不同掃描條件下CBCT影像質(zhì)量及其HU值長期穩(wěn)定性分析

【作者】鞏漢順，徐偉，徐壽平，解傳濱，楊濤，叢小虎，王小深，蔣中凱解放軍總醫(yī)院放射治療科，北京市，100853

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不同掃描條件下CBCT影像質(zhì)量及其HU值長期穩(wěn)定性分析

【作者】鞏漢順，徐偉，徐壽平，解傳濱，楊濤，叢小虎，王小深，蔣中凱
解放軍總醫(yī)院放射治療科，北京市，100853

【摘要】目的 分析研究不同掃描條件下CBCT影像質(zhì)量及其HU值長期穩(wěn)定性。方法 利用OBI系統(tǒng)對Catphan 504模體在不同臨床條件下進(jìn)行掃描，利用方差分析近一年影像數(shù)據(jù)的差異性。結(jié)果 不同條件下CBCT影像密度分辨力均滿足Varian驗(yàn)收要求；Full-fan掃描條件下空間分辨力（≥7 lp/cm）優(yōu)于Half-fan（≥5 lp/cm）；空間線性距離及角度顯示精度均很好（s＜±1%）；Air插棒 HU值比較均勻，其余密度插棒HU值隨掃描條件不同而存在顯著性差異（F=660.84, P=0）；一年內(nèi)不同掃描條件HU均值顯示較好的一致性。結(jié)論 不同掃描條件下CBCT影像HU值一致性存在一定差異，但具有較好的長期穩(wěn)定性，從而為CBCT影像直接用于自適應(yīng)放療中劑量計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

【關(guān) 鍵 詞】CBCT；圖像質(zhì)量；HU值；掃描條件

錐形束CT (CBCT)作為一種非常有效的圖像引導(dǎo)工具，其通過減少擺位誤差提高治療精度，進(jìn)而更好地保護(hù)周圍危及器官以及提高靶區(qū)劑量，同時因CBCT獲得了患者在治療過程中最能真實(shí)反映患者治療體位狀況及解剖結(jié)構(gòu)變化的影像從而為實(shí)施患者治療計(jì)劃的驗(yàn)證和實(shí)時再優(yōu)化提供基礎(chǔ)。CBCT有潛力成為一種非常有用的在線ART工具[1]，通過每天計(jì)劃的再優(yōu)化能對正常組織起到更好地保護(hù)作用[2]；而對于治療位置和劑量驗(yàn)證、治療計(jì)劃和計(jì)劃再調(diào)整而言，日常治療時所獲取CBCT影像的有效性很大程度上依賴于其圖像質(zhì)量及其CT (hounsfi eld units, HU)值的精度。但由于CBCT在物理結(jié)構(gòu)上采用大錐形線束及大面積非晶硅X線探測器進(jìn)行成像；其算法不同于目前常規(guī)螺旋CT且圖像采集時間遠(yuǎn)大于螺旋CT，進(jìn)而導(dǎo)致CBCT影像質(zhì)量劣于常規(guī)螺旋CT，同時固有的散射線造成其影像HU值存在較大變化，考慮到劑量計(jì)算算法中HU值與電子密度相關(guān)，進(jìn)而可能嚴(yán)重地影響劑量計(jì)算準(zhǔn)確性。為研究不同掃描條件下CBCT影像質(zhì)量及其CT值—電子密度曲線長期穩(wěn)定性，對本科室2012年引進(jìn)的Varian iX配置的OBI系統(tǒng)采集2014～2015年度近一年時間的CBCT影像進(jìn)行分析研究。

1　材料與方法

1.1OBI系統(tǒng)

On-Board Image(OBI)是Varian公司推出的一套錐形束影像系統(tǒng)，其在直線加速器兩側(cè)分別增加兩套精確機(jī)械臂，一側(cè)安裝kV級X線源，另一側(cè)安裝相對應(yīng)的非晶硅平板探測器，該系統(tǒng)具有kV級X線數(shù)字造影及錐形束成像功能[3]。

1.2Catphan 504模體

Catphan 504模體由CTP404、CTP528、CTP515、CTP486共4個分層模塊構(gòu)成，用來分析CT圖像HU值、對比度和分辨力等要素[4]。

1.2.1CTP404幾何結(jié)構(gòu)和曝光模塊

CTP404模塊用于測量空間線性距離及CT圖像HU值的線性。在水平和垂直方向嵌有兩條斜線及8個圓柱形插件，插件分別由以下7種材料組成：聚四氟乙烯樹脂（Teflon）、多聚甲基乙烯（PMP）、低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene，LDPE）、聚苯乙烯（Polystyrene，PS）、丙烯酸樹脂（Acrylic）、聚甲醛樹脂（Delrin）和空氣（Air）；同時模塊中包含有4個直徑為3 mm的圓（1個為聚四氟乙烯，另3個均為空氣），相鄰圓與圓之間距離為50 mm。

