利用kV級CBCT識別標記物研究

趙鑫，田龍，席強

河北北方學院附屬第一醫院 放療科，河北 張家口 075000

引言

現今，精確放療已成為業內主流技術[1-2]，圖像引導放療（Image Guide Radiotherapy，IGRT）能有效提高放療精度[3]。多數放療單位采用的是治療前的圖像引導，例如拍攝電子射野影像系統（Electronic Portal Imaging Device，EPID）平片和錐形束CT（Cone Beam CT，CBCT）掃描，并將結果同計劃系統數據進行比較，從而修正擺位誤差[4]。

未來IGRT的趨勢是治療中實時修正誤差。這可通過實時定位靶區中預埋的標記物來獲取靶區位置信息，從而反饋到治療設備并實時調整其參數[1]。但治療中如何實時獲取標記物三維空間坐標尚未得到完全解決。

胡逸民[5]提出了雙源加速器設想，可以解決之前的難題。該設想起初參考了雙源CT的設計思路[6]，即兩個放射源安裝在兩個機頭中并呈正交角度，類似雙源CT球管設置，在治療過程中一個源出束治療，一個源配合實現治療過程中的實時驗證。本實驗所利用的算法即是建立在該設想模型基礎上的。之前的研究證明了在雙源加速器模型基礎上，利用兩張EPID平片和所開發算法實時定位模體中內植標記物三維空間坐標的可行性。隨著設備軟硬件水平的發展和進步，胡逸民[5]進一步完善了雙源加速器的設計思路，即盡量縮小兩個源的角度間隔，使得兩個源（治療源和驗證源）同時處于一個加速器機頭內且圍繞同一個治療等中心，并處于相同旋轉軌道上。驗證源同治療源間隔一定角度，射線中心軸同治療源射線中心軸在治療等中心處相交，如圖1所示。該設想應用關鍵在于兩個源之間最小角度間隔。

圖1 雙源加速器構想

本實驗利用kV級CBCT掃描內植了標記物的模體，獲得0°到359.96°球管（兩個不同角度的球管位置代表了間隔的兩個源）所拍攝的圖像集合，并利用金球投影位置自動跟蹤算法處理圖像集合中任意兩張圖像，以期獲得最小識別角度間隔。

1 材料和方法

1.1 試驗器材

醫科達Synergy Platform加速器及所載kV級CBCT系統（瑞典醫科達公司生產）；Random硅膠仿真模體盆腔段橫斷層8片（美國瓦里安公司生產）；Visicoil helical線性金標記物[7]4枚，圓柱狀，直徑0.5 mm，長度5 mm三枚作為研究對象標記物，直徑1 mm，長度5 mm一枚作為參考中心（比利時IBA公司生產）。本文所用試驗器材，見圖2。

圖2 本文所有試驗器材實物圖

1.2 試驗方法

1.2.1 安裝模體

截取Random假體盆腔段，將標記為A、B、C的三枚金標記物內植于模體膀胱部位不同層面中，任意兩枚標記物之間距離大于15 mm。

1.2.2 確定標記物真實三維空間坐標

首先本實驗將參考中心置于模體膀胱中間，同其他三枚標記物處于不同層面的固定標識位置處，然后使用最小刻度為0.01 mm的帶表游標卡尺測量三枚標記物同固定標識處標記物實際三維距離（X、Y、Z方向，同加速器方向正負保持一致），之后在模體表面利用十字標記標識參考點，最后封裝模體。之后使用大孔徑CT對模體進行定位掃描，除膀胱部位外盆腔其他區域掃描層厚5 mm，膀胱區域3 mm，并將模體定位圖像上傳至計劃系統。

最后，將模擬治療等中心設置于參考中心處，使用XiO放療計劃系統，利用measure功能測量和記錄重建后三枚標記物3D質心相對等中心（0,0,0）的真實三維空間坐標，并同帶表游標卡尺實際測量數值相比較防止出現誤差（誤差允許范圍±5 mm）。

1.2.3 設置kV級CBCT參數

CBCT球管到探測器距離設置為153 cm，球管到等中心距離設置為100 cm。選擇快速掃描模式（機架旋轉速度為180 deg/min），管電壓為120 kV，總管電流為1689.6 mAs，kV板位置為Medium，FOV選擇M10，kV濾過板選擇F1。CBCT旋轉一周共獲得588幅投影圖像，即從球管處于270°位置開始，約每0.52°獲取一幅投影圖像，并將角度標注于每幅投影圖像上面，圖3展示了球管于0°、60°和90°三個角度平片。

圖3 kV級CBCT所獲得不同球管角度平片

1.2.4 圖像處理

于圖像集合中任意抽取兩幅不同角度的投影圖像，利用金球投影位置自動跟蹤算法進行圖像處理，并獲得標記物的三維空間坐標。

為了便于表示，本實驗將球管于0°所獲取的投影圖像設置為所有抽取的投影圖像組合中的第一幅，即使用0°投影圖像同其他587幅圖像組成587個圖像組合，并進行處理。每個圖像組合會獲得三枚內植標記物的三維空間坐標，共會獲得587組，1761個結果。

1.2.5 統計學分析

將歷次所選取圖像組合的處理結果，即每個標記物的三維空間坐標同真實結果相比較，計算三個方向上位移d值，共獲得3組1761個結果。并于每組結果中，找到差異絕對值最大的結果，同時確定第二幅投影圖像的拍攝角度（第一幅均為0°）。

