對比度受限自適應直方圖均衡算法在鼻咽癌放療擺位中的應用

俞海東　蔣振東　馬天斌

[摘要]目的探討對比度受限自適應直方圖均衡算法在鼻咽癌放療擺位中的應用。方法利用單曝光定位照相技術，應用對比度受限自適應直方圖均衡算法對射野圖像進行增強，把增強后的圖像與計劃系統(tǒng)中的DRR圖像進行比較。結(jié)果對比度受限自適應直方圖均衡算法可以有效地提高射野圖像的分辨率和對比度，可以清楚地分辨出主要的骨性標志。在擺位質(zhì)量控制中可以檢驗出射野圖像與DRR圖像的射野中心的位移變化。結(jié)論單曝光定位照相技術結(jié)合對比度受限自適應直方圖均衡算法可以減少鼻咽癌放療擺位誤差，確保放射治療計劃準確的實施。

[關鍵詞]單曝光；定位照相；對比度受限自適應直方圖均衡算法；圖像配準

[中圖分類號]R739.6 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-0616（2017）04-07-05

鼻咽癌是我國常見的惡性腫瘤之一，由于鼻咽位于頭顱中央，與顱底緊密相連，周圍有許多重要的組織器官。手術切除困難，放射治療是最主要的治療手段。現(xiàn)代放射治療已經(jīng)進入到了精確定位、精確設計、精確治療的時代。其中放療擺位誤差的質(zhì)量控制是保證精確治療的前提。按照美國醫(yī)學物理學協(xié)會（AAPM）的定義，射野照相（portalradiography）有定位照相（localization radiography）、驗證照相（vefification radiography）和雙曝光照相（double radiography）三種類型。由于醫(yī)用直線加速器產(chǎn)生的能量在4～25Mv之間，而這個能量段的X射線與物質(zhì)相互作用，以康普頓效應為主要的能量吸收方式，組織對能量的吸收差別幾乎消失，所以射野照相技術所拍攝的射野片分辨率低，圖像質(zhì)量差。本研究采用單次曝光定位照相方法，用IP板采集射野圖像，使用計算機X線攝影（computed radiography，CR）對IP板進行圖像掃描，應用對比度受限自適應直方圖均衡（contrast limited adaptive histogram equalization，CLAHE）算法對射野圖像進行增強。通過增強提高射野圖像的分辨率和對比度，使它與計劃系統(tǒng)的DRR圖像進行配準時，可以更準確得出鼻咽癌患者的擺位誤差。

1材料與方法

1.1設備

本研究所用設備：瑞典醫(yī)科達公司直線加速器（Precise）；美國艾賽克（iCRco）3600LH型CR放射成像系統(tǒng)；兩塊14英寸的IP板；可調(diào)節(jié)的驗證片盒架；自制十字線影子板（兩鉛點在等中心的距離為4CM）；RT solution軟件；Image J編程軟件。

1.2對比度受限自適應直方圖均衡算法的流程

對比度受限自適應直方圖均衡算法通過限制局部直方圖的高度來限制局部對比度的增強幅度，從而限制噪聲的放大及局部對比度的過增強。它是對直方圖均衡算法的改進，它能夠提供清晰的邊緣信息，也可能因為增強圖像噪點而降低圖像質(zhì)量，但對圖像質(zhì)量的影響可以通過參數(shù)調(diào)節(jié)來改善。

1.3射野片采集步驟

（1）患者采用仰臥位平躺在碳纖維板上，雙手自然放置在身體兩側(cè)，頭枕于專屬頭墊上，用熱塑膜進行體位固定，按放射治療計劃對其進行擺位。（2）在機架上插上帶有自制十字線影子板的鉛擋塊托架，把機架分別位于0°位置上。使機器十字線與自制影子板的十字線重合。（3）移動片盒架使源片距為140cm，調(diào)節(jié)驗證片盒架使機器十字線中心處于IP板的中心，使用水平尺調(diào)節(jié)水平，確保射線束垂直于IP板。（4）調(diào)節(jié)射野大小為40cm×40cm，使患者頭部暴露在光野下，便于患者頭部在射線束照射下全部成像于IP板上，機器跳數(shù)為1MU。待確認無誤后進行照射。（5）照射完成后，再把機架置于90°，在片盒架上換上另一塊IP板。調(diào)節(jié)片盒的方向，使機器十字線中心處于IP板的中心，使用水平尺調(diào)節(jié)確保射線束垂直于IP板。（6）調(diào)節(jié)射野大小為40cm×40cm，使患者頭部暴露在光野下，機器跳數(shù)為1MU。待確認無誤后進行照射。