1.2.2CTP528高分辨力模塊

CTP528模塊嵌有21組放射狀分布分辨力標(biāo)尺，分辨力從1～21 lp/cm，用于測量CT圖像空間分辨力。1.2.3 CTP515低對比度模塊

CTP515模塊由內(nèi)外兩組低密度孔徑結(jié)構(gòu)組成：外圍有三組低對比度目標(biāo)物，對比度分別為1%、0.5%及0.3%，每組孔洞直徑分別為15 mm、9 mm、8 mm、7 mm、6 mm、5 mm、4 mm、3 mm及2 mm，外圍對比度目標(biāo)物主要用于常規(guī)大層厚掃描；內(nèi)部有三組目標(biāo)物，縱向長度分別為7 mm、5 mm及3 mm，對比度均為1%，每組直徑分別為9 mm、7 mm、5 mm及3 mm，內(nèi)部低對比度目標(biāo)物主要用于薄層螺旋掃描。

1.2.4CTP486均勻性檢測模塊

CTP468模塊由均勻水等效材料制成，標(biāo)準(zhǔn)掃描條件下其CT值與水的CT值一致，誤差在±2%之內(nèi)，用于CT值均勻性及噪聲測量。

1.3圖像掃描

利用OBI系統(tǒng)對Catphan 504模體在不同臨床掃描條件下：SDH(stand dose head)、LDH(low dose head)、HQH(high quality head)、PSL(pelvis spot light)、Pelvis、LDT(low dose throx)進(jìn)行掃描，分別采集2014～2015年度不同時間共7次掃描圖像數(shù)據(jù)。

1.4數(shù)據(jù)采集

將數(shù)據(jù)以DICOM格式傳輸至TomoCon PACS 3 （TatraMed, Bratislava, Slovak Republic）軟件系統(tǒng)，分別對不同掃描條件下CTP515、CTP528及CTP404模塊進(jìn)行分析；同時選取CTP404模塊中間掃描層面，分別讀取7次掃描圖像中不同密度插棒（Air、PMP、LDTE、Polystyrene、Acrylic、Delrin、Teflon）相同直徑圓面積內(nèi)HU均值及標(biāo)準(zhǔn)差，采用OriginPro 8.0選用各個密度插棒相對應(yīng)HU均值創(chuàng)建CT值—電子密度（HU-ED）曲線。

1.5統(tǒng)計(jì)方法

采用SPSS 17.0軟件對6種掃描條件下獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2　結(jié)果

2.1HU值線性

密度插棒Air的HU值比較均勻（s：0.46～7.95，M=1.62），其余密度插棒HU值隨掃描條件不同而存在顯著性差異（F=660.84, P=0），表1為CTP404模塊各密度插棒在不同掃描條件下的HU值。

L D H掃描條件下H U值差異性最大(40.92±5.05)；各密度插棒HU值的標(biāo)準(zhǔn)差則分別隨著掃描電壓、電流的增加而減小。

對于7個不同時期內(nèi)不同掃描條件下各密度插棒的選擇區(qū)域內(nèi)HU均值進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示出較好的一致性：SDH(F=0.008, P=0.993)；LDH(F=0.039, P=0.849)；HQH(F=0.042, P=0.844)；PSL(F=1.908, P=0.216)；Pelvis(F=0.009, P=0.926)；LDT(F=0.187, P=0.681)，如表2。

采用OriginPro 8.0選用各個密度插棒相對應(yīng)HU均值創(chuàng)建HU-ED曲線。圖1為不同掃描條件下建立的

表1　CTP404模塊各密度插棒不同掃描條件下CT值（±s）Tab.1 HU values of density plugs under different scanning conditions(±s)

表1　CTP404模塊各密度插棒不同掃描條件下CT值（±s）Tab.1 HU values of density plugs under different scanning conditions(±s)

Material ρ(g/cm3) CT #est 　SDH　LDH　HQH　PSL　Pelvis　LDT Air　0　-1000　-997.36±5.81　-998.32±1.88　-998.67±1.77　-999.05±1.47　-999.35±1.06　-998.88±1.57 PMP　0.83　-200　-201.65±33.68　-226.30±35.66　-220.85±15.81　-513.41±11.97　-194.70±9.99　-135.58±13.09 LDPE　0.92　-100　-106.86±34.55　-122.38±39.16　-116.18±17.67　-384.47±12.94　-101.06±9.19　-36.09±13.38 PS　1.05　-35　-45.12±38.24　-52.06±39.38　-48.18±16.96　-363.73±13.48　-42.69±10.11　27.81±12.88 Acrylic　1.18　120　127.23±35.65　136.49±42.84　137.58±18.84　-253.18±12.56　123.95±9.16　216.21±12.39 Delrin　1.41　340　350.73±33.16　417.24±41.93　418.84±24.29　-41.78±16.62　351.40±12.38　481.30±16.03 Tefl on　2.16　990　1 014.88±38.74 1 195.61±46.54 1 189.41±20.77 　683.51±14.07　1 017.72±10.06 1 208.18±15.20

