基于模體相對(duì)電子密度刻度曲線修正錐形束CT圖像的HU值

洪加標(biāo)

福建醫(yī)科大學(xué)腫瘤臨床醫(yī)學(xué)院·福建省腫瘤醫(yī)院 (福建福州 350014)

宮頸癌是臨床最常見(jiàn)的婦科疾病之一。根據(jù)國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(International Agency for Research on Cancer，IARC)2020《全球癌癥報(bào)告》報(bào)道，宮頸癌是發(fā)病率和病死率最高的婦科惡性生殖系統(tǒng)腫瘤，其發(fā)病率和病死率占所有類型癌癥的6.6%和7.5%，嚴(yán)重威脅女性生命健康[1]。放射治療可用于治療各臨床分期的宮頸癌，特別是中晚期宮頸癌。調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)因其在三維方向上可保持高劑量區(qū)和靶區(qū)形狀一致，且可在靶區(qū)邊緣形成陡峭的劑量跌落區(qū)域，因此能在控制病灶的同時(shí)，充分顧及周圍正常組織的安全性，已成為宮頸癌的主要治療方式[2-3]。然而，由于宮頸癌患者放射治療療程長(zhǎng)達(dá)5周，加之病變部位解剖結(jié)構(gòu)易發(fā)生較大的形變，若按常規(guī)IMRT治療方案，患者常出現(xiàn)腹瀉、放射性腸炎等嚴(yán)重并發(fā)癥[4]。自適應(yīng)放射治療(adaptive radiation therapy，ART)可適時(shí)修改放射治療計(jì)劃，有助于改善解剖結(jié)構(gòu)引起的劑量偏差。錐形束CT(cone beam computed tomography，CBCT)已被廣泛應(yīng)用于患者擺位和引導(dǎo)ART中，但由于掃描過(guò)程中受到X線散射、圖像延遲、光束硬化等因素影響，圖像質(zhì)量較差，電子密度信息不確定。有研究顯示，直接用CBCT進(jìn)行劑量計(jì)算，可產(chǎn)生8%以上的劑量偏差[5]，不能滿足臨床要求。本研究擬采用CIRS-062標(biāo)準(zhǔn)模體對(duì)CBCT圖像進(jìn)行相對(duì)電子密度曲線刻度，將CBCT圖像的HU值與CT圖像的HU值建立分段線性映射關(guān)系，修正宮頸癌患者的CBCT圖像HU值，并對(duì)修正后的CBCT圖像質(zhì)量進(jìn)行量化評(píng)估，為基于CBCT的劑量引導(dǎo)ART的開(kāi)展創(chuàng)造有利條件，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2021年1—12月福建省腫瘤醫(yī)院行IMRT的10例宮頸癌患者的治療計(jì)劃。

1.2 方法

1.2.1圖像采集

采用飛利浦大孔徑CT機(jī)(Brilliance Big Bore)采集CT圖像，設(shè)置球管電壓為120 kV，X線管電流為224 mA，重建矩陣大小為512×512，重建厚度為5 mm。采用醫(yī)科達(dá)Axesse直線加速器On-board kV CBCT(OBI)系統(tǒng)采集CBCT圖像，設(shè)置球管電壓為120 kV，X線管電流為40 mA，重建矩陣大小為410×410，重建厚度2 mm，機(jī)架逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°、速率6°/s，準(zhǔn)直器M20，濾線器F1，CBCT掃描圖像660幀。患者定復(fù)位和放射治療前排空膀胱和直腸并飲500 ml溫開(kāi)水，憋尿1 h后再進(jìn)行CT和CBCT掃描(CT與CBCT圖像采集時(shí)間間隔不超過(guò)1周)，放射治療后再做輔助性化療，以避免直腸、膀胱充盈度改變及身體消瘦等因素造成圖像信息差異化。采集的圖像須包含整個(gè)計(jì)劃靶區(qū)。

1.2.1圖像預(yù)處理

以重建的CBCT圖像為固定圖像，CT圖像為移動(dòng)圖像，通過(guò)開(kāi)源軟件3D Slicer中的Elastix配準(zhǔn)模塊將同一患者的CT圖像和CBCT圖像進(jìn)行剛性算法配準(zhǔn)[6]，并在Pinnacle16.2計(jì)劃系統(tǒng)將CT的感興趣區(qū)域映射到CBCT圖像。

1.2.3相對(duì)電子密度曲線刻度

如圖1所示，CIRS-062標(biāo)準(zhǔn)模體包含9種物質(zhì)，分別為脂肪、胸部、致密骨、等效水、肝臟、吸氣肺、呼氣肺、肌肉、疏松骨，相對(duì)電子密度分別為1.004、0.200、0.500、0.970、0.990、1.060、1.070、1.160、1.61。將CIRS-062分別置于CT機(jī)和加速器機(jī)載CBCT下掃描，掃描圖像傳輸至Pinnacle16.2計(jì)劃系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)上述物質(zhì)在兩組圖像中的平均HU值，見(jiàn)表1。采用分段線性擬合方法得到CT和CBCT圖像的HU值與相對(duì)電子密度之間的映射關(guān)系，見(jiàn)圖2。將CBCT圖像的HU值轉(zhuǎn)換為相對(duì)電子密度，再映射為相應(yīng)CT圖像的HU值，采用分段線性擬合方法基于CT圖像的HU值來(lái)修正CBCT圖像的HU值，得到高質(zhì)量CBCT(定義為HCBCT)圖像，實(shí)現(xiàn)CBCT圖像的HU值修正。

