Medical Physics
Công bố khoa học tiêu biểu
* Dữ liệu chỉ mang tính chất tham khảo
Radiation dose to cardiac substructures is related to radiation‐induced heart disease. However, substructures are not considered in radiation therapy planning (RTP) due to poor visualization on CT. Therefore, we developed a novel deep learning (DL) pipeline leveraging MRI’s soft tissue contrast coupled with CT for state‐of‐the‐art cardiac substructure segmentation requiring a single, non‐contrast CT input.
Thirty‐two left‐sided whole‐breast cancer patients underwent cardiac T2 MRI and CT‐simulation. A rigid cardiac‐confined MR/CT registration enabled ground truth delineations of 12 substructures (chambers, great vessels (GVs), coronary arteries (CAs), etc.). Paired MRI/CT data (25 patients) were placed into separate image channels to train a three‐dimensional (3D) neural network using the entire 3D image. Deep supervision and a Dice‐weighted multi‐class loss function were applied. Results were assessed pre/post augmentation and post‐processing (3D conditional random field (CRF)). Results for 11 test CTs (seven unique patients) were compared to ground truth and a multi‐atlas method (MA) via Dice similarity coefficient (DSC), mean distance to agreement (MDA), and Wilcoxon signed‐ranks tests. Three physicians evaluated clinical acceptance via consensus scoring (5‐point scale).
The model stabilized in ~19 h (200 epochs, training error <0.001). Augmentation and CRF increased DSC 5.0 ± 7.9% and 1.2 ± 2.5%, across substructures, respectively. DL provided accurate segmentations for chambers (DSC = 0.88 ± 0.03), GVs (DSC = 0.85 ± 0.03), and pulmonary veins (DSC = 0.77 ± 0.04). Combined DSC for CAs was 0.50 ± 0.14. MDA across substructures was <2.0 mm (GV MDA = 1.24 ± 0.31 mm). No substructures had statistical volume differences (
These promising results suggest DL poses major efficiency and accuracy gains for cardiac substructure segmentation offering high potential for rapid implementation into RTP for improved cardiac sparing.
Manual delineation of head and neck (H&N) organ‐at‐risk (OAR) structures for radiation therapy planning is time consuming and highly variable. Therefore, we developed a dynamic multiatlas selection‐based approach for fast and reproducible segmentation.
Our approach dynamically selects and weights the appropriate number of atlases for weighted label fusion and generates segmentations and consensus maps indicating voxel‐wise agreement between different atlases. Atlases were selected for a target as those exceeding an alignment weight called dynamic atlas attention index. Alignment weights were computed at the image level and called global weighted voting (GWV) or at the structure level and called structure weighted voting (SWV) by using a normalized metric computed as the sum of squared distances of computed tomography (CT)‐radiodensity and modality‐independent neighborhood descriptors (extracting edge information). Performance comparisons were performed using 77 H&N CT images from an internal Memorial Sloan‐Kettering Cancer Center dataset (N = 45) and an external dataset (N = 32) using Dice similarity coefficient (DSC), Hausdorff distance (HD), 95th percentile of HD, median of maximum surface distance, and volume ratio error against expert delineation. Pairwise DSC accuracy comparisons of proposed (GWV, SWV) vs single best atlas (BA) or majority voting (MV) methods were performed using Wilcoxon rank‐sum tests.
Both SWV and GWV methods produced significantly better segmentation accuracy than BA (
The contributed SWV and GWV methods generated more accurate automated segmentations than the other two multiatlas‐based segmentation techniques. The consensus maps could be combined with segmentations to visualize voxel‐wise consensus between atlases within OARs during manual review.
