形態學處理在腫瘤體積測量中的可行性分析

陳仰純 陳 萍

廣州醫學院第一附屬醫院PET－CT中心，廣東省廣州市 510230

三維適形腫瘤放射治療是建立在CT影像的基礎上。臨床醫生根據CT圖像逐層勾畫腫瘤的邊界，費時費力，而且同一病灶不同醫生指定的靶區范圍存在較 大 的 差 異［1，2］。 計 算 機 輔 助 診 斷［3］協 助 醫生確定腫瘤靶區是克服這個問題的有效方法。衡量一種計算機輔助診斷方法的準確性與誤差，經常是以腫瘤的手術標本作為標準。不過，由于手術標本存在經福爾馬林固定后彈性回縮的問題，病理檢查時標本的空間位置與在體的位置往往不一致［4］，以手術標本作為判斷計算機輔助診斷方法的標準存在一定的局限性。模型實驗能夠克服手術標本的不足，是探討某種算法準確性與誤差的有效方法。本研究擬根據模型CT圖像，應用形態學運算方法求模型的容積并與模型的真實容積比較，探討該算法協助醫生確定腫瘤靶區的可行性與參數選擇。

1 材料與方法

1.1 儀器與裝置條件 PET/CT儀，CT部分是8排螺旋CT（Discovery ST，GE company，USA）。分析天平（CP224S，Sartorius AG，Germany），最大量程220g，精度0.1mg。自制三維滑臺1臺。圓柱形水桶1個，容積6 750ml，內高186mm，內徑216mm，壁厚3.2mm。

1.2 腫瘤模型 自制空心腫瘤模型7個，1號模型是球體，設計內徑50.0mm；2號及3號模型是心臟體，設計內徑參數a［5］分別是6.0mm、13.0mm；4號模型是橢球體，設計內徑11.0mm×21.0mm×31.0mm；5號模型是聯球體，設計內徑分別是10.0mm×12.0mm×15.0mm、15.0mm×20.0mm×30.0mm；6號及7號模型是空洞體：6號是由內徑34.4mm的球體內嵌入外徑是16.1mm的空心球，7號是由內徑26.0mm×33.5mm×46.0mm的橢球內嵌入外徑是12.0mm×15.0mm×20.0mm的空心橢球體。

1.3 測量模型容積 在常溫下，用天平先測量某個模型的質量，質量歸零后，再測量注滿水后（模型＋水）的質量，即認為是該模型的容積。

1.4 灌制“腫瘤”模型 取20%甘露醇溶液250ml加水至300ml，混勻，依次灌滿上述7個模型。用絲桿把這些模型固定在裝滿水的水桶底部。再把水桶固定在三維滑臺上，水桶軸向與CT儀的Z軸方向平行，令滑臺處于靜止狀態。

1.5 CT掃描的條件 球管管電壓140kV，管電流150mA，球管轉速0.8s/周，螺距0.875，標準算法重建CT圖像，圖像視野50cm，矩陣512×512，像素寬0.98mm，層厚3.75mm。

1.6 CT值及模型壁厚度測量 在Matlab 2007b（Mathworks Ins.USA）環境［6］里，讀取某體素值，減1 024的差即得到該體素的CT值。隨機選擇某一層CT圖像，用一個矩形感興趣區（包括400個體素）選取某局部水的CT圖像，求水的CT值，用同樣的方法測量空氣的CT值。選擇1號模型最大截面的CT圖像，用一個矩形感興趣區（包括400個體素）選取某局部模型溶液的CT圖像（避開模型壁），求模型溶液的CT值。為了避免部分容積效應，測量腫瘤模型壁CT值時僅取壁所在區域中體素值最高的，沿著壁走向方向連續讀取20個體素值，其平均值就為壁的CT值。用雙3次內插值法［7］，把體素寬度調整為原來的1/2，選取模型最大截面，在該層面測量模型壁厚度［圖像窗位50亨氏單位（Hounsfield units，HU），窗寬100HU］。

1.7 形態學處理求模型容積 設空氣/水，水/模型壁，空氣/模型壁界面的CT值閾值分別是－20HU，16HU，－900HU。根據模型壁厚度自適應選擇形態學腐蝕運算的球形結構單元半徑，并記錄軟件C測量模型容積結果。

1.8 統計分析 結果用均值±標準差表示。計算每個模型容積測量值的相對誤差，即該測量值與真實值的差除以真實值［8］。容積測量值與真實值的顯著性檢驗用配對t檢驗，P值＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 模型特征與水、溶液CT值 天平測得1～7號模型容積1.93～64.75ml；CT測量模型壁厚度介于0.6～3.5mm 之間，壁 CT 值（58.1±5.2）～（116.8±4.7）HU（見表1）。模型內16.6%甘露醇溶液CT值（47.8±4.6）HU，水桶內水 CT 值為（－2.6±4.2）HU，空氣CT值（－1 002.4±2.4）HU。

2.2 模型容積測量值與相對誤差 軟件C測量1～7號模型容積，結果2.15～68.40ml，相對誤差（－2.0±9.0）%，范圍（－16.4～11.4）%，見表1。模型容積測量值與真實值行配對t檢驗，t＝0.097，P＝0.926＞0.05，提示兩者無統計學差異。

3 討論

醫學數字圖像自動處理經常應用CT值閾值法、梯度法以及形態學運算對病灶或感興趣組織器官進行分割［6，7，9］，手 動 處 理 時 需 要 根 據 不 同 的 組 織界面選擇不同的窗寬窗位顯示圖像［2，10］，得到它們的邊界，進而求得它們的體積。由于部分容積效應［9，11］，在CT圖像上病灶或感興趣組織器官的邊界模糊化，加上圖像噪聲，使得單獨用閾值法和梯度法求模型CT圖像容積存在一定的誤差。筆者設計的形態學處理軟件C，綜合應用CT值閾值法與腐蝕運算，求模型CT容積；并用模型實測容積作為評價標準。

根據常溫下水的密度是1g/ml，本研究通過測量注滿水前后的模型的質量差，即得模型容積，這種測量方法是恰當的，精度達到0.1μL。

軟件C的測量精度明顯受到CT圖像空間分辨率的限制［12，13］。本實驗中7個腫瘤模型制作時各內徑的精度是亞毫米級的，而實驗中CT圖像在橫斷面上的空間分辨率是1個像素寬（0.98mm），在軸向上的是3.75mm，比加工制作時降低了1個數量級。由此，即使是形態學運算測得最接近腫瘤模型容積的結果波動比較大，相對誤差介于－16.4%～11.4%，平均值（－2.0±9.0）%，仍優于Prionas等的結果［8］，精度低于 Kuhnigk 等［9］和孫 海寧等［13］的結果。通過內插值的方法［6］，把圖像的分辨率提高到亞像素水平，將有助于形態學運算的測量精度與準確性。

自行設計的軟件C聯合CT值閾值法和腐蝕運算的形態學處理方法，并根據模型壁的厚度自適應選擇適當的參數，能夠實現半自動化測量模型容積，并可以達到一定的精度。隨著CT圖像空間分辨率的提高，該方法測量的精度和準確性也將進一步提高。

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