錐形束CT低劑量模式可行性研究

張麗敏，王克強

1.天津醫科大學總醫院 醫學影像科，天津 300052；2.天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072

引言

錐形束CT（Cone beam CT，CBCT）是實現影像引導放射治療（Image Guided Radiation Therapy，IGRT）的常用設備，不僅可以修正擺位誤差，更好地保護正常組織，而且可以監控治療過程中腫瘤和正常器官的解剖學變化，實現自適應放療。然而由于CBCT成像野較大，頻繁使用將額外增加靶區外正常器官的輻射劑量，從而增加輻射致癌風險[1]，對兒童患者更需謹慎，因為兒童體型較小，同樣的掃描條件下會獲得比成人更高的輻射劑量[2]，同時兒童的輻射敏感性更高，預期生存時間更長，使其繼發致癌風險遠高于成人[3-4]。Zhou等[5]發現IGRT中CBCT對骨髓和腦部的平均累積劑量分別達到460 mGy和644 mGy，其終身歸因風險比常規腦部CT高8～10倍。因此美國醫學物理師學會發布的TG75號報告建議對IGRT的成像劑量進行評估和優化，以盡可能降低繼發致癌風險[6]。

降低成像劑量的策略包括減少使用頻率和采用低劑量模式，然而使用頻率的降低將難以保證治療的準確性，因此低劑量模式需要進一步探索。同常規扇形束一樣，降低電流（mA）、降低電壓（kV）、減少成像幀數等都可以降低輻射劑量[7-9]，但可能增加噪聲從而引起圖像質量的下降。對于IGRT，需要尋求低劑量模式和圖像質量之間的平衡，保證降低輻射劑量的同時滿足自動配準的需求。雖然已有研究者證明CBCT低劑量策略對配準結果的影響甚微[10-12]，但缺少圖像質量的量化評估，因此本研究旨在評估降低電流（Low mA）、快速掃描（減少成像幀數，Fast）以及超低劑量模式（快速掃描的同時降低電流，Ultra-low dose，UL dose）三種低劑量策略對成像質量的改變，進而評估對自動配準精度的影響，用于指導臨床選擇合適的CBCT低劑量模式。

1 材料與方法

1.1 CBCT設備

采用Elekta Infinity加速器的機載CBCT系統（XVI）進行成像，XVI系統由kV級X線球管、高壓發生器、濾過器、準直器和非晶硅探測板組成。本研究所用軟件系統為XVI 5.0，其標準的掃描模式包括頭頸部（H&N_S）、胸部（Chest_S）和腹盆部（Pelvis_S），其預設參數包括所用準直器、濾線器、管電壓、管電流、脈沖時長、機架旋轉范圍及機架旋轉速度等，具體參數如表1所示。

1.2 低劑量模式

在標準掃描模式的基礎上，分別將管電流mA減少一半形成低電流模式（Low mA），將機架旋轉速度加倍形成快速模式（Fast），此時成像幀數減少一半，另外將管電流減半的同時機架旋轉速度加倍形成超低劑量模式（UL dose）。對頭頸部，由于標準模式使用的電流10 mA已經是最小值，無法減半，所以只評估快速掃描低劑量模式，而對胸部和腹盆部分別設置三種低劑量掃描模式，具體參數如表1所示。

表1 頭胸腹標準掃描模式和低劑量掃描模式的預設參數

1.3 重建方法

投影圖像采集分辨率為512×512，各部位低劑量模式重建時和標準模式一樣，選擇速度較快的中分辨率重建。

1.4 成像質量評估

kV-CBCT的成像質量包括空間分辨率、噪聲、均勻度、低對比度分辨率及幾何精度，本研究利用Catphan?CTP 503模體進行檢測，該模體包含CTP528模塊、CTP486模塊和CTP404模塊（圖1a），其中CTP528模塊用于檢測圖像空間分辨率，CTP486模塊用于檢測圖像均勻度和噪聲，CTP404模塊用于檢測圖像低對比度分辨率和幾何精度，檢測時將Catphan?CTP 503模體中心放置在加速器等中心處，采集CBCT圖像后分析方法如下：