The Synchrony™ Respiratory Tracking System (RTS) is a treatment option of the CyberKnife robotic treatment device to irradiate extra‐cranial tumors that move due to respiration. Advantages of RTS are that patients can breath normally and that there is no loss of linac duty cycle such as with gated therapy. Tracking is based on a measured correspondence model (linear or polynomial) between internal tumor motion and external (chest/abdominal) marker motion. The radiation beam follows the tumor movement via the continuously measured external marker motion. To establish the correspondence model at the start of treatment, the 3D internal tumor position is determined at 15 discrete time points by automatic detection of implanted gold fiducials in two orthogonal x‐ray images; simultaneously, the positions of the external markers are measured. During the treatment, the relationship between internal and external marker positions is continuously accounted for and is regularly checked and updated. Here we use computer simulations based on continuously and simultaneously recorded internal and external marker positions to investigate the effectiveness of tumor tracking by the RTS. The Cyberknife does not allow continuous acquisition of x‐ray images to follow the moving internal markers (typical imaging frequency is once per minute). Therefore, for the simulations, we have used data for eight lung cancer patients treated with respiratory gating. All of these patients had simultaneous and continuous recordings of
To quantify the predictive uncertainty in infrared (IR)‐marker‐based dynamic tumor tracking irradiation (IR Tracking) with Vero4DRT (MHI‐TM2000) for lung cancer using logfiles.
A total of 110 logfiles for 10 patients with lung cancer who underwent IR Tracking were analyzed. Before beam delivery, external IR markers and implanted gold markers were monitored for 40 s with the IR camera every 16.7 ms and with an orthogonal kV x‐ray imaging subsystem every 80 or 160 ms. A predictive model [four‐dimensional (4D) model] was then created to correlate the positions of the IR markers (
The mean
Application of IR Tracking substantially reduced the geometric error caused by respiratory motion; however, an intrafractional error due to baseline drift of >3 mm was occasionally observed. To compensate for
To determine how best to time respiratory surrogate‐based tumor motion model updates by comparing a novel technique based on external measurements alone to three direct measurement methods.
Concurrently measured tumor and respiratory surrogate positions from 166 treatment fractions for lung or pancreas lesions were analyzed. Partial‐least‐squares regression models of tumor position from marker motion were created from the first six measurements in each dataset. Successive tumor localizations were obtained at a rate of once per minute on average. Model updates were timed according to four methods:
Radial tumor displacement prediction errors (mean ± standard deviation) for the four schema described above were 2.4 ± 1.2, 1.9 ± 0.9, 1.9 ± 0.8, and 1.7 ± 0.8 mm, respectively. The
The same improvement in tumor localization accuracy could be achieved through any of the three update methods, but significantly fewer updates were required when the
The current climate of rapid technological evolution is reflected in newer and better methods to modulate and direct radiation beams for cancer therapy. This Vision
Efficient compression of images while preserving image quality has the potential to be a major enabler of effective remote clinical diagnosis and treatment, since poor Internet connection conditions are often the primary constraint in such services. This paper presents a framework for organ‐specific image compression for teleinterventions based on a deep learning approach and anisotropic diffusion filter.
The proposed method, deep learning and anisotropic diffusion (DLAD), uses a convolutional neural network architecture to extract a probability map for the organ of interest; this probability map guides an anisotropic diffusion filter that smooths the image except at the location of the organ of interest. Subsequently, a compression method, such as BZ2 and HEVC‐visually lossless, is applied to compress the image. We demonstrate the proposed method on three‐dimensional (3D) CT images acquired for radio frequency ablation (RFA) of liver lesions. We quantitatively evaluate the proposed method on 151 CT images using peak‐signal‐to‐noise ratio (
The results show that the method can significantly improve
We thus conclude that the method has a high potential to be applied in teleintervention applications.
The importance of four‐dimensional‐magnetic resonance imaging (4D‐MRI) is increasing in guiding online plan adaptation in thoracic and abdominal radiotherapy. Many 4D‐MRI sequences are based on multislice two‐dimensional (2D) acquisitions which provide contrast flexibility. Intrinsic to MRI, however, are machine‐ and subject‐related geometric image distortions. Full correction of slice‐based 4D‐MRIs acquired on the Unity MR‐linac (Elekta AB, Stockholm, Sweden) is challenging, since through‐plane corrections are currently not available for 2D sequences. In this study, we implement a full three‐dimensional 3D correction and quantify the geometric and dosimetric effects of machine‐related (residual) geometric image distortions.