1.4圖像獲取與處理

艾賽克3600LH型CR放射成像系統(tǒng)對兩塊IP板的射野圖像進行采集，采集到的射野圖像以DICOM格式進行保存。把編程好的對比度受限自適應直方圖均衡算法載人到Image J軟件中。設置增強參數(shù)：區(qū)域大小（block size）為256、直方圖灰度級（histogram bins）為256、斜率（maximum slope）為3。分別對兩幅射野圖像進行增強運算。圖像經(jīng)過增強后分辨率和對比度得到明顯提高，而且患者輪廓邊緣和骨性標志都非常容易分辨。增強后圖像以JPG圖像格式保存。增強后圖像和直方圖見圖3～10。計劃系統(tǒng)中帶坐標尺的DRR圖像經(jīng)過截屏方式以JPG圖像格式保存，見圖11～12。

1.5圖像配準

在RT solution軟件中分別導入計劃系統(tǒng)中帶坐標尺的DRR圖像和增強后的射野圖像。分別對兩幅圖像進行中心點和實際距離的刻度。射野圖像以自制十字線鉛點為基準。鉛點中心為射野中心、鉛點距離以等中心為4cm為基準（放大比率為1：1.4）進行刻度。DRR圖以十字坐標線為基準。坐標中心為計劃中心、坐標尺刻度以實際距離進行刻度。見圖12～15。

刻度完成后，采用RTsolution軟件圖片比較功能，通過手動配準使兩幅圖像的重要骨性標志重合。0°射野配準以眼眶、顱骨、下頜骨、鼻腔、鼻中隔等骨性標志為準。配準后可以在軟件的右上方得出x軸（左右方向）、Y軸（頭腳方向）的擺位誤差。90°射野配準以額竇、下頜骨、顱骨、顱底等骨性標志為準。配準后可以在軟件的右上方得出Y軸（頭腳方向）、z軸（前后方向）的擺位誤差。見圖16。

2結(jié)果

采用單次曝光照相技術結(jié)合對比度受限自適應直方圖均衡算法在鼻咽癌放療擺位應用中，可以使患者在接受較少額外輻射劑量的條件下，精確的得出患者的擺位誤差，確保放射治療計劃準確的實施，為鼻咽癌精準放療提供了重要的質(zhì)量保障。

3討論

隨著放療技術的飛速發(fā)展，三維調(diào)強放射治療技術（intensity modulated radiation therapy，IMRT）已經(jīng)成為鼻咽癌放療的主流技術。由于調(diào)強放射治療技術的劑量梯度變化大，這就要求高劑量區(qū)集中在靶區(qū)附近，對擺位精度和驗證的要求非常高。

進入21世紀后，實時射野影像系統(tǒng)的日益完善和機載影像系統(tǒng)等治療室內(nèi)新的影像模式的商品化，目前主流的擺位誤差質(zhì)量控制技術有電子射野影像系統(tǒng)（electronic portal imaging device，EPID）和圖像引導放療（image guided radimion therapy，IGRT）等。這些都是通過新型加速器的機載設備實現(xiàn)的，而且這些新型直線加速器價格比較昂貴、維修保養(yǎng)費用大。沒有這些設備的醫(yī)院大多還是采用慢感光膠片進行擺位誤差的質(zhì)量控制。有些文獻通過采用慢感光膠片或IP板對患者進行雙曝光獲得成像質(zhì)量較好的射野驗證片。也有采用IP板進行單曝光拍攝放療位置射野驗證片。

本研究采用IP板取代傳統(tǒng)的慢感光膠片采集射野圖像，IP成像板成像層在受到X線照射時將x線光子的能量以潛影的形式儲存下來，在經(jīng)激光掃描時產(chǎn)生與吸收的X線能量相應強弱的熒光，繼而被讀取再經(jīng)過系列的轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號，該信號饋人計算機系統(tǒng)重建成高質(zhì)量的數(shù)字圖像，然后IP經(jīng)強光照射，消除潛影，繼續(xù)使用。IP板與慢感光膠片相比，在攝片時若曝光時稍有過頭和不足還能在工作站上后期處理，任能得到一張令人滿意的X線片，無需避光采集的影像也不受外界條件的影響如：洗片條件、膠片掃描條件等，可以重復使用降低成本、圖像便于儲存和傳輸、質(zhì)量動態(tài)范圍比較大，以DICOM格式保存，從而為射野圖像進行后期增強和配準提供可能。圖像配準過程中，圖像的清晰度是其中最重要的基礎。通過對比度受限自適應直方圖均衡增強后的圖像分辨率和對比度得到明顯的提高，可以非常容易的分辨出主要的骨性標志、空腔、鉛點、外輪廓等。使其在手動配準時，不會因為邊界模糊不清，而造成更大的人為誤差。在專業(yè)的計算機圖像配準軟件的輔助下，采用對比度受限自適應直方圖均衡算法增強Mv級射野圖像也可以準確的得出鼻咽癌患者的擺位誤差。

但這種定位照相的方法也有一定的極限性，因為采用0°、90°的正交拍片屬于二維拍片，所以在患者頭部旋轉(zhuǎn)角度方面不能很好的體現(xiàn)。而且如果每次放療前進行在線校準擺位誤差的話，會造成患者擺位時間過長，舒適性下降，影響治療。所以只能進行離線分析擺位誤差原因，為下次擺位提供依據(jù)。