（1）空間分辨率：CTP528模塊含有21組呈放射狀分布的高密度線對結構（圖1b），將采集的CBCT圖像調至合適的窗寬和窗位，使圖像具有最高的分辨率，記錄可清晰分辨的線對數。

（2）噪聲：CTP486由均勻的固體水組成，噪聲代表給定區域中像素值對其平均值的變異，一般用中心區域像素值的標準偏差表示，我們選擇面積1 cm2大小的中心區域進行噪聲評估。

（3）均勻度：在CTP486模塊的CBCT圖像上選取5個面積約1 cm2的區域，分別位于圖像中心和邊緣3、6、9、12點鐘方向（圖1c），記錄其像素平均值，然后利用公式(1)計算。

（4）低對比度分辨率：CTP404模塊包括8個不同材質的插件（圖1d），其中兩個為空氣（-1000 HU），其余6個分別為聚甲基戊烯（PMP，-200 HU）、低密度聚乙烯（LDPE，-100 HU）、聚苯乙烯（Polystyrene，-35 HU）、丙烯（Acrylic，120 HU）、聚甲醛樹脂（Delrin，340 HU），特氟隆（Teflon，990 HU），這些插件用于分辨圖像的對比度，一般讀取聚苯乙烯插件和低密度聚乙烯插件橫截面中心的像素平均值和標準差，利用公式(2)計算低對比度分辨率。

（5）幾何精度：CTP404模塊上有4個直徑3 mm的孔，水平方向的孔中心距離及垂直方向的孔中心距離都是50 mm（圖1d），從CBCT圖像上測量距離，與實際值進行比較。

圖1 Catphan? 503模體及各模塊示意圖

1.5 自動配準精度評估

利用QUASARTMPenta-Guide模體（圖2）進行配準精度評估，此模體為邊長16 cm的立方體，由均勻的丙烯酸樹脂制成，內部有5個球形氣腔，用于圖像配準，表面有兩套十字線，長十字線指示模體中心，短十字線指示的位置與模體中心在左右、頭腳、垂直方向的距離分別為10、14、12 mm，可用于模擬擺位誤差。采用不同掃描模式成像后，將CBCT圖像和參考圖像進行自動配準，配準采用基于灰度的自動配準算法，重復3次取平均值，記錄左右、頭腳、垂直方向的誤差，同模擬誤差進行比較，從而評估配準精度。

圖2 Penta-Guide模體

2 結果

2.1 不同掃描模式下圖像質量

（1）空間分辨率：標準掃描模式和低劑量掃描模式下得到CTP528模塊的CBCT圖像如圖3所示。無論是頭頸部標準模式、快速模式，還是胸腹部標準模式、低劑量模式，可清晰分辨的線對數都是3個。

圖3 不同掃描模式下的空間分辨率

（2）噪聲：從部位來看，頭頸部噪聲最大，標準模式19.4，快速模式達到25，胸部次之（4.3～9.2），腹盆部噪聲最小（3.4～5）。從掃描模式來看，標準模式噪聲最小，快速模式和低電流模式都將增大噪聲，但對腹盆部，低劑量模式對噪聲的增加并不明顯，腹盆部超低劑量模式的噪聲只有4.5，完全可以滿足臨床需求（圖4a）。

（3）均勻度：從部位看，頭頸部和胸部的均勻度較好，小于1.4%，但腹盆部的圖像均勻度較差，達到1.9%。從掃描模式看，低劑量模式有利于提高圖像均勻度，尤其是降低電流，使腹盆部的均勻度從標準模式的1.9%降至1.38%，超低劑量模式降到了1.32%（圖4b）。

（4）低對比度分辨率：從部位看，頭頸部最差，標準模式為3.7%，快速模式達到4.7%；腹盆部最好，標準模式為1%，低電流模式為1.5%；胸部的低對比度分辨率介于二者之間（1.46%～2.2%）。從掃描模式看，低劑量模式將降低圖像對比度，但對腹盆部的降低并不明顯（圖4c）。

