基于Hough Circle變換檢測(cè)直線加速器等中心位置偏差的研究分析*

吳思宇 康德華 伍海彪 陳 利 馬彥凝 黃曉延*

醫(yī)用電子直線加速器是當(dāng)前治療腫瘤的重要設(shè)備，而加速器等中心精確度直接影響放射治療計(jì)劃的執(zhí)行，是保證放射治療質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在日常使用中，由于環(huán)境、運(yùn)行損耗和故障維修等因素，會(huì)改變機(jī)器等中心精度，從而造成一定的誤差[1-4]。驗(yàn)證等中心精度方法主要包括機(jī)械力學(xué)測(cè)量和影像分析兩大類，機(jī)械力學(xué)測(cè)量主要依賴人肉眼分析，雖然經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但精度遠(yuǎn)不及影像分析，目前基于影像分析等中心精度主要依賴膠片及相關(guān)分析儀器或軟件，但成本較高，難以將等中心檢測(cè)納入常規(guī)質(zhì)量控制中[5-7]。從質(zhì)量效率和成本效益方面考慮，本研究擬基于電子射野影像裝置(electronic portal imaging device，EPID)圖像，采取數(shù)字化圖像處理的方法，實(shí)現(xiàn)直線加速器轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的等中心徑跡追蹤，對(duì)確定等中心位置，提高精度有一定借鑒作用。

霍夫圓變換(Hough circle transform，HCT)是一種基本的數(shù)字圖像處理算法，主要用于檢測(cè)數(shù)字圖像中圓的特征提取技術(shù)，自動(dòng)探測(cè)圓心的像素絕對(duì)誤差達(dá)到0.037±0.019，常規(guī)的電子射野成像分辨率是0.5 mm，轉(zhuǎn)換成平均探測(cè)誤差為0.02 mm[8-9]。而肉眼觀察到的分辨率為(0.042±0.294)mm，使得探測(cè)精度比肉眼觀察到的和圖像分辨率都要高許多[10]。本研究應(yīng)用HCT算法探測(cè)圓邊界，探討圖像等中心的位置信息。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備與參數(shù)

(1)實(shí)驗(yàn)采用Trilogy型醫(yī)用電子直線加速器(美國(guó)Varian公司)；BRAINLAB Lightfield Pointer/WL Pointer X刀專用驗(yàn)證設(shè)備(德國(guó)Brain LAB公司)。

(2)能量為6 MV光子線，非晶硅平板探測(cè)器(a-Si EPID)，有效探測(cè)面積為40.96 cm×40.96 cm，分辨率為0.39 mm，輸出16位像素為768×1024的圖像[11]。使用博醫(yī)來X刀專用驗(yàn)證設(shè)備，直徑為35 mm的立體定向放射治療準(zhǔn)直器(stereotactic radiation therapy Cone，SRT Cone)及其安裝在準(zhǔn)直器上的托架，等中心擺位標(biāo)記帽LAB指針(LAB pointer)和直徑為3 mm的金球光野指針及安裝在治療床頭的托架。在個(gè)人計(jì)算機(jī)上用Matlab 9.1(R2016b)軟件處理圖像。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)在機(jī)架角度和準(zhǔn)直器角度均為0°時(shí)，將SRT Cone托架固定在加速器機(jī)頭的準(zhǔn)直器上，安裝直徑為35 mm的SRT Cone。將EPID安全伸出到固定位置(-40，0，0)，即源到探測(cè)板的距離(source image distance，SID)為160 cm。治療床角度為0°，將指針托架(X刀托架)固定在治療床頭，將帶擺位標(biāo)記帽的指針固定在托架上，打開光野，使得指針落在光野的中心，微調(diào)托架上的旋鈕，使標(biāo)記帽上的擺位線對(duì)準(zhǔn)已校準(zhǔn)過的激光線，將指針換成金球，此時(shí)金球的位置即為加速器的等中心位置[12-13](圖1)。

圖1 等中心擺位示意圖

(2)設(shè)置射野大小為6 cm×6 cm，機(jī)架角度為0°，采集EPID本底圖像。加速器輸出2 MU后拍攝小金球的EPID圖像，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)架角度，間隔30°拍攝1次，共拍攝12個(gè)空間位置，如此反復(fù)3次，導(dǎo)出圖像文件。

1.3 圖像處理

(1)使用Matlab軟件編程，讀取導(dǎo)出的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像及通信(digital imaging and communication of medicine，DICOM)文件，轉(zhuǎn)換成jpg格式，畫出金球和SRT Cone在X方向上像素值變化的曲線及微分曲線圖像成像質(zhì)量尚佳，灰度分割較明顯，半影邊界清晰，有利于對(duì)圖像進(jìn)行處理分析[14-15](圖2)。

圖2 圖像成像質(zhì)量分析

(2)使用最大類間方差法自適應(yīng)獲取精確的閾值，將灰度圖像二值化后填充圖像，給定半徑探測(cè)范圍檢測(cè)SRT Cone的邊界，計(jì)算中心點(diǎn)坐標(biāo)。裁剪圖像到合適的尺寸，使用直方圖均衡化增強(qiáng)對(duì)比度，自適應(yīng)獲取閾值，再將灰度圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像，給定半徑探測(cè)范圍檢測(cè)金球邊界，計(jì)算中心點(diǎn)坐標(biāo)(圖3)。

