公示期：2018年4月18日-2018年4月24日

公示联系人：周敬馨 老师

电话：0531-88369965

一、项目名称

多尺度多时空技术在图像引导肿瘤精确放射治疗中的研究及应用

 

二、提名单位意见

本项目通过研究医学物理图像处理新技术来辅助临床实现对恶性肿瘤的图像引导精准放射治疗。通过分析处理放射治疗过程中所涉及医学影像数据，实现了针对实施精确放疗所需影像数据的处理算法及临床实施方法。通过图像处理技术中多尺度理论和技术研究实现了高效的医学图像形变配准和肿瘤纹理分析技术，并联合时间序列图像的时域和空域特征实现定量分析放疗治疗过程中包含呼吸运动的四维放疗图像。通过本项目的实施，团队取得一大批辅助临床的理论成果和应用成果，包括国家发明专利，软件著作权，高水平国际期刊论文，同时，相关成果在多家医院得到了推广和应用。

三、项目简介

医学图像处理技术可有效提高临床恶性肿瘤的放射治疗效果，即图像引导精确放射治疗。本成果通过分析放疗过程中所涉及医学影像数据，研究了针对实施精确放疗所需影像数据的处理算法及临床实施方法。研究成果包括两大部分：1）结合多尺度理论来研究医学图像形变配准和肿瘤纹理分析技术，目标实现图像引导放疗过程中计划CT与日常放疗CBCT的图像配准以及不同时间CBCT图像之间的配准，并通过形变域跟踪放疗过程中肿瘤的变化，有效指导放疗摆位和自适应放疗。另外，通过多尺度分析技术提取肿瘤图像的纹理特征，量化肿瘤异质性，并与临床参数结合建模进行肿瘤解码。2）联合时间序列图像的时域和空域特征来定量分析包含呼吸运动的四维放疗图像，降低呼吸运动对胸腹部肿瘤放疗引起的误差。具体包括4D-CT中不同时相的呼吸相关序列图像的时空域配准方法；实现计划日4D-CT和治疗日3D-CT图像的形变配准来重建放疗当日4D-CT图像；基于原始图像片层内部的区域像素变化提取呼吸信号来研究临床可行的4D-MRI技术。通过本项目的实施，项目组取得一大批辅助临床精准放射治疗的理论成果和应用成果，包括国家发明专利，软件著作权，高水平国际期刊论文，同时，相关成果在多家医院得到了推广和应用。

 

四、客观评价

本项目研发了多种医学图像处理技术，并应用于辅助临床图像引导精准放射治疗。围绕本项目实施，获得多项国家发明专利授权和软件著作权。同时，相关的理论技术成果发表在肿瘤放射治疗和肿瘤医学物理技术最高级别国际期刊上，包括 Medical Physics； Physics in Medicine and Biology；International Journal of Radiation Oncology Biology Physics；Radiotherapy and Oncology。同时，本项目的研究成果与高新企业合作实现了项目成果的产业化，相关的成果技术和产品目前在国内25家医院得到了推广应用。

 

五、推广应用情况

本项目的研究成果与高新企业合作实现了项目成果的产业化，相关的成果技术和产品目前在国内25家医院得到了推广应用。山东省肿瘤医院和yh533388银河齐鲁医院负责了本项目临床应用时的方案设计，并负责了项目成果的临床验证和测试。北京连心医疗科技有限公司对本项目中涉及到的技术进行了产业化和技术深加工，并在25家医院进行了临床推广应用。

 

 

六、主要知识产权证明目录

1.李登旺，谭淑惠，陈进虎，李洪升，尹勇； 一种联合空域和时域信息的4D-CT形变配准方法； 申请日：2014年10月24日； 专利号：ZL 2014 1 0579617.3 ；国家发明专利 ；2017年2月15日授权

2.李登旺，谭淑惠，陈进虎，李洪升，尹勇； 一种4D-CT不同时相序列图像的重建方法 ；申请日：2014年10月24日； 专利号：ZL 2014 1 0579543.3 ；国家发明专利 ；2017年1月18日授权

3.李登旺，石雪，陈进虎，李洪升，尹勇 ；联合图像分割与形变配准技术的自适应目标区域转换方法 ；申请日：2014年12月11日 ；专利号：ZL2014 1 0764128.5  ；国家发明专利；2017年10月27日授权

4.李登旺，臧鹏宵，柴象飞，张路路，陈进琥，李洪升，尹勇 ；一种CT中盆腔器官自动分割的方法 ；申请日：2015年8月28日 ；专利号：ZL2015 1 0534560.X ；国家发明专利；2018年3月23日授权

5.李永宝、章桦；一种在线自适应放疗计划自动优化方法及装置；申请日：2014年10月31日；专利号：ZL2014 1 0607268.1；国家发明专利；授权日：2017年2月22日

