MIM軟件CT圖像自動剛性配準的準確性研究*

宋恒利　鞠忠建　王金媛　鄭慶增　王小深　徐 偉　馮林春　王運來*

MIM軟件CT圖像自動剛性配準的準確性研究*

宋恒利①鞠忠建②王金媛②鄭慶增③王小深②徐 偉②馮林春②王運來②*

目的：驗證分析放射治療應用靶區勾畫軟件MIM的CT圖像自動剛性配準的準確性。方法：利用西門子SOMATOM Definition AS CT掃描機對Penta-Guide模體進行掃描，獲得的CT圖像作為參考圖像，再將模體相對于等中心沿左右、頭腳和前后3個方向移動預定的距離，以及在冠狀面旋轉預定角度再平移，分別進行CT掃描；所獲得的CT圖像以DICOM格式傳輸至MIM 6.5.4系統，與參考圖像配準，分析左右、頭腳和前后方向的平移配準誤差以及冠狀面旋轉配準誤差；選擇頭部腫瘤患者進行患者CT圖像配準的驗證。結果：Penta-Guide模體在左右、頭腳和前后3個方向的配準誤差均＜1 mm，冠狀面旋轉方向配準誤差均＜0.5o。頭部疾病患者在左右、頭腳和前后3個方向的配準誤差也＜1 mm。結論：MIM軟件CT圖像自動剛性配準的準確性好，操作簡單，可應用于臨床。

MIM軟件；圖像配準；Penta-Guide模體；剛性配準；放射治療

［First-author's address］ Department of Radiation Oncology， Henan Cancer Hospital， Zhengzhou 450008， China.

在放射治療技術中，靶區和正常組織的準確勾畫是保證靶區及正常組織照射劑量準確性的前提條件。治療計劃的設計主要依賴于模擬定位CT，CT圖像能提供解剖結構信息，但軟組織分辨率低，難以準確勾畫靶區邊界，需要將多種模態醫學圖像與定位CT配準融合，并結合各種醫學圖像的優勢［1-2］。在放射治療過程中患者靶區體積可能發生變化，需要調整治療計劃，隨著患者生存期延長，需要多次接受放射治療。此期間，需將分次獲得的CT圖像進行配準融合。MIM軟件是近期應用于放射治療的軟件，能夠自動勾畫重要組織、器官和多模態圖像配準融合，提高靶區勾畫的效率。MIM軟件圖像配準的準確性需要進行驗證，但目前尚未見相關報道［3-4］。本研究利用Penta-Guide模體進行CT掃描配準，驗證MIM 6.5.4軟件自動剛性配準的準確性。

1　材料與方法

1.1MIM 6.5.4軟件

MIM 6.5.4軟件（美國MIM software公司）是應用于放射治療的靶區勾畫軟件。用于單光子發射型電子計算機斷層掃描儀（single-photon emission computed tomography，SPECT）、正電子發射斷層攝影術（positron-emission tomography，PET）、X線計算機斷層成像（X-ray computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、X射線和超聲等診斷影像的閱片、配準、融合和（或）顯示。醫生可手動創建、轉換和修改勾畫；通過導入勾畫好的患者信息，建立數據庫，基于數據庫自動勾畫患者正常器官；多模態圖像的自動配準融合；基于圖像配準融合的劑量疊加。MIM 6.5.4軟件能夠接收并讀取多種計劃系統的圖像，勾畫、劑量分布以及劑量-體積直方圖（dose volume histogram，DVH）等信息，對于放射治療中多種計劃系統具有很好的兼容性。MIM 6.5.4軟件提供基于標記點和基于區域等多種配準方法，可融合任意數量的不同模態的圖像，包括CT、MRI、PET、SPECT及錐形束計算機斷層攝影（conebeam computed tomography，CBCT）等，其自動剛性配準基于最大互信息算法，融合速度快，并可輕松手動調整。