(3)根據(jù)HCT自動(dòng)探測(cè)提取圓的特征技術(shù)，此時(shí)探測(cè)到的圓半徑與實(shí)際物理上的圓半徑等價(jià)，其計(jì)算為公式1:

圖3 圖像處理過程

(4)為更直觀地顯示出2個(gè)圓的輪廓，根據(jù)自動(dòng)探測(cè)到的邊界勾畫圓周，見圖4。

1.4 計(jì)算誤差

SRT Cone的真實(shí)半徑與探測(cè)到的半徑之比即為每一個(gè)像素誤差，再將該像素誤差轉(zhuǎn)換為毫米誤差，計(jì)算2個(gè)圓心位置之間的偏差，得到等中心位置的平面偏差坐標(biāo)(Xi，Yi)，其中i=1，2，之間的偏差分別表示12個(gè)機(jī)架角度的位置，再換算到空間位置，α表示機(jī)架角度，空間3個(gè)方向的位置偏差計(jì)算為公式2:

算出誤差大小為公式3:

式中R為誤差大小。

2 結(jié)果

2.1 等中心處誤差數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量各機(jī)架角度對(duì)應(yīng)等中心處取誤差大小數(shù)據(jù)，機(jī)架在30°和330°的2個(gè)對(duì)稱位置偏差最大，處于0°時(shí)等中心在X方向(AB方向)偏差最大，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到150°的過程中，誤差逐漸減小，在臂架處于150°時(shí)等中心偏差最小。在90°～150°和210°～270°的2個(gè)對(duì)稱位置等中心偏差較小且遞減，表明臂架處于這2個(gè)位置時(shí)較為穩(wěn)定，對(duì)機(jī)器等中心影響較小(見表1)。

由表1計(jì)算出誤差均值[ΔXi，ΔYi，ΔZi]=[-0.3665，-0.1459，-0.1311]，即機(jī)器等中心平均誤差大小為偏差＜0.5 mm滿足臨床使用條件。

2.2 誤差數(shù)據(jù)分析

由表1作出誤差平面分布散點(diǎn)圖，機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)一周，誤差在平面方向上近似呈兩條平行線型增長(zhǎng)，等中心投影到平面上在某一方向上隨著機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)誤差逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)到對(duì)側(cè)位置時(shí)又逐漸減小。空間分布散點(diǎn)圖分析X、Y和Z的3個(gè)方向(分別對(duì)應(yīng)加速器AB、GT、UD方向)，在X方向上小球偏向A側(cè)，GT和UD方向偏差較均衡。為更加直觀看到小球在空間位置的誤差分析，根據(jù)內(nèi)插值法擬合曲線，能夠得到誤差在空間分布近似球型圖，等中心偏差在1 mm范圍內(nèi)波動(dòng)(圖5)。

表1 等中心在平面和空間位置的誤差

圖5 誤差分析示意圖

3 討論

本研究中直線加速器的等中心偏差測(cè)量利用一套SRT驗(yàn)證專用設(shè)備，是基于SRT小野照射、劑量特別集中、劑量梯度靶區(qū)邊緣特別陡峭等特點(diǎn)，選用6 cm×6 cm照射野，直徑35 mm的SRT Cone及直徑3 mm的金球，使加速器輸出劑量集中，減少散射線對(duì)成像質(zhì)量的影響。從圖2、圖3的像素曲線可以看出，圖像成像質(zhì)量尚佳，灰度分割較明顯，半影邊界清晰，為識(shí)別圓邊界探測(cè)提供較好的圖像基礎(chǔ)。通過不斷調(diào)整機(jī)架角度，用EPID拍攝獲取圖像，由于獲取的圖像為等中心點(diǎn)隨機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)各個(gè)角度的相對(duì)誤差大小，故此誤差大小與機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)過程中SRT Cone、EPID和機(jī)架本身的晃動(dòng)帶來的影響極小。

在本研究中，基于Matlab軟件平臺(tái)編寫程序?qū)D像進(jìn)行處理，應(yīng)用HCT算法檢測(cè)2個(gè)圓的邊界，通過讀取像素值精確地計(jì)算出2個(gè)圓心的位置偏差，亦可換算到空間中難以觀察到機(jī)架角度等中心偏移的位置關(guān)系，能較直觀地反映出等中心的位置。從數(shù)字圖像方面對(duì)等中心位置進(jìn)行分析，探測(cè)精度較肉眼觀測(cè)到的提高了1倍，平均探測(cè)誤差為0.02 mm，肉眼觀察到的分辨率為(0.042±0.294)mm，直接在圖像上反映出等中心在各個(gè)方向的位置偏移量，能夠獲取更豐富的位置信息，在一定程度上提高了質(zhì)量控制精度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)過程中AB方向穩(wěn)定性略差，等中心略偏向A側(cè)，這可能與加速器是軸承式裝配結(jié)構(gòu)有關(guān)。

本研究提供一種研究分析等中心精度的思路方法，EPID拍攝取代傳統(tǒng)的膠片測(cè)量，節(jié)約成本，操作流程簡(jiǎn)便，每次拍攝后只需在后臺(tái)應(yīng)用Matlab平臺(tái)調(diào)用程序分析圖像即可，減少質(zhì)量控制占用機(jī)器的時(shí)間，這對(duì)加速器等中心質(zhì)量控制有一定指導(dǎo)意義。