6.李永宝、章桦、柴象飞；一种在线自适应放疗计划优化方法；申请日：2014年8月12日；专利号：ZL2014 1 0396434.8；国家发明专利；授权日：2017年1月25日

 

软件著作权：

1.  LinkingOIS系统（医生工作站）；北京连心医疗科技有限公司；开发完成日：2016年12月20日；首次发表日：2017年1月10日；登记号：2017SR116874；登记日：2017年4月15日

2.  LinkingOIS系统（物理师工作站）；北京连心医疗科技有限公司；开发完成日：2016年12月20日；首次发表日：2017年2月10日；登记号：2017SR122923；登记日：2017年4月18日

3.  连心影像云平台软件（个人端）；北京连心医疗科技有限公司；开发完成日：2016年5月11日；首次发表日：2016年7月10日；登记号：2017SR052481；登记日：2017年2月22日

4.  连心影像云平台软件（医生端）；北京连心医疗科技有限公司；开发完成日：2016年4月11日；首次发表日：2016年7月10日；登记号：2017SR052488；登记日：2017年2月22日

 

发表论文：

1. Dengwang Li, Li Liu, Jinhu Chen, Hongsheng Li, Yong Yin, Bulat Ibragimov and Lei Xing. “Augmenting atlas-based liver segmentation for radiotherapy treatment planning by incorporating image features proximal to the atlas contours.” Physics in medicine and biology 2017 Jan 7;62(1):272-288. Epub 2016 Dec 1

2. Dengwang Li, Pengxiao Zang , Xiangfei Chai, Yi Cui, Ruijiang Li, and Lei Xing “Automatic Multi-Organ Segmentation in CT Images of the Male Pelvis using Region-Specific Hierarchical Appearance Cluster Models” Medical Physics 43(10), OCT 16, 2016

3. Dengwang Li, Li Liu, Daniel S Kapp, and Lei Xing* "Automatic liver contouring for radiotherapy treatment planning" Physics in Medicine and Biology, 60(19), (2015) 7461–7483

4. Dengwang Li, Hongsheng Li, Honglin Wan, Jinhu Chen, Guanzhong Gong, Hongjun Wang, Liming Wang, Yong Yin “Multiscale registration of medical images based on edge preserving scale space with application in image guided radiation therapy”. Physics in Medicine and Biology, 57(16):5187-204, 2012

5. Dong X, Sun X, Sun L, Maxim PG, Xing L, Huang Y, Li W, Wan H, Zhao X#, Xing L#, Yu J. Early Change in Metabolic Tumor Heterogeneity during Chemoradiotherapy and Its Prognostic Value for Patients with Locally Advanced Non-Small Cell Lung Cancer. PLoS One. 2016;11(6):e0157836.

6. Dong X, Xing L, Wu P, Fu Z, Wan H, Li D, Yin Y, Sun X, Yu J*. Three-dimensional positron emission tomography image texture analysis of esophageal squamous cell carcinoma: relationship between tumor 18F-fluorodeoxyglucose uptake heterogeneity, maximum standardized uptake value, and tumor stage. Nucl Med Commun. 2013;34(1):40-46

7. Hua Zhang*, Mathijs Kruis，Jan-Jakob Sonke， Directional sinogram interpolation for motion weighted 4D cone-beam CT reconstruction，Phys Med Biol. 2017, 62(6): 2254-2275.

8. Hua Zhang*, Wenyong Tan，Jan-Jakob Sonke，Effect of compressed sensing reconstruction on target and organ delineation in cone-beam CT of head-and-neck and breast cancer patients, Radiotherapy & Oncology, 2014, 112(3):413-417.

9. Juan Yang, Jing Cai, Hongjun Wang, Zheng Chang, Czito B.G., Bashir M.R., Palta M, Fang-Fang Yin. Is Diaphragm Motion a Good Surrogate for Liver Tumor Motion? International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 2014, 90(4): 952-958. 

10. Juan Yang, Jing Cai, Hongjun Wang, Zheng Chang, Czito B.G., Bashir M.R. Fang-Fang Yin. Four-Dimensional Magnetic Resonance Imaging Using Axial Body Area as Respiratory Surrogate: Initial Patient Results. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 2014, 88(4): 907-912.

