基于CPU+多GPU构架的图像引导放疗低剂量Cone Beam CT高质量重建系统的研究
结题报告
批准号:
81803056
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
21.0 万元
负责人:
宋莹
依托单位:
学科分类:
H1816.肿瘤放射治疗
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
柏森、李长虎、赖佳路、钟仁明、王强、唐慧、肖青、胡臻尧、余行
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中文摘要
以CBCT为核心的图像引导放疗中,放疗患者多次行CBCT扫描以实现放疗精确摆位,但同时引起了额外的辐射剂量,减少CBCT扫描帧数是降低CBCT辐射剂量直接有效的途径。仅利用部分投影帧数据进行CBCT高质量重建,并构建CPU+多GPU构架将系统重建速度提高到临床可接受水平,是本项目的核心问题。. 本项目将基于压缩感知理论和字典学习算法,将少数据CBCT重建问题转化为最优化问题求解,充分利用同一放疗部位的先验CBCT图像,构建具有结构、特征、精度等先验信息的双精度字典,通过迭代算法中高低精度字典的替换迅速提高CBCT图像重建质量。同时,搭建CPU+多GPU异构并行编程模式加速重建过程,构造临床适用的图像引导放疗系统。. 模拟实验表明,在保证CBCT图像重建质量的前提下,本系统能够将CBCT扫描剂量降低至全扫描情况下的30%,显著减少患者的CBCT扫描辐射危害。
英文摘要
In image-guided radiotherapy (IGRT) based on Cone Beam CT (CBCT), daily CBCT imaging procedures correct the set-up errors of patients, but also increase additional dose to patients' normal tissues. Minimizing imaging views of CBCT is an direct and effective way to reduce extra radiation exopsure. Our goal is to establish a novel high-quality CBCT reconstruction system with limited CBCT imaging viewes at a high reconstruction speed based on CPU+MultiGPU configuration avilable for image-guided radiotherapy clincial practices..We will complete two tasks in our project. One is to further establish a high-quality recosntruction algorithm with limited number of CBCT imaging views to solve the CBCT reconstruction model mathmatically. The second task is to construct a CPU+multiGPU heterogeneous programming mode to accelerate the reconstruction process and establish an IGRT CBCT system suitable for clinical application..Our inital experimental simulation shows that our system is promising to reduce the CBCT radiation dose to 30% in clinical IGRT practice and significantly reduce the radiation hazards produced by IGRT.
以锥形束CT(Cone Beam CT, CBCT)为核心的图像引导放疗中,放疗患者多次行CBCT扫描以实现放疗精确摆位,但同时引起了额外的辐射剂量。仅利用部分投影帧数据进行CBCT高质量重建可大幅降低患者受照剂量,但部分投影CBCT高质量重建耗时长、重建质量尚不能满足临床需求。建立部分投影高质量CBCT重建系统并将系统重建速度提高到临床可接受水平,是本项目的目标。..本项目研究并建立了基于压缩感知理论和字典学习的部分投影高质量CBCT重建算法( SART-DDL)并对其重建图像质量进行了临床效果评价,探究了CPU+多GPU并行编程模式加速重建过程,探索了可编程门阵列(FPGA)加速重建过程;研究并建立了基于卷积神经网络的部分投影CBCT超分辨图像重建算法(Network-LDR),并对其重建图像质量进行了客观指标评价。..在头颈部CBCT扫描82%的降采样率下,SART-DDL比传统迭代算法 SART-TV在定量指标峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio, PSNR)高2 dB,结构相似度(Structural Similarity Index Measure, SSIM) 高1%,均有统计学差异;SART-DDL重建结果图像主观评价质量与全采样传统FDK重建结果图像没有统计学差异,配准效果能够达到毫米级,满足放射治疗几何精度保形性要求。Network-LDR与传统FDK重建算法相比,在头颈部CBCT扫描12.5%、6.25%、3.125%、1.5625%的降采样率下,Network-LDR比FDK算法平均PSNR值约高25 dB、15 dB、16 dB、12 dB,平均SSIM值约高12%、18%、81%、68%;以上对比均有统计学差异。对256*256*88 的CBCT重建目标图像,SART-DDL在8GPU+CPU的框架下重建速度约2小时,在FPGA框架下约1小时,无法满足临床实时重建的速度要求;Network-LDR在2GPU+CPU的框架下,重建速度约1.86秒,可满足临床实时重建的速度要求。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Low-dose cone-beam CT (LD-CBCT) reconstruction for image-guided radiation therapy (IGRT) by three-dimensional dual-dictionary learning
通过三维双字典学习进行图像引导放射治疗 (IGRT) 的低剂量锥形束 CT (LD-CBCT) 重建
DOI:10.1186/s13014-020-01630-3
发表时间:2020-08-12
期刊:RADIATION ONCOLOGY
影响因子:3.6
作者:Song, Ying;Zhang, Weikang;Zhao, Jun
通讯作者:Zhao, Jun
DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2021.05.009
发表时间:2021
期刊:实验技术与管理
影响因子:--
作者:徐金鹏;刘宜成;涂海燕;成鸿群
通讯作者:成鸿群
Dose prediction using a deep neural network for accelerated planning of rectal cancer radiotherapy
使用深度神经网络进行剂量预测以加速直肠癌放射治疗计划
DOI:10.1016/j.radonc.2020.05.005
发表时间:2020-08-01
期刊:RADIOTHERAPY AND ONCOLOGY
影响因子:5.7
作者:Song, Ying;Hu, Junjie;Yi, Zhang
通讯作者:Yi, Zhang
DOI:--
发表时间:2021
期刊:核技术
影响因子:--
作者:赖佳路;宋莹;周莉;白雪;侯氢
通讯作者:侯氢
DOI:DOI: 10.16791/j.cnki.sjg.2021.05.009
发表时间:2021
期刊:实验技术与管理
影响因子:--
作者:徐金鹏;刘宜成;涂海燕;成鸿群
通讯作者:成鸿群
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