背景和目的:锥形束CT(CBCT)可以获得患者治疗体位的容积图像,用于患者在线校位和剂量计算,已广泛应用于图像引导放射治疗(IGRT)和自适应放疗(ART)中。然而,与扇形束CT(FBCT)相比,CBCT存在图像差、对比度不足、散射和射线硬化伪影多等缺点。为了改善图像质量,提高基于CBCT剂量计算的准确性,以及在分子水平上分解物质成分,实现功能成像,本课题建立一套CBCT双能成像方法,并进行一系列实验评估这套方法的性能。材料和方法:CBCT系统使用医科达Synergy加速器配置的XVI成像系统,使用石墨(C)和铝(A1)作为双能成像的基材料。然后,双能扫描不同厚度组合的基材料模体,建立双能灰度投影(gH,gL)与基材料系数投影(B1,B2)的查找表。双能成像时,采集高、低能双能投影图像(gH,gL),根据查找表由双能投影图像(gH,gL)求解出两种基材料系数的投影图像(B1,B2)反投影重建可以得到基材料系数的3D图像(b1,b2);最后利用(b1,b2)可以计算得到电子密度图像、有效原子序数图像、物质成分图像等功能图像。使用QCkV-1模体研究高、低能扫描条件与图像质量之间的关系,从而优化选择高、低能扫描条件。实验测量双能成像的辐射剂量、图像质量和剂量计算的准确性,并与常规单能成像作对比;实验检验双能成像分解物质成分的准确性。辐射剂量使用标准的CT辐射剂量测量模体,评估指标采用容积CT剂量指数(CTDIvol);图像质量分析使用Catphan503模体,具体量化指标包括电子密度值的准确性、高对比分辨率(MTF50%)、图像均匀性和信噪比(SNR)等;分别使用头颈部仿真人模体和腹部仿真人模体模拟一例鼻咽癌和一例前列腺癌放疗计划,计算剂量分布并使用全局3D伽马算法与参考剂量分布进行比较,计算各个器官的平均伽马值和伽马通过率;使用双能成分测量模体,利用双能成像方法将其分解为水、脂类和蛋白质三种成分,与理论值对比,检验方法的准确性。另外,本课题还提出一种双能线性混合成像方法,它直接使用图像域CBCT三维图像,计算高、低能图像的最优线性混合系数,得到线性混合图像,进而校正硬化,以提高组织相对电子密度值的准确性。实验使用Catphan模体、头部模体和体部模体验证该方法的准确性。结果:70 kV&16 mAs和120 kV&8-12.8 mAs的双能扫描条件较其它有更高的对比噪声比、较低的噪声和相当的空间分辨率,故选为双能成像的扫描条件。在头颈部和体部两种扫描条件下,与常规单能CBCT相比,双能CBCT的辐射剂量分别增加了1.0%和降低了 1.3%,双能成像的辐射剂量与单能相当。双能CBCT可以得到更加准确的电子密度值,平均偏差为0.03(头颈部)和0.07(腹部),而单能CBCT的平均偏差为0.13和0.16。另外,双能CBCT可以显著改善图像的均匀性(头颈部:57.5%,腹部:30.1%)和信噪比(头颈部:9.7%,腹部:2.3%),但对高对比分辨率并没有影响。采用1%/1mm的判别标准分析3D剂量分布,双能CBCT的通过率为99.0-100%(头颈部)和 85.3-97.6%(腹部),优于单能 CBCT(73.5-99.1%和 80.4-92.7%)。平均伽玛值也显示双能CBCT可以改善整体剂量分布。物质成分分解的结果显示:对于水成分的分解,偏差平均值为1.4%,95%一致性界限为(-2.1%,5.9%);对于脂类成分的分解,偏差平均值为-0.8%,95%一致性界限为(-3.9%,2.2%);对于蛋白质成分的分解,偏差平均值为-0.6%,95%一致性界限为(-3.3%,2.1%)。利用双能线性混合成像方法,头部和体部Catphan模体实验得到的相对电子密度与参考值的相关系数分别为0.995和0.975,优于单能CBCT(0.975和0.953)。结论:本课题建立了一套CBCT双能成像方法,可以改善图像质量,提高剂量计算准确性,较准确地计算出物质的成分组成,在自适应放疗中有很大的应用价值。