 

七、主要完成人情况

1、姓名：李登旺        排名：1/6        技术职称：  教授

工作单位： 山东师范大学

对本项目技术创造性贡献：

（1）作为项目负责人负责系统的总体规划和设计，统筹安排协调各合作单位的分工、项目的推广实施；

（2）设计了联合空域与时域信息的4D-CT形变配准、4D-CT不同时相序列图像的重建方法、联合图像分割与形变配准技术的自适应目标区域转换方法、CT中盆腔器官自动分割的方法；

（3）提出了将图像特征整合到器官轮廓图库、用于多器官自动分割的特定区域层次外观聚类模型、用于放疗计划的肝脏自动轮廓勾画、基于边缘保护尺度空间的多尺度配准方法；

（4）提出了食管鳞状细胞癌三维正电子发射断层扫描图像的纹理分析方法，分析了肿瘤摄取18F-FDG异质性，最大标准摄取值与肿瘤分期之间的关系。

曾获省级以上科技奖励情况：无

2、姓名：邢力刚         排名：2/6        技术职称：主任医师 

工作单位：山东省肿瘤医院

对本项目技术创造性贡献：

（1）负责本项目临床研究的的总体设计、技术方案的制定，保障项目顺利实施，对重要科学发现；

（2）通过多尺度小波基函数和多纹理特征相结合的方法提取肿瘤图像的纹理等放射组学特征，量化肿瘤异质性，建立肿瘤纹理特征与其它临床代谢参数和病理参数之间的关系等研究做出创造性贡献；

（3）具体参与临床病例入组、预后分析、临床验证、分析料整理与总结等；

（4）负责论文的撰写及成果转化与应用。

曾获省级以上科技奖励情况：2012年山东省科技进步三等奖（第一名）

3、姓名：章  桦        排名：3/6        技术职称：  无

工作单位： 北京连心医疗科技有限公司

对本项目技术创造性贡献：

（1）参加了自适应放疗算法的研发。包括在线自适应放疗计划自动优化的算法；

（2）研发了LinkingOIS系统医生工作站、物理师工作站、连心影像云平台软件个人端、医生端等四款软件系统；

（3）将系统推广到25家三甲医院放疗科，帮助在医院场景的应用落地。

曾获省级以上科技奖励情况：无

4、姓名：杨  娟       排名：4/6        技术职称：  讲师

工作单位： 山东师范大学

对本项目技术创造性贡献：

（1）在本项目中主要负责4D-MRI的重建工作包括利用基于身体区域的变化进行呼吸信号的获取以及4D-MRI技术在临床肝癌病人中的验证；

（2）采用三个正交平面上的2D 单层cine MR图像以及4D-CT中提取的肿瘤运动轨迹来评价4D-MRI图像的准确性，然后进一步比较了4D-CT，T2*/T1-w 4D-MRI和T2-w MR图像的肿瘤-组织的对比度噪声比；

曾获省级以上科技奖励情况：无

5、姓名：王洪君        排名：5/6        技术职称：  教授

工作单位： yh533388银河

对本项目技术创造性贡献：

（1）提出了用非线性扩散模型来建立边缘保护多尺度空间，为基于互信息的配准提供丰富的空间位置信息；

（2）提出了基于原始图像片层内部的区域像素变化提取呼吸信号来研究临床可行的4D-MRI技术。

曾获省级以上科技奖励情况：

（1）2017.05 宽带电磁信号接收分析识别技术与设备开发应用，JB2016-1-5-R02，山东省科学进步一等奖，第2完成人

（2）2014.02 肿瘤图像引导放射治疗中形变配准技术的相关研究，JB2013-2-136-R03，山东省科学进步二等奖，第3完成人

6、姓名：董鑫哲        排名：6/6        技术职称：  医师

工作单位： yh533388银河齐鲁医院

对本项目技术创造性贡献：

（1）研究图像组学方向临床应用现状，根据设计要求收集肿瘤患者临床数据，收集大量图像组学数据，从科研及临床应用角度，对系统的功能模块、专业性及实用性提出了相应的设计与改进思路，增强了系统的适应性和扩展能力；

（2）统计分析食管癌初治患者，非小细胞肺癌患者治疗前，治疗中PET/CT医学影像数据与临床疗效及预后的关系，发现其重要的临床应用价值；

（3）手动勾画非小细胞肺癌靶区，与软件自动勾画对比，探究肿瘤异质性对勾画自动化的影响，筛选出代谢相对均匀的肿瘤，从医生临床角度，进一步提高了勾画系统的稳定性和可靠性；

（4）参与完成SCI论文撰写，协调医院内项目具体实施。

曾获省级以上科技奖励情况：无

八、主要完成单位及创新推广贡献

1、 山东师范大学          排名：1

（1）充分调研图像引导肿瘤精确放疗现状及临床需求，对西门子、瓦里安、上海联影等国内外知名公司的相关产品及技术进行深入研究分析，跟踪国内外在该领域的前沿技术，以临床需求为导向，在严格的论证与实验的基础上确定了本项目所需要的理论基础及技术方案；