圖1 CIRS-062標(biāo)準(zhǔn)模體

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在相同掃描模式下使用Catphan504模體的CTP404模塊和CTP486模塊分別檢測(cè)CBCT圖像的HU值線性和均勻性。

采用均方誤差(mean absolute error，MAE)、峰值信號(hào)比(peak signal to noise ratio，PSNR)和結(jié)構(gòu)相似性(structural similarity，SSIM)評(píng)估靶區(qū)所在層面的CBCT-CT和HCBCT-CT之間的差異，各指標(biāo)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

c1=(k1L)2,c2=(k2L)2

其中，n代表圖像的像素?cái)?shù)量，MAX代表最大像素值，μ為像素平均值，σ為像素協(xié)方差與方差之比，k1、k2為常數(shù)(分別取0.01、0.03)，L為圖像的灰度范圍。

2 結(jié)果

連續(xù)6個(gè)月對(duì)Catphan模體進(jìn)行CBCT掃描并讀取模體內(nèi)特定物質(zhì)的HU值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)8種物質(zhì)的HU值最大差異為32，最大標(biāo)準(zhǔn)差≤1.6，可認(rèn)為CBCT圖像具有很好的穩(wěn)定性。表1為CIRS-062標(biāo)準(zhǔn)模體中各物質(zhì)與模體外空氣在CT和CBCT圖像中的平均HU值，圖2為相應(yīng)的相對(duì)電子密度刻度曲線。10例患者的原始CBCT圖像、HCBCT圖像與CT圖像之間的MAE、PSNR和SSIM如表2所示。相較于CBCT-CT圖像，HCBCT-CT圖像的MAE、PSNR和SSIM分別提升了50.7%、7.4%和4.6%。

表1 CIRS-062標(biāo)準(zhǔn)模體各物質(zhì)對(duì)應(yīng)的CT和CBCT圖像平均HU值

注：CBCT為錐形束CT

表2 10例患者CBCT-CT圖像和HCBCT-CT圖像之間的MAE、PSNR和SSIM比較

3 討論

IMRT劑量分布的準(zhǔn)確性不僅受計(jì)劃設(shè)計(jì)和治療設(shè)備不確定性的影響，還受治療過(guò)程中患者解剖結(jié)構(gòu)變化的影響。CBCT圖像可以更有效地反映患者體位和解剖結(jié)構(gòu)的變化，但由于嚴(yán)重的散射偽影的存在，CBCT圖像不能提供正確的HU值，不能直接用于劑量計(jì)算。若要將CBCT圖像應(yīng)用于整個(gè)療程中的實(shí)時(shí)劑量監(jiān)測(cè)，引導(dǎo)ART，需要對(duì)CBCT圖像進(jìn)行優(yōu)化與修正，使其滿足精確的器官勾畫和劑量計(jì)算要求[7-8]。張基永等[9]和Macfarlane等[10]提出采用模體的相對(duì)電子密度曲線刻度方法對(duì)宮頸癌的千伏級(jí)CBCT圖像進(jìn)行修正，修正后的CBCT圖像的劑量計(jì)算平均偏差在1%以內(nèi)，證實(shí)了CBCT用于引導(dǎo)ART的可能性。

本研究通過(guò)分段線性擬合方法得到CT和CBCT圖像的HU值與相對(duì)電子密度之間的映射關(guān)系，將CBCT圖像的HU值轉(zhuǎn)換為相對(duì)電子密度，再映射為相應(yīng)CT圖像的HU值，得到HCBCT圖像，并通過(guò)MAE、PSNR和SSIM量化評(píng)估HCBCT圖像的優(yōu)越性。結(jié)果顯示，與CBCT-CT圖像相比，HCBCT-CT圖像HU值的MAE、PSNR和SSIM分別提升了50.7%、7.4%和4.6%。

本研究采用的方法雖然可較好地修正CBCT圖像的HU值，但仍存在如下缺陷。(1)由于高密度組織附近容易產(chǎn)生偽影，其HU值相對(duì)于CT圖像的差異太大。(2)定復(fù)位和放射治療前，囑咐患者排空膀胱和直腸，并飲500 ml溫開(kāi)水，然后憋尿1 h再進(jìn)行CT和CBCT掃描，可有效減小靶區(qū)受膀胱、直腸充盈狀態(tài)不一致性的影響[11-12]；但僅采用剛性配準(zhǔn)算法將CT和CBCT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)以移植勾畫的靶區(qū)等結(jié)構(gòu)還不夠精準(zhǔn)，后續(xù)研究將引入Medical Image Merge(MIM)系統(tǒng)形變配準(zhǔn)算法[13-15]，進(jìn)一步提高CT和CBCT圖像的配準(zhǔn)精度。(3)本研究雖從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)體素量化了HU值的修正效果，但尚未進(jìn)行劑量計(jì)算，后續(xù)研究將完善高密度物質(zhì)區(qū)域的線性擬合方法，減少HU值修正的的差異，并進(jìn)行基于HCBCT圖像的劑量學(xué)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的修正效果。

綜上所述，基于模體的相對(duì)電子密度曲線刻度方法能有效修正CBCT圖像的HU值，提高CBCT圖像質(zhì)量，可以為CBCT圖像在ART中的應(yīng)用提供幫助。