HU-ED曲線，圖2為HU-ED曲線長期穩(wěn)定性。

表2　7個不同時期不同掃描條件下CTP404模塊各密度插棒HU均值方差分析結(jié)果Tab.2 The long-term stability of HU values under different scanning conditions at seven times

圖1　不同掃描條件下HU-ED曲線Fig. 1 HU-ED curves under different scanning conditions

圖2　不同掃描條件下HU-ED曲線長期穩(wěn)定性Fig. 2 The long-term stability of HU-ED curves under different scanning conditions

2.2空間線性距離

空間線性距離及角度顯示的測量結(jié)果準(zhǔn)確性均滿足要求（誤差均＜±1%），相鄰圓心之間距離均在49.65 mm～50.05 mm范圍內(nèi)；∠ABC及∠ADC測量結(jié)果：89.98°～90.04°，圖3為CTP404模塊。

2.3空間分辨力

Full-fan 掃描條件下(SDH、LDH、HQH及PSL)空間分辨力(≥7 lp/cm)均優(yōu)于Half-fan(pelvis及LDT)掃描條件(≥5 lp/cm)，其中HQH及PSL空間分辨力為9 lp/cm，SDH為8 lp/cm，如圖4。

圖3　CTP404模塊Fig. 3 CTP404 module

圖4　不同掃描條件下空間分辨力Fig. 4 Variation of spatial resolution under different scanning conditions

2.4低對比度分辨力

通過對CTP515模塊的檢測，應(yīng)用對比度為1%的外圍孔徑檢測低對比度分辨力，對頭部掃描要求能夠看到直徑為15 mm的圓，對體部掃描要求能夠分辨出直徑為7 mm的圓。通過對掃描結(jié)果分析，均滿足要求。

3　討論

CBCT影像廣泛用于治療時病人體位評估，治療時通過運(yùn)用圖像配準(zhǔn)技術(shù)，提高擺位精度，降低了位移不確定性[5]；同時可在三維方向定位腫瘤位置及評估解剖結(jié)構(gòu)變化，因此如有必要可通過計(jì)劃系統(tǒng)或影像系統(tǒng)所提供的軟件實(shí)現(xiàn)劑量的評估和驗(yàn)證，獲得治療計(jì)劃的再優(yōu)化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)放療。因此，放療設(shè)備的圖像質(zhì)量參數(shù)如空間分辨力、密度分辨力、信噪比、圖像均勻性及噪聲顯得十分重要。當(dāng)前CBCT影像系統(tǒng)由于圖像分辨力及探測器的敏感性而存在一定的局限性。同時，由于計(jì)算能力限制，所有當(dāng)前可用的CBCT影像設(shè)備都是采用FDK重建算法，此種算法只是簡單粗略估計(jì)線性完整性并沒有計(jì)算射線源與探測器之間射線穿越的原始距離[6]。因此CBCT影像質(zhì)量與常規(guī)螺旋CT存在一定差異[7]。盡管kVCBCT技術(shù)已廣泛應(yīng)用于臨床，但強(qiáng)化的散射偽影降低了圖像的質(zhì)量進(jìn)而影響診斷信息。目前，已廣泛開展了對于不同獲取方式的CBCT影像質(zhì)量的研究，探尋降低圖像質(zhì)量的影響因素，主要包括改變成像參數(shù)、設(shè)計(jì)合理準(zhǔn)直器、采用減少散射裝置及改進(jìn)重建算法等[8]。另外作為影像引導(dǎo)放療系統(tǒng)，其影像質(zhì)量的質(zhì)量保證（QA）已成為確保實(shí)現(xiàn)患者準(zhǔn)確的可視化和感興趣區(qū)的定位過程中不可缺少的組成部分。

CBCT影像與扇形束CT相比包含大量的散射，進(jìn)而導(dǎo)致其圖像HU值與診斷CT存在較大差異，這被認(rèn)為是當(dāng)前以平板探測器為基礎(chǔ)的CBCT影像質(zhì)量主要限制因素[9-10]，CBCT最大的散射貢獻(xiàn)來源于錐形線束較大的FOV，散射線將會較大地影響HU值變化、信噪比和空間均勻性[11]。Yang等研究了基于CBCT重建圖像的散射效應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)CBCT橫斷面圖像重建依賴于整個體積的散射[12]。本研究通過對CTP504模體在不同掃描條件下獲得的圖像進(jìn)行分析，不同密度插棒的HU值與標(biāo)準(zhǔn)HU值各存在一定差異，其中Air材料的差異最小；而對于PSL掃描條件其余各密度插棒HU值與標(biāo)準(zhǔn)HU值存在明顯差異。對于除Air以外各密度插棒相對應(yīng)CT值均勻性較差，LDH掃描條件下CT值均勻性最差（s: 35.66～46.54）。