1.2Penta-Guide模體

Penta-Guide模體（加拿大Quasar公司）是放射治療中最常用的模體，主要用于二維和（或）三維影像配準的準確性驗證、燈光野與照射野的一致性驗證、治療床的位移驗證以及影像系統和加速器的質量控制［5］。Penta-Guide模體由丙烯酸樹脂材料制成，為16 cm×16 cm的正方體，內有5個大小不同的球形空氣腔，通過CT掃描可顯示相應的影像，作為圖像配準的參考標記［6］。模體表面有長短2套十字線，長十字線位于模體的幾何中心，短十字線與長十字線的距離分別為左右方向10 mm，頭腳方向14 mm，前后方向12 mm，可以作為定位移動誤差（如圖1所示）。

圖1　Penta-Guide模體示圖

1.3模體圖像配準的準確性方法

（1）將Penta-Guide模體按照表面標注的左右、頭腳和前后3個方向擺放至CT床上，利用模體自帶的水平儀調整模體水平，CT掃描激光燈對準Penta-Guide模體的長十字刻度線，進行CT掃描。掃描參數：頭部掃描模式，電壓120 kV，有效電流300 mAs，層厚3 mm，重建算法Medium smooth。CT圖像作為圖像配準的參考圖像。

（2）將模體沿左右、頭腳和前后單獨方向平移2 mm、3 mm、5 mm、10 mm和20 mm，分別獲取存在位置偏差的CT圖像，以研究圖像在單個方向平移配準的準確性；再將模體在左右、頭腳和前后3個方向同時分別平移2 mm、3 mm、5 mm、10 mm和20 mm距離，獲取CT圖像，用于評價圖像在沿左右、頭腳和前后3個方向同時存在平移誤差的配準準確性。為了驗證平移和旋轉角度同時存在誤差時圖像配準的準確性，將模體在左右、頭腳和前后3個方向同時平移5 mm并在冠狀面方向分別旋轉2o、3o和5o時獲取CT圖像。

（3）CT圖像采集完成后，均通過DICOM格式傳輸至MIM 6.5.4軟件系統。采用剛性配準對存在位置偏差的CT圖像和參考CT圖像進行自動配準。配準完成后，點擊“Edit Translation”功能鍵讀取浮動圖像的移動距離和“Edit Rotation”功能鍵讀取旋轉角度。記錄數據并與已知平移距離和冠狀面方向旋轉角度比較，得到配準誤差。

1.4圖像配準的準確性方法

標準配送式變電站采用面向間隔與功能的模塊化設計原則，形成“預制艙式二次組合設備+預制式組合二次設備+預制式智能控制柜”的模塊化設計方案[1]。標準配送式變電站站內二次設備模塊主要包括預制艙式二次組合設備、預制式智能控制柜、預制式組合二次設備，其中公用二次設備采用模塊化二次組合設備，布置于裝配式建筑物內；各電壓等級及主變間隔二次設備采用預制艙式二次組合設備，布置于配電裝置場地；合并單元、智能終端等二次設備選用預制式智能控制柜，與匯控柜一體化布置于配電裝置場地[2]。

頭部腫瘤患者骨性標志明顯，形變小，適合進行自動剛性配準。本研究選取實際治療的1例頭部腫瘤患者（獲得患者知情同意），取仰臥位，雙手置于體側并用熱塑面膜固定，移動治療床使患者面膜上的3個十字線與激光線重合，掃描獲得的CT圖像作為參考CT圖像。同時，沿患者左右、頭腳和前后3個方向分別移動5 mm、10 mm及5 mm，再次進行CT掃描，獲取患者CT圖像。將兩套CT圖像通過網絡傳輸到MIM 6.5.4軟件系統，進行圖像配準，并比較配準位置移動誤差。

2　結果

2.1Penta-Guide模體的CT圖像配準

（1）模體配準前圖像。Penta-Guide模體在左右、頭腳和前后方向同時偏移5 mm掃描得到的CT圖像與參考CT圖像的配準，以模體內的空氣氣腔及邊界是否重合作為判斷依據，配準前矢狀面、冠狀面和橫斷面圖像中空氣氣腔均不重合，如圖2所示。

圖2　Penta-Guide模體配準前圖像

（2）模體配準后圖像。模體內氣腔完全重合且模體邊緣清晰可見，圖中灰色區域為浮動CT圖像，如圖3所示。

圖3　Penta-Guide模體配準后圖像

2.2模體沿一個方向平移的配準誤差

Penta-Guide模體沿左右、頭腳和前后單個方向存在平移誤差的配準，其中前后和左右方向的配準誤差較小；頭腳方向配準誤差稍大，主要由于CT圖像層厚的影響。左右、頭腳和前后方向的配準誤差為隨機，且與參考位置之間的位置偏差大小無關。移動距離為20 mm的模體大失配條件下，MIM 6.5.4軟件也能準確給出結果，其結果如圖4所示。

