其他3种算法,能更好地预测非规则呼吸信号.

在胸腹部放射治疗中,由于呼吸运动会影响放射治疗精度,故采用实时跟踪技术,其为现代精确放射治疗中有效的解决方法.综述实时跟踪放射治疗中用来补偿系统响应延时的呼吸运动预测算法,并比较各种算法的特点、性能及发展现状,展望未来实时跟踪技术的发展及趋势.

胸腹部肿瘤放疗中,由于呼吸运动的影响需要对靶区进行实时跟踪以保证放疗精度,并通过预测来补偿系统延时.本研究提出一种基于支持向量回归的呼吸运动预测方法,该方法先选取一段呼吸运动序列进行训练得到回归模型,当有新的呼吸序列时,根据训练模型计算输出.并在此基础上,动态更新训练集,使模型在线更新,实现精确在线支持向量回归.实验中对7例呼吸运动样本数据分别用离线模型和在线模型进行训练并预测,平均绝对误差分别为0.42 mm和0.30 mm.在线精确支持向量回归能更准确刻画呼吸运动轨迹,拟合结果精度高,满足实际应用中的需求.

目的:研究基于Calypso电磁实时跟踪系统的4D剂量验证的可行性,评估Calypso引导对运动靶区放疗剂量精度提高的有效性.方法:将5 cm×5 cm、10 cm× 10 cm方野、直径d=10 cm圆形野以及5例IMRT、5例VMAT放疗计划移植到Delta4三维剂量验证系统,使用自主呼吸运动平台搭载Delta4模体进行SI方向上周期(T)=5 s,振幅(A)=±10 mm的往复运动,分别比较静态、动态无跟踪,以及使用Calypso实时跟踪系统运动阈值分别为±2、±3、±5 mm情况下Delta4实测的剂量分布和治疗计划系统剂量分布.结果:静态、动态测量Calypso运动阈值为±2、±3、±5 mm以及动态无跟踪时计划γ通过率的平均值分别为(97.5±2.4)％、(95.9±2.8)％、(93.9±3.8)％、(86.2±8.6)％、(65.0±11.1)％;与静态射野平均γ通过率比较,使用Calypso动态运动阈值为±2、±3 mm时γ通过率差异无统计学意义(P＞0.05),Calypso动态运动阈值为±5 mm与动态无跟踪时γ通过率差异具有统计学差异(P＜0.05).结论:对于胸腹部肿瘤患者,基于Calypso实时电磁跟踪,结合Delta4三维验证系统对运动靶区进行实时4D剂量验证是可行的,使用Caly1pso跟踪运动肿瘤放疗时,剂量精度有明显提高.

目的:观察淋巴瘤细胞来源的外泌体对淋巴瘤细胞株增殖、耐药、迁移及侵袭能力的影响.方法:诱导建立对多柔比星(doxorubicin,DOX)耐药的弥漫大B细胞淋巴瘤Su-DHL-4/DOX细胞及Burkitt淋巴瘤Raji/DOX细胞.应用商品化试剂盒Total Exosome Isolation(from cell culture media)从亲本Su-DHL-4和Raji细胞以及耐药Su-DHL-4/DOX和Raji/DOX细胞的培养上清液中分离提取外泌体(分别命名为Su-EXO、Raji-EXO、Su/DOX-EXO及Raji/DOX-EXO).用透射电子显微镜观察提取获得的外泌体的形态及大小,采用蛋白质印迹法检测外泌体表面标志蛋白凋亡相关基因-2(apoptosis-linked gene-2,ALG-2)相互作用蛋白X (ALG-2 interacting protein-X,ALIX)和肿瘤易感基因101(tumor susceptibility gene 101,TSG101)的表达,以及纳米颗粒跟踪分析仪Zetaview检测外泌体粒径.将不同浓度的外泌体(Su-EXO和Raji-EXO)与其亲本Su-DHL-4和RRaji细胞共培养后,应用锥虫蓝拒染法绘制细胞增殖曲线;不同浓度的Su-EXO、Raji-EXO以及Su/DOX-EXO(40 μg/mL)和Raji/]DOX-EXO(40 μg/mL)与亲本Su-DHL-4和Raji细胞共培养后,CCK-8法检测DOX对淋巴瘤细胞的半数抑制浓度(half maximal inhibitory concentration,IC50),Transwell小室法检测淋巴瘤细胞的迁移和侵袭能力.结果:成功建立对DOX耐药的Su-DHL-4/DOX和Raji/DOX细胞株.透射电子显微镜下观察结果显示,分离获得的外泌体呈典型的茶托样、双层膜囊泡结构,且大小均一.蛋白质印迹法结果显示,分离获得的外泌体上有外泌体标志蛋白ALIX及TSG101的表达;Zetaview粒径分析结果显示,所提取的外泌体粒径均在30～150nm之内.Su-DHL-4和Raji细胞与其各自来源的外泌体Su-EXO和Raji-EXO共培养后,细胞增殖能力均显著增强(P值均＜0.01).Su-DHL-4细胞与其DOX耐药Su-DHL-4/DOX细胞株来源的外泌体Su/DOX-EXO共培养后,Su-DHL-4细胞对的DOX敏感性显著降低(P＜0.01).Su-EXO和Raji-EXO能显著增强淋巴瘤细胞株Su-DHL-4与Raji细胞的迁移(P＜0.05和P＜ 0.001)和侵袭(P＜0.05和P＜0.01)能力.结论:淋巴瘤细胞来源性外泌体能促进淋巴瘤细胞增殖,降低其对化疗药物DOX的敏感性,并增强其迁移及侵袭能力.

目的 研究一种双能X线透视成像方法,采集呼吸周期高低能X线图像序列,通过改进双能减影算法获取软组织减影图像,以提高在图像引导放射治疗中无标记肺部肿瘤运动跟踪的肿瘤可视度.方法 采用具有C臂旋转结构和高低能快速切换采图机制的双能X线透视成像系统,分别在4个投影方向实时采集呼吸周期9或10个时相的高低能图像对序列.通过优化加权对数减影算法,对去除同一时相高低能图像对中的骨骼,得到软组织减影图.双能减影算法采用CNR作为图像质量评价参数,自动获取最佳软组织减影图像.采集和分析20例患者数据,评价软组织减影图像中肿瘤可视度的提高程度.结果 分别在0°、45°、90°和135°投影方向采集198、196、198、和198个高低能图像对,肿瘤可视图像分别为198、38、69和49对.所获软组织减影图像中,肿瘤可视图像分别为198、108、149和159幅.结论 本研究提出的双能X线透视成像方法可显著提高肺部肿瘤的可视度.