空間分辨力表示物體內(nèi)微小細(xì)節(jié)在圖像上能被分辨的能力，是CT掃描影像質(zhì)量分析的重要指標(biāo)。由于在kV級能量下X線與物質(zhì)相互作用主要為光電效應(yīng)[13]，同時CBCT能夠快速進(jìn)行大體積掃描，因此kV-CBCT影像在三維方向具有較好的空間分辨力；但由于成像參數(shù)不同，CBCT空間分辨力存在一定差異；管電壓、準(zhǔn)直器型號、重建精度及機(jī)架旋轉(zhuǎn)范圍對其影響較大，而管電流對其影響較小[11]。本研究中HQH及PSL掃描條件下空間分辨力達(dá)到9 lp/ cm，SDH掃描條件為8 lp/cm，Pelvis為6 lp/cm，同時受掃描條件影響LDT掃描條件下空間分辨力為5 lp/ cm，但均滿足掃描要求（頭部掃描標(biāo)準(zhǔn)要求≥6 lp/ cm，體部掃描標(biāo)準(zhǔn)要求≥4 lp/cm[14]）。而對于密度分辨力其要求存在不同標(biāo)準(zhǔn)，Varian驗(yàn)收報告只要求Pelvis掃描方式滿足要求（對比度為1%組直徑為15 mm的圓清晰可見），對于SDH掃描方式由于掃描劑量較低而不做要求。

通過對近一年時間的CBCT影像進(jìn)行分析研究，各密度物質(zhì)HU值具有較好一致性，創(chuàng)建HU-ED曲線長期穩(wěn)定性較好。CBCT由于其有效的影像引導(dǎo)及在不久的將來用于劑量引導(dǎo)的潛在優(yōu)勢能夠有效解釋由于解剖結(jié)構(gòu)變化而引起的劑量變化，而且隨著HU一致性的提高，采用標(biāo)準(zhǔn)電子密度模體創(chuàng)建CBCT影像自身的HU-ED校準(zhǔn)曲線，可直接利用CBCT影像制定治療計(jì)劃實(shí)施劑量計(jì)算[15-16]，因此HU-ED曲線穩(wěn)定性對于引導(dǎo)影像直接用于劑量計(jì)算具有決定性意義[17]。Richter等[18]研究顯示錐形束的幾何形狀及其相關(guān)的散射導(dǎo)致CBCT影像HU值的變化，最終影響劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性（在劑量計(jì)算法則中利用的電子密度與HU值是相關(guān)的）。

總之，盡管不同掃描條件下CBCT影像HU值一致性存在一定差異，但CBCT影像HU值長期穩(wěn)定性的分析結(jié)果顯示出較好的一致性，創(chuàng)建HU-ED曲線差異性較小，為CBCT影像直接用于自適應(yīng)放療中劑量計(jì)算奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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Evaluation of Cone Beam CT Image Quality and Analysis of Its Long-term Stability on HU Values under Different Conditions

【W(wǎng)riters】GONG Hanshun, XU Wei, XU Shouping, XIE Chuanbin, YANG Tao, CONG Xiaohu, WANG Xiaoshen, JIANG Zhongkai
Department of Radiotherapy, PLA General Hospital, Beijing, 100853

【Abstract】Objective To evaluate the cone beam CT (CBCT) image quality and its long-term stability for HUs under different scanning conditions. Methods With the OBI system, Catphan 504 phantom using the different modes was scanned through one year. Analysis of variance (ANOVA) was used to evaluate the CBCT images. Results The results of contrast resolution under different scanning conditions met the requirements of acceptance test procedure. Spatial contrast resolution(≥5 lp/cm) of half-fan scanning conditions were inferior to those (≥7 lp/cm) of full-fan mode. The accuracies of spatial linear distance and angle were within ±1%. HUs in air density plug were constant, but HUs of other plugs with different conditions had the signifi cant difference (F=660.84, P=0). Under different conditions in a year, the mean HUs showed a good agreement. Conclusions HUs of CBCT image under different scanning conditions exist a little difference, but there is a good consistency for the long term stability analysis. It is helpful for CBCT images directly used for dose re-calculation in adaptive radiation therapy (ART).

【Key words】cone-beam CT(CBCT), image quality, HU, scanning condition

【中圖分類號】R812

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2016.02.003

文章編號：1671-7104(2016)02-0086-04

收稿日期：2015-12-04

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（61171005）

作者簡介：鞏漢順，E-mail: gonghanshun123@163.com

通信作者：徐壽平，E-mail: shouping_xu@yahoo.com