基於噪音統計模型的實時腫瘤追蹤系統中 X 光螢光影像去噪研究

Grunnleggende konsepter

本研究提出了一種基於噪音統計模型的 X 光螢光影像去噪方法，並證明該方法在提高實時腫瘤追蹤系統的影像品質和準確性方面具有潛力。

Sammendrag

研究背景
立體 X 光腫瘤追蹤系統廣泛應用於肺癌的影像導引放射治療 (IGRT)。然而，這些系統中使用的 X 光螢光影像常受到噪音影響，降低影像品質並影響腫瘤追蹤的準確性。
研究方法
本研究使用 SyncTraX 實時腫瘤追蹤系統，分析了手術中 X 光螢光影像的噪音特性。研究人員首先創建了兩個明膠模型，一個完全由明膠組成，另一個嵌入了模擬人體組織和骨骼的鋁塊。接著，他們使用這些模型獲取了 300 張 X 光螢光影像，並分析了影像中的噪音概率和振幅分佈。
基於觀察到的噪音特性，研究人員開發了一種基於統計模型的噪音生成方法。他們使用該方法將噪音添加到無噪音的數字重建放射影像 (DRR) 中，創建了一個用於訓練深度學習模型的數據集。
研究人員使用 SwinIR 模型進行了去噪實驗。他們將使用新噪音模型訓練的 SwinIR 模型與使用傳統高斯噪音模型訓練的模型進行了比較。
研究結果
實驗結果表明，使用新噪音模型訓練的 SwinIR 模型在去噪性能方面優於使用傳統高斯噪音模型訓練的模型。這表明新噪音模型能夠更準確地模擬 X 光螢光影像中的噪音模式。
研究結論
本研究提出了一種基於噪音統計模型的 X 光螢光影像去噪方法。實驗結果表明，該方法可以有效提高 IGRT 影像品質，並有可能提高腫瘤追蹤的準確性。
研究限制和未來方向
本研究的局限性在於只針對 SyncTraX 系統的特定幾何形狀和參數進行了實驗。未來研究可以探討該模型在不同 IGRT 設備和成像條件下的穩健性。

Statistikk

使用 SyncTraX 實時腫瘤追蹤系統，其 OID 為 2091 毫米。
獲取 300 張 X 光螢光影像，X 光條件為「100KV、80mA、4ms」。
使用 SwinIR 模型進行去噪實驗，訓練批次大小為 256，初始學習率為 0.001，訓練周期為 10。
使用新噪音模型訓練的 SwinIR 模型的平均 PSNR 提高了 1.45 dB。

Viktige innsikter hentet fra

Denoising study of Fluoroscopic Images in real time tumor tracking System based on Statistical model of noise

by Yongxuan Yan... klokken arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00199.pdf

Dypere Spørsmål

除了深度學習方法之外，還有哪些其他技術可以用於 X 光螢光影像去噪，這些技術與本研究提出的方法相比如何？

除了深度學習方法，還有許多傳統的影像去噪技術可以用於 X 光螢光影像，主要分為以下幾類：

線性濾波方法:

均值濾波: 透過計算鄰近像素的平均值來降低雜訊，但容易模糊邊緣。
高斯濾波: 使用高斯函數加權平均鄰近像素，可以更好地保留邊緣資訊。
維納濾波: 根據局部信噪比自適應地調整濾波強度，在信噪比較低的情況下表現較好。

非線性濾波方法:

中值濾波: 使用鄰域像素的中值替換目標像素，對於去除椒鹽雜訊效果顯著，但會損失細節。
雙邊濾波: 同時考慮像素的空間距離和灰度差異，能夠在去噪的同時更好地保留邊緣。

基於變換域的方法:

小波變換: 將影像分解成不同頻帶，然後對高頻部分進行閾值處理或收縮，以去除雜訊。
傅立葉變換: 在頻域中濾除高頻雜訊，但容易產生振鈴效應。

與本研究提出的基於深度學習的方法相比，傳統方法的優缺點如下：

方法
優點
缺點

傳統方法
計算量小，易於實現
去噪效果有限，容易損失影像細節

深度學習
去噪效果好，能夠保留更多細節
需要大量的訓練數據，計算量大

本研究提出的方法基於深度學習，並針對 X 光螢光影像的雜訊特性進行了建模，因此在去噪效果和細節保留方面具有優勢。然而，傳統方法在計算效率和易於實現方面仍然具有優勢，可以根據實際應用需求選擇合適的方法。

如果患者在治療過程中移動，例如呼吸或心跳，該如何評估這種噪音模型的有效性？

患者在治療過程中的移動，例如呼吸或心跳，會造成影像的運動模糊，這對雜訊模型的評估提出了挑戰。以下是一些評估方法：

模擬患者移動： 可以使用模擬軟體或機械裝置模擬患者的呼吸和心跳，生成包含運動模糊的影像，然後使用這些影像評估雜訊模型的有效性。
使用多幀影像： 可以使用多幀連續的影像來估計患者的運動軌跡，並對影像進行運動補償，然後再評估雜訊模型的有效性。
使用門控技術： 可以使用呼吸門控或心電門控技術，在患者呼吸或心跳的特定階段采集影像，以減少運動模糊的影響。
開發新的評估指標： 可以開發新的評估指標，例如結構相似性指數（SSIM）或峰值信噪比（PSNR）的變體，來更準確地評估包含運動模糊的影像的去噪效果。

此外，還可以結合臨床數據，例如腫瘤控制率和放射性肺炎發生率等，來綜合評估雜訊模型對治療效果的影響。

如何將本研究的結果應用於開發更精確的腫瘤追蹤算法，從而減少放射治療對健康組織的損害？

本研究提出的雜訊模型可以應用於開發更精確的腫瘤追蹤算法，主要有以下幾個方面：

提高影像品質: 更精確的雜訊模型可以更好地去除 X 光螢光影像中的雜訊，提高影像品質，使腫瘤邊緣更加清晰，有利於後續的影像處理和分析。
改善腫瘤定位精度: 高品質的影像可以提高腫瘤定位的精度，減少定位誤差，從而更精準地將放射線照射到腫瘤區域。
優化運動追蹤算法: 更精確的雜訊模型可以提高運動追蹤算法的魯棒性和準確性，即使在患者呼吸或心跳等因素的影響下，也能更精準地追蹤腫瘤的運動軌跡。
實現自適應放射治療: 結合更精確的腫瘤追蹤算法，可以實現自適應放射治療，根據腫瘤的實時位置和形狀調整放射線的劑量和照射範圍，最大限度地殺傷腫瘤細胞，同時減少對周圍健康組織的損傷。

總之，本研究提出的雜訊模型為開發更精確的腫瘤追蹤算法提供了基礎，有助於提高放射治療的精度和安全性，減少對患者的副作用。