A commercial three‐dimensional (3D) geometric QA phantom (Philips, Best, the Netherlands) was used to quantify the effect of gradient nonlinearity (GNL) and static‐field inhomogeneity (B0I) on geometric accuracy. Additionally, the effectiveness of 2D (in‐plane, machine‐generic), 3D (machine‐generic), and in‐house developed 3D
Using phantom data, median GNL distortions were 0.58 mm (no correction), 0.42–0.48 mm (2D), 0.34 mm (3D), and 0.34 mm (3D
GNL is the main machine‐related source of image distortions on the Unity MR‐linac. For slice‐based 4D‐MRI, a full 3D correction can be applied after respiratory sorting to maximize spatial fidelity. The machine‐specific 3D
Xạ trị điều biến cường độ (IMRT) đại diện cho một trong những tiến bộ kỹ thuật quan trọng nhất trong lĩnh vực xạ trị kể từ khi xuất hiện máy gia tốc tuyến tính y học. Nó cho phép thực hiện lâm sàng các phân phối liều hình dạng phiconvex có độ phù hợp cao. Mặc dù phức tạp nhưng phương pháp điều trị hứa hẹn này đang phát triển nhanh chóng trong cả môi trường học thuật và thực hành cộng đồng. Tuy nhiên, những tiến bộ này không đến mà không có rủi ro. IMRT không chỉ là một phần bổ sung vào quy trình xạ trị hiện tại; nó đại diện cho một hình thái mới đòi hỏi kiến thức về hình ảnh đa phương thức, độ không chắc chắn trong thiết lập và chuyển động của các cơ quan nội tạng, xác suất kiểm soát khối u, xác suất biến chứng mô bình thường, tính toán và tối ưu hóa liều ba chiều (3-D), và việc cung cấp chùm tia động với cường độ chùm không đồng nhất. Do đó, mục đích của báo cáo này là hướng dẫn và hỗ trợ bác sĩ vật lý y khoa lâm sàng trong việc phát triển và thực hiện một chương trình IMRT khả thi và an toàn. Phạm vi của chương trình IMRT khá rộng, bao gồm các hệ thống cung cấp IMRT dựa trên chùm tia đa lá, lập kế hoạch điều trị ngược dựa trên mục tiêu, và thực hiện lâm sàng IMRT với đảm bảo chất lượng theo từng bệnh nhân. Báo cáo này, mặc dù không quy định các quy trình cụ thể, cung cấp khuôn khổ và hướng dẫn để giúp các nhà vật lý xạ trị lâm sàng đưa ra những quyết định sáng suốt trong việc thực hiện một chương trình IMRT an toàn và hiệu quả tại các phòng khám của họ.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi chứng minh nguyên tắc về việc sửa chữa suy giảm dựa trên CT của dữ liệu chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) 3D bằng cách sử dụng hình ảnh chụp của các phantom tương đương xương và mô mềm cũng như hình ảnh chụp của con người. Phương pháp sửa chữa suy giảm này dự kiến được sử dụng trong một máy quét duy nhất kết hợp chụp PET 3D với chụp cắt lớp vi tính (CT) để mục đích cung cấp vị trí giải phẫu được đăng ký chính xác của các cấu trúc nhìn thấy trong hình ảnh PET. Mục tiêu của nghiên cứu này là xác định xem chúng tôi có thể thực hiện sửa chữa suy giảm dữ liệu phát xạ PET bằng cách sử dụng thông tin suy giảm CT được căn chỉnh chính xác hay không. Chúng tôi thảo luận về các phương pháp tiềm năng để tính toán bản đồ suy giảm PET ở 511 keV dựa trên thông tin truyền dẫn CT thu được từ 40 keV đến 140 keV. Dữ liệu được thu thập trên các máy quét CT và PET tách biệt và được căn chỉnh bằng các quy trình đăng ký hình ảnh tiêu chuẩn. Kết quả được trình bày dựa trên ba phương pháp tính toán suy giảm: phân đoạn, tỉ lệ hóa và phương pháp kết hợp phân đoạn/tỉ lệ hóa mà chúng tôi đề xuất. Các kết quả được so sánh với những kết quả sử dụng phương pháp sửa chữa suy giảm PET 3D tiêu chuẩn như một tiêu chuẩn vàng. Chúng tôi chứng minh hiệu quả của phương pháp kết hợp được đề xuất của chúng tôi trong việc chuyển đổi bản đồ suy giảm CT từ năng lượng photon CT hiệu quả 70 keV sang năng lượng photon PET 511 keV. Chúng tôi kết luận rằng việc sử dụng thông tin CT là một cách khả thi để có được các yếu tố sửa chữa suy giảm cho PET 3D.
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 10