2.3模體沿三個方向同時平移的配準誤差

圖4　模體沿一個方向平移時的配準誤差示圖

圖5　模體沿三個方向同時平移時的配準誤差示圖

2.4模體平移加旋轉的配準誤差

Penta-guide模體平移加旋轉的配準，其中平移時的最小誤差出現在左右方向，為0.1 mm；最大誤差出現在頭腳方向，為0.5 mm。左右、頭腳和前后方向平均誤差分別為0.3 mm、0.4 mm及0.3 mm。冠狀面方向旋轉角度配準的最小誤差為0，最大誤差為0.5o。旋轉角度配準誤差與Penta-Guide模體實際的旋轉角度大小無關。結果表明，模體同時存在平移和旋轉偏差，MIM 6.5.4軟件也能給出準確的結果，其結果見表1。

表1　模體平移+冠狀面旋轉配準誤差

2.5頭頸部疾病患者的配準誤差

（1）患者配準前圖像。配準前頭頸部疾病患者的CT圖像冠狀面、橫斷面及矢狀面CT圖像中顱骨和脊柱等骨性標志明顯存在偏差（紅色為浮動CT圖像），如圖6所示。

圖6　頭頸部腫瘤患者配準前圖像

（2）患者配準后圖像。配準后頭頸部疾病患者的CT圖像顱骨和脊柱等骨性標志重合得很好。本例患者在左右、頭腳方向及前后方向的配準誤差分別為0.6 mm、0.7 mm和0.3 mm。頭頸部腫瘤患者的配準結果非常好（紅色為浮動CT圖像），如圖7所示。

圖7　頭頸部腫瘤患者配準后圖像

3　討論

放射治療的基礎是確定腫瘤的位置及邊界以及腫瘤與周圍正常組織和器官的空間解剖學關系。CT對軟組織分辨率差，很難僅通過CT圖像精確判斷腫瘤的邊界，需要利用圖像配準融合技術將增強CT圖像、MRI圖像及PET圖像等多模態圖像與定位CT相結合，方可提供更豐富、全面的解剖結構信息，有助于減少靶區外放邊界，在提高靶區受照射劑量的同時，降低正常組織的不良反應［7-12］。圖像配準是圖像融合的基礎，配準結果的準確性直接影響圖像融合的質量，故圖像配準技術可用于評估和跟蹤腫瘤的放射治療效果。

圖像配準的目的是建立兩幅圖像的像元之間相對應關系，使其幾何關系達到匹配，從而去除或抑制待配準圖像和參考圖像之間幾何上的差異。最大互信息的計算涉及大量的浮點運算，其配準過程復雜費時。此外，離散誤差可能使目標函數產生局部極值，產生錯誤的配準結果；同時對縮放旋轉及扭曲等較敏感，若待配準圖像之間存在大比例變化、旋轉和平移，或存在較大的圖像非線性畸變以及嚴重的幾何校正殘余誤差等情況，其配準難度增大，甚至無法完成配準。因此，圖像配準需要進行嚴格的質量保證與質量控制。

快速和精確的融合功能對于獲取不同檢查間相關信息至關重要。目前，多數計劃系統均可提供圖像配準融合功能，但配準精度較差，并需醫生手動配準，不但耗時，且存在一定的主觀性。MIM 6.5.4軟件可定制臨床閱片工作流程，由軟件自動運行系列動作組合，提供自動、可重復使用的圖像分析手段；可完成任意數量檢查的自動配準、多布局無縫切換、色度表變更以及屏幕截取等操作，是放射治療靶區和器官勾畫的有效工具。MIM 6.5.4軟件自動剛性配準對于頭頸部腫瘤患者圖像配準效果較好，而對于形變較明顯的胸腹部圖像MIM 6.5.4軟件的自動剛性配準結果則較差，需要應用形變配準和手動配準。本研究對不同分次時間獲取的CT圖像進行CT與CT單模態配準驗證，在自適應放射治療以及療效評估方面具有一定的實際應用價值。其他多模態圖像配準以及形變配準的準確性將做進一步研究。

Penta-Guide模體以及頭頸部腫瘤患者病例的研究結果表明，MIM軟件剛性配準的準確性高，完全能夠滿足放射治療對位置準確性的要求，并可應用于臨床。

［1］張見威，韓國強，張見東.醫學解剖圖像與功能圖像配準技術綜述［J］.中國醫療設備，2006，21（6）：90-94.