（5）幾何精度：各種掃描模式的水平方向及垂直方向的幾何精度誤差都在1 mm之內，平均誤差0.5 mm，低劑量掃描模式不會影響幾何精度（圖4d）。

圖4 不同掃描模式下的圖像質量（a）噪聲（b）均勻度（c）低對比度分辨率（d）幾何精度

2.2 自動配準精度

不同掃描模式的自動配準精度如表2所示。頭頸部掃描時，X方向的配準誤差最大，達到0.5 mm，Z方向的誤差達到0.3 mm；而胸腹部掃描時，Y方向的配準誤差最大，為0.6 mm。配準誤差與掃描部位相關，而與劑量模式無關，低劑量模式并不影響配準精度。

表2 頭胸腹標準掃描模式及低劑量掃描模式的自動配準誤差（mm）

3 討論

本研究利用Catphan?503模體評估CBCT不同掃描模式對圖像質量的影響，利用Penta-Guide模體探究不同掃描模式對自動配準的影響。通過降低管電流和加快機架旋轉速度的方式，設計了不同的低劑量掃描模式，并在頭胸腹三個不同的部位進行研究，結果表明降低電流和快速掃描將增加CBCT圖像的噪聲，使低對比度分辨率變差，但對圖像的空間分辨率和幾何精度幾乎沒有影響，并提高了圖像的均勻度。尤其對腹盆部，將電流減半同時旋轉速度加倍的超低劑量模式對噪聲的增加及低對比度分辨率的降低并不明顯，但受照劑量降為原來的1/4，掃描時間減為原來的一半，這對兒童患者的CBCT掃描十分有利。

關于降低IGRT中的掃描劑量，已經有一些學者進行了探索。Lu等[13]通過減少成像幀數來降低劑量，將成像幀數減為原來的1/2～1/6，發現隨著成像幀數的減少，圖像質量不斷降低，當小于1/4時會對配準精度產生影響。李明輝等[14]研究的快速掃描模式是將機架旋轉速度加倍，圖像采集幀數變為原來的一半，減少了掃描時間和掃描劑量，但不影響配準精度。上面的研究中都沒有涉及降低電流的低劑量策略，而降低電流可以線性減少掃描劑量[15]。Takei等[12]研究了降低電流對成像質量和配準精度的影響，發現降低電流將增加噪聲，對頭部和胸部，電流減半時，噪聲變為原來的1.5倍；而對腹盆部，電流減為原來的1/8時，噪聲是原來的2.2倍。Bryce-Atkinson等[9]模擬降低電流時的CBCT圖像，研究其對配準精度的影響，發現將劑量降至0.125 mGy時的配準結果在臨床上也可以接受。本研究綜合考慮了快速掃描和降低電流的策略，并提出了二者結合的超低劑量模式，研究了其對配準精度的影響，為臨床提供了更優的低劑量模式。

目前的研究結果表明低劑量CBCT將降低圖像質量，Murphy等[16]發現利用超低劑量CBCT圖像進行急性骨折診斷時，由于圖像質量變差，導致診斷準確率下降。施雄等[17]利用低劑量CBCT掃描巴馬豬豬頭，發現隨著管電壓和管電流的降低，圖像質量逐漸下降。然而圖像質量的下降或許會對診斷造成影響，但對圖像配準影響不大。Bryce-Atkinson等[18]發現在兒童CBCT掃描中，圖像質量的下降主要由解剖噪聲引起（運動偽影），1 mGy以上的低劑量即可滿足配準需求。本研究結果表明，對腹盆部掃描，超低劑量模式對圖像噪聲、低對比度分辨率影響不大，對空間分辨率和幾何精度沒有影響，反而提高了圖像的均勻度，對配準精度也沒有影響，因此建議在臨床中使用。

本研究存在的不足主要有兩點：① 沒有考慮降低電壓的低劑量策略；② 低劑量模式的配準精度只經過模體驗證，而沒有在真實患者身上進行驗證。因此下一步的研究將根據患者體型選擇合適的低電壓，探索其對配準精度的影響。

4 結論

本研究通過降低電流和快速掃描策略設置了不同的低劑量模式，并利用模體評估了不同掃描模式下的圖像質量及自動配準精度，結果表明低劑量模式可以在保證圖像質量的同時減少成像時間，降低受照劑量，同時不影響配準精度，推薦在兒童CBCT掃描中使用，從而降低繼發致癌風險。