（2）提出了两种有效的医学图像多尺度形变配准技术、通过多尺度小波基函数和多纹理特征相结合的方法提取肿瘤图像的纹理等放射组学特征；

（3）统筹安排协调各合作单位的分工及系统的推广应用。

2、  山东省肿瘤医院          排名：2

（1）山东省肿瘤医院提供超过2000例肿瘤临床图像数据，进行图像形变配准并应用分割新技术，为自适应放疗研究提供依据，推广其在图像引导放疗领域的应用；

（2）与山东师范大学大学研究团队合作完成上述图像分析技术的功能实现，并共同完成在合作应用单位的测试运行；

（3）进一步完善优化图像组学研究路线，定量分析处理放疗过程中包含呼吸运动信息的四维图像技术，指导精确放疗；

（4）应用PET图像纹理分析技术收集食管癌患者基线异质性状态，并应用预测食管癌疗效，指导精确放疗；

（5）进一步应用PET图像纹理分析等技术预测非小细胞肺癌放化疗疗效，指导个体化治疗方案选择。

3、  北京连心医疗科技有限公司          排名：3

（1）参与研发了基于图像配准的在线自适应方法，其通过导入分次引导图像后与原始计划中的图像进行刚性配准和形变配准，生成靶区和危及器官的此分次勾画轮廓，根据原始计划中的参数、分次引导图像和此分次勾画轮廓重新计算剂量分布和剂量体积直方图，其后结合原始处方约束判断是否需要修改放疗计划；

（2）开发了基于GPU加速的形变配准及剂量计算算法，综合考虑到病人治疗过程中解剖结构的变化，并能够在每个分次治疗开始前短时间内快速完成整个放疗计划的优化。差最小化准则，可快速估计医学图像成像模型参数，避免医学图像三维成像时的误差累积；相比于其他基于商业治疗计划系统的离线自适应放疗方法，效率高，满足临床需要；

（3）开发了基于人工智能的自适应放疗产品，进而获得优化后的新生成子野及其对应的剂量分布、机器跳数等内容，完成放疗计划的在线自适应自动优化，同时通过三维伽马索引值计算评估进行自动放疗计划的剂量分布二次检查，如不通过，则进行归一化运算并更新子野的机器跳数，完成质量保证工作；

（4）开发了LinkingOIS系统医生工作站、物理师工作站、连心影像云平台软件个人端、医生端等四款软件系统；

（5）将系统推广到北京大学第三医院、海军总医院、四川省肿瘤医院等三甲医院。

4、  yh533388银河          排名：4

（1）设计了联合时域和空域信息的呼吸运动相关序列图像的形变配准模型；

（2）提出了联合时间序列图像的时域和空域特征来定量分析包含呼吸运动的四维放疗图像。

（3）实现了适合临床使用的4D-MRI技术方案，利用BA的方法重建4D-MRI在病人中验证的初步结果显示4D-MRI中得到的肿瘤的运动轨迹与cine MRI和4D-CT中得到的肿瘤的运动轨迹非常接近，这说明了我们提出的4D-MRI技术可以较为准确的测量肿瘤的呼吸运动，并且相比4D-CT来说，极大的提高了软组织的对比度。

5、  yh533388银河齐鲁医院          排名：5

（1）本项目整体技术在yh533388银河齐鲁医院肿瘤中心进行推广，应用多尺度图像纹理分析技术评估多种肿瘤异质性图像数据特征，前期有效地辅助临床医生对病灶组织进行定性乃至定量分析,提高了系统的适应性和推广力度；

（2）提供肺部医学影像诊断及病理特征提取、观察方面的专业指导；应用PET/CT图像纹理分析等技术提高自动靶区勾画方法稳定性，缩短制定放疗计划时间，评估同步放化疗期间非小细胞肺癌异质性变化，为自适应放疗提供更多生物学信息，提高靶区勾画精准性，减少周围正常组织，具有很好的社会效益和经济效益；

（3）协调山东师范大学，提出了系统的人机界面要符合医生的工作习惯、简单易学的创新性建议；

（4）对系统进行了大量的测试工作，使本系统稳定可靠；

（5）为该系统的市场化起了重大的示范和推进作用。

 

山东师范大学为项目技术的主要设计人，负责了本项目方案中具体算法和技术的设计和开发。yh533388银河和北京连心医疗科技有限公司参与了项目实施方案中算法的设计和研发。山东省肿瘤医院和yh533388银河齐鲁医院负责了本项目临床应用时的方案设计，并负责了项目成果的临床验证和测试。北京连心医疗科技有限公司对本项目中涉及到的技术进行了产业化和技术深加工，并在多家医院进行了临床推广。

 

九、完成人合作关系说明

山东师范大学李登旺 杨娟 与 山东省肿瘤医院邢力刚 yh533388银河齐鲁医院董鑫哲 长期医工合作研究，共同完成了多项项目和文章，并合作实施技术的临床应用。

山东师范大学李登旺  杨娟 与 北京连心医疗科技有限公司 章桦 长期落实校企合作，进行了技术研究和成果产业化。

山东师范大学李登旺  杨娟 与 yh533388银河王洪君长期合作，共同开发了多项关键技术。