在胸腹部的放療過(guò)程中，腫瘤的位置會(huì)受到呼吸運(yùn)動(dòng)與腸道非自主蠕動(dòng)等的影響，隨之發(fā)生變動(dòng)。為確保腫瘤在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下都能得到有效治療，臨床操作中經(jīng)常選擇放大照射范圍。然而，這也導(dǎo)致正常組織受到了不必要的輻射損傷。因此，為了確保射線能精確對(duì)準(zhǔn)并跟隨腫瘤，從而減少對(duì)正常組織的傷害，精確的腫瘤定位與跟蹤技術(shù)顯得尤為關(guān)鍵。  

　　中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所梁曉坤副研究員課題組，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)需要金屬標(biāo)記點(diǎn)有創(chuàng)植入和依賴大量訓(xùn)練樣本的問(wèn)題，提出了一種新型的二維-三維彈性影像配準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)及影像擴(kuò)增模型，充分考慮了患者胸腹部的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)模式，在少量樣本訓(xùn)練數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的無(wú)創(chuàng)影像引導(dǎo)。具體研究成果如下：  

　　錐束X射線以其快速成像和易于集成的特性，成為放療中實(shí)時(shí)引導(dǎo)的理想方式。為了解決放療過(guò)程中軟組織腫瘤難以實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)地追蹤的問(wèn)題，提出了一種基于單角度錐束X射線投影的三維腫瘤實(shí)時(shí)追蹤技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)在人體動(dòng)態(tài)環(huán)境中對(duì)腫瘤的精確跟蹤。該技術(shù)通過(guò)在放療過(guò)程中將單角度錐束X射線投影與三維計(jì)劃CT進(jìn)行實(shí)時(shí)多維彈性配準(zhǔn)，并利用transformer的卓越特征提取性能，實(shí)時(shí)地精準(zhǔn)捕捉放療中的三維腫瘤位置（如視頻1所示）。該單角度X光方法大幅減少了治療過(guò)程的額外放射劑量，同時(shí)也節(jié)省了醫(yī)生和患者的放療時(shí)間，期望也可應(yīng)用于各種臨床背景的靶區(qū)實(shí)時(shí)定位任務(wù)。研究成果以Volumetric Tumor Tracking from a Single Cone-Beam X-Ray Projection Image enabled by Deep Learning為題，發(fā)表在醫(yī)學(xué)影像分析頂刊Medical Image Analysis (IF=10.9)。研究助理戴晶晶為第一作者，梁曉坤副研究員為通訊作者。  

　　當(dāng)前，深度學(xué)習(xí)在影像引導(dǎo)靶區(qū)定位和分割中的應(yīng)用，多受訓(xùn)練數(shù)據(jù)量的制約。雖然通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在某個(gè)特定任務(wù)上達(dá)到優(yōu)良的性能，但網(wǎng)絡(luò)的泛化性卻受到了犧牲。面對(duì)數(shù)據(jù)的稀缺性。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的基于統(tǒng)計(jì)形變的三維醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)擴(kuò)增法。該方法通過(guò)對(duì)不同病患的解剖空間變化進(jìn)行建模，以有限的數(shù)據(jù)集中的形態(tài)信息，產(chǎn)生物理上真實(shí)反映病患器官變化的圖像。如圖1所示，一幅原始病患影像，經(jīng)過(guò)此形變模型處理，便可衍生出多種器官的解剖結(jié)構(gòu)。在多個(gè)公開(kāi)數(shù)據(jù)集的實(shí)驗(yàn)中，這一方法展現(xiàn)了最好的靶區(qū)定位與分割效能。研究成果以A statistical deformation model-based data augmentation method for volumetric medical image segmentation為題，發(fā)表在醫(yī)學(xué)影像分析頂刊Medical Image Analysis (IF=10.9)。客座本科生何文豐為第一作者，梁曉坤副研究員為通訊作者。   

　　相關(guān)工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金，廣東省科協(xié)等資助。

視頻1：基于單個(gè)錐束X射線投影的三維腫瘤實(shí)時(shí)跟蹤視頻

圖1：研究團(tuán)隊(duì)提出的基于統(tǒng)計(jì)形變模型的三維醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)擴(kuò)增法的實(shí)現(xiàn)效果   

　　論文鏈接：  

　　https://doi.org/10.1016/j.media.2023.102998  

　　https://doi.org/10.1016/j.media.2023.102984