2 結果

通過帶表游標卡尺和XiO放療計劃系統測量計算出的三枚標記物A、B、C的真實三維空間坐標分別為：A：（5.71，2.16，-2.51）；B ：（0.41，1.23，1.66）；C ：（1.48，-2.87，0.03）和 A ：（5.75，2.19，-2.56）；B ：（0.46，1.28，1.69）；C：（1.52，-2.91，0.01），在誤差允許范圍（±5 mm）之內，取平均值為 A：（5.73，2.18，-2.54）；B：（0.44，1.26，1.68）；C ：（1.50，-2.89，0.02），單位為 cm。

本實驗共獲得了三組1761個結果，由于所編制算法邏輯以及設備精度限制、kV級CBCT平片圖像質量限制，設置容差為±5 mm，即誤差在±5 mm以內即認為標記物識別成功。為了方便展示，僅列出了0°同0.52°到13°投影圖像配對組相對真實值在三個方向上位移d絕對值，見表1。二者d值三維空間向量隨角度變化趨勢如圖4所示。

表1 0°同0.52°到13°投影圖像配對組的結果三個方向上相對真實位移d絕對值（cm）

圖4 以0°為首幅圖像的對比組同真實值三維空間向量隨角度變化趨勢

另外，為了保證其他角度結果的可信度，試驗又以90°為第一幅圖像，同0.52°到13°依次組成配對組，同真實結果之間三維空間向量隨角度變化趨勢如圖5所示。

通過以上結果可以發現，當第二幅投影圖像拍攝角度為4.16°時，無論首幅圖像為0°還是90°，三枚標記物三維空間坐標同其真實值相差均不大，當第二幅投影圖像拍攝角度為3.64°時，A、B兩枚標記物三維空間坐標同其真實值差異處于可以接受范圍內，而C標記物差異較大。本實驗以三枚標記物均準確定位為標準，故標記物最小識別角度為4.16°。

圖5 以90°為首幅圖像的對比組同真實值值三維空間向量隨角度變化趨勢

3 分析與討論

本實驗是在雙源加速器設想基礎上進行的。本實驗提供給了設計者最小的源角度間隔數據，從而提高實現治療中的實時驗證的可行性。

之前研究解決了算法問題[1]，在Park等[8]所編算法基礎上，利用Matlab編程軟件編制了算法，處理兩張不同角度EPID所獲得的MV級圖像，采用相同試驗方法，計算獲得三枚標記物于三維空間坐標。事實證明，之前所編算法在處理兩張不同角度kV級CBCT所獲得的kV級圖像時，表現也比較出色。另外，本試驗參考了其他文獻[9-13]，在原有基礎上縮減了圖像讀取和整合算法過程，優化了亮斑突出和邊緣銳化算法結構，增加了算法處理kV級圖像所必須的程序，從而使其對kV級圖像的處理更加完美。另外，本實驗算法閾值參數要求標記物之間距離必須大于15 mm，且處于不同層面中。從可視性上來說，標記物距離小于15 mm可能會導致標記物在某些角度圖像上發生重疊，從而對計算結果產生嚴重影響。例如在Bernchou等[14]的試驗中，有兩例患者標記物之間距離小于15 mm，最終導致錯誤的標記物追蹤；有一例患者兩枚標記物被放置于同一層面上，導致24%的追蹤失敗率。

本實驗存在一些未解決的問題。首先，是雙源如何同時工作的問題，對此，胡逸民教授提出了旋轉源的設想，目前專利正在申請中，有望解決治療中如何同時產生治療射線和驗證射線的問題；其次，是EPID探測板的問題，由于試驗中兩個源間隔最小角度為4.16°，因此兩塊對應的EPID探測板的角度間隔角度非常小，如何安置兩塊EPID探測板尚未有解決思路。本實驗設想是否可以采用一塊曲面EPID探測板來實現同時接收兩個源的射線，并產生兩套相關EPID圖像，但板面中心距離太近是否會造成重疊、失真或干擾尚不得知，仍需同加速器生產廠商聯系溝通。

本實驗所利用的算法和軟件系統、設備水平還有待于進一步提高。算法方面，程序計算和圖像處理速度有待提高，從而防止在治療過程中可能會出現的圖像處理滯后現象；軟件方面，計劃系統、CBCT系統軟件需要由3D向4D跨越，Fujii等[15]實現了4D-CBCT軟件的臨床應用，為本實驗指明了優化方向；硬件方面，kV級CBCT的圖像分辨率高于MV級設備所拍攝的圖像[16]，而雙源加速器設想是治療過程中使用MV級射線獲取圖像信息。如何提高MV級圖像的分辨率和圖像處理能力也是關乎實現實時驗證的關鍵。本實驗結果可以接受且能夠應用于臨床實踐當中，不過仍需提高軟硬件水平從而獲得更精確結果。

4 結論

在雙源加速器設想基礎上，之前試驗所開發的算法對CBCT圖像的處理結果可以接受，計算獲得的兩個加速器源最小間隔角度為4.16°，具有臨床實際使用價值。但仍存在一些尚未解決的難題，例如EPID探測板的安置，以及軟硬件水平，未來試驗目標是同加速器廠家聯系溝通，并提升算法及其他軟件水平，從而獲得更好實驗結果并爭取早日應用到臨床中。