［2］趙軍.PET-CT—功能與解剖結構的同機圖像融合［J］.國外醫學：放射醫學核醫學分冊，2000，24（6）：246-249.

［3］任基偉，郭瑞嵩，侯麗娜，等.磁共振成像與CT圖像融合技術在喉癌精確放療定位中的初步應用［J］.實用醫學影像雜志，2012，13（3）：160-162.

［4］王軍良，周振山，薛嫻，等.錐形束CT圖像與計劃CT圖像配準方法分析［J］.中國醫學物理學雜志，2011，28（1）：2386-2388.

［5］韓媛媛，王運來.Synergy加速器治療床自動擺位準確性的驗證［J］.中國醫學物理學雜志，2012，29（3）：3360-3363.

［6］Sykes JR，Lindsay R，Dean CJ，et al.Measurement of cone beam CT coincidence with megavoltage isocentre and image sharpness using the QUASAR Penta-Guide phantom［J］. Phys Med Biol，2008，53（19）：5275-5293.

［7］Wong CM，O'Connor DT，Martinez JA，et al.Medical image registration using mutual information［J］. Proceedings of the IEEE，2003，91（10）：1699-1722.

［8］Dhawan AP.Rigid and non-rigid medical image registration methods［J］.Internat J Biomed Engineer Technology，2012（2-3）：200-219.

［9］Pluim JP，Maintz JB，Viergever MA.Mutualinformation-based registration of medical images：a survey［J］.IEEE Trans Med Imaging，2003，22（8）：986-1004.

［10］張孝飛，王強.醫學圖像融合技術研究綜述［J］.廣西科學，2002，9（1）：64-68.

［11］劉振穎，張永壽.基于控制點圖像配準方法的研究［J］.中國醫學裝備，2011，8（3）：6-9.

［12］單書燦，邱杰，全紅，等.自動勾畫軟件對鼻咽癌靶區和危及器官勾畫結果對比分析［J］.中國醫學裝備，2015，12（7）：33-36.

Accuracy verification of automatic rigid registration of CT images with the MIM software

/SONG Heng-li， JU Zhong-jian， WANG Jin-yuan， et al//
China Medical Equipment，2016，13（8）：17-20.

Objective： To verify the accuracy of automatic rigid medical image registration with MIM 6.5.4 software newly used in radiotherapy. Methods： The Penta-Guide phantom was placed at isocenter and scanned with Siemens Definition AS CT scanner. CT images were obtained as reference images. Then the phantom was translated several given distances in lateral， longitudinal and vertical direction， and in three directions simultaneously， also with a translational and a rotational movement. All the CT images were transferred to MIM 6.5.4 system via DICOM. Translational and rotational errors were acquired by registering the floating images with the reference image. Patients with brain tumors were selected to perform patient-specific verification. Results： The Penta-Guide phantom registration data showed that the translational errors were less than 1 mm in lateral， longitudinal or vertical directions， and the rotational errors in coronal plane were less than 0.5 degree. Registration errors for patients with brain tumor were less than 1 mm. Conclusion： Automatic rigid medical image registration using MIM software is accurate and can be safely used in clinical.

MIM software； Image registration； Penta-Guide phantom； Rigid registration； Radiotherapy

1672-8270（2016）08-0017-04 ［中圖分類號］R812

A

宋恒利，女，（1991- ），碩士。河南省腫瘤醫院放療科，研究方向：輻射計量學。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.005

解放軍總醫院轉化醫學基金（105059）“新型追蹤標記物在立體定向放療中的研發與應用”

①河南省腫瘤醫院放療科 河南 鄭州 450008

②解放軍總醫院放療科 北京 100853

③武漢大學物理科學與技術學院 湖北 武漢 430072

nanyangwang@163.com

2016-03-21