錐形束CT掃描角度及中心位置對模體靶區的影響

林 濤，高留剛，眭建鋒，謝 凱，李春迎，陸正大，倪昕曄*

(1.南京醫科大學附屬常州第二人民醫院放療科，江蘇 常州 213003；2.南京醫科大學醫學物理研究中心，江蘇 常州 213003；3.常州市醫學物理重點實驗室，江蘇 常州 213003)

圖像引導放射治療(image-guided radiation therapy, IGRT)中，可采用電子射野影像裝置(electronic portal imaging device, EPID)、千伏級或兆伏級機載錐形束CT(cone beam computer tomography, CBCT)、B超及MR等獲取圖像。加速器機載CBCT是IGRT獲取圖像的常用方式。CBCT圖像可與定位CT圖像融合，驗證靶區精度和治療擺位的準確性，常用于引導介入治療各部位腫瘤[1-3]，通過CBCT圖像確定擺位及治療計劃是否需要調整，故CBCT圖像質量及所示靶區體積和形狀的準確性非常重要。CBCT圖像質量主要與掃描參數管電壓、管電流、圖像采集幀數、采集速度和準直器、濾線器等裝置及掃描方式等有關[4-6]。本研究觀察CBCT掃描角度及中心位置變化對模體中植入物體積、形狀及CT值的影響。

1 材料與方法

1.1 一般材料 美國CIRS公司非均勻模體和002H9K調強均勻模體，瑞典醫科達公司Infinity直線加速器X線容積影像(X-ray volume imaging, XVI)系統和Monaco計劃系統(版本Monaco 5.1)。

1.2 儀器與方法 將002H9K調強均勻模體的插件插入非均勻模體(圖1)，模擬肺組織腫瘤。以Infinity直線加速器XVI系統掃描模體，以插棒中心為掃描中心，管電壓120 kV，轉速180 deg/min，準直器L20，濾線器F1，采集幀數660，機架旋轉360°。掃描結束后重建圖像，層厚5 mm，并回傳至Monaco計劃系統。分別在X(左-右，L-R)、Y(前-后，A-P)、Z(上-下，S-I)方向上將掃描中心向L、A、S方向移動2.5、5.0、7.5和10.0 cm進行掃描，并重建為層厚5 mm圖像，回傳至Monaco計劃系統，共得到13組掃描中心不同的CBCT圖像。每組重復掃描3次，取平均值進行統計分析。

采用上述掃描條件，機架沿順時針方向和逆時針方向間隔20°以180°～360°進行掃描，之后重建圖像，層厚5 mm，并回傳至Monaco計劃系統，得到20組不同掃描角度CBCT圖像。

1.3 植入物勾畫與體積比較 于Monaco計劃系統各組CBCT圖像上勾畫植入物ROI，窗寬、窗位一致，起始處距定位點層面距離一致，采用邊緣探測功能，探測敏感度為100%，勾畫6層，獲得其體積及CT值的平均值。

1.4 統計學分析 采用SPSS 19.0統計分析軟件。計量資料以±s表示，以單因數方差分析進行比較，組間兩兩比較采用LSD(方差齊性時)或Tamhane(方差不齊時)方法。P<0.05為差異有統計學意義。

圖1 插入調強均勻模體的非均勻模體示意圖

2 結果

2.1 不同掃描中心圖像中植入物體積及CT值X方向上，隨掃描中心偏移距離增加，植入物體積增大，組間兩兩比較差異均有統計學意義(P均<0.05)。Y方向上，隨掃描中心偏移距離增大，植入物體積減小，組間兩兩比較差異均有統計學意義(P均<0.05)。Z方向上，掃描中心偏移距離不同，植入物體積差異有統計學意義(P<0.01)；兩兩比較，偏移7.5 cm與偏移10.0 cm差異無統計學意義(P>0.05),其余兩兩比較差異均有統計學意義(P均<0.05)。見表1。

掃描中心在不同方向偏移不同距離后，植入物CT值總體差異均有統計學意義(P均<0.01)，見表2。

表3 機架順時針旋轉不同掃描角度圖像植入物體積及CT值比較(±s)

表3 機架順時針旋轉不同掃描角度圖像植入物體積及CT值比較(±s)

機架旋轉角度體積(cm3)順時針逆時針CT值(HU)順時針逆時針180°14.15±0.0413.95±0.03-258.67±1.53-381.33±2.52200°14.14±0.0313.87±0.02-186.67±3.06-286.67±1.53220°14.11±0.1213.79±0.05-221.67±3.51-306.67±3.51240°14.01±0.0313.78±0.02-237.67±4.51-317.33±2.52260°13.95±0.0113.75±0.01-253.67±2.52-334.33±1.52280°13.85±0.0513.70±0.05-272.67±5.51-348.33±5.51300°13.73±0.0413.63±0.03-289.67±3.51-350.33±2.52320°13.66±0.0213.58±0.01-299.67±3.06-346.67±4.51340°13.58±0.0913.54±0.02-305.67±7.51-341.33±6.51360°14.16±0.0214.18±0.0268.33±2.5268.67±3.51F值48.03158.652 180.873 600.89P值<0.01<0.01<0.01<0.01

兩兩比較，X方向上，不同偏移距離圖像CT值差異均有統計學意義(P均<0.05)；Y方向上，未偏移與偏移10.0 cm圖像CT值差異無統計學意義(P>0.05)，其余各圖像CT值差異均有統計學意義(P均<0.05)；Z方向上，移動2.5 cm與移動10.0 cm圖像CT值差異無統計學意義(P>0.05)，其余各圖像CT值差異均有統計學意義(P均<0.05)。

表1 掃描中心偏移不同距離后CBCT圖像植入物體積比較(cm3，±s)

表1 掃描中心偏移不同距離后CBCT圖像植入物體積比較(cm3，±s)

移動距離(cm)體積X方向Y方向Z方向011.46±0.0111.46±0.0111.46±0.012.511.48±0.0211.32±0.0111.50±0.025.011.87±0.0111.23±0.0111.87±0.027.512.12±0.0111.20±0.0112.12±0.0310.012.20±0.0511.11±0.0612.13±0.02F值3 583.85523.062 919.88P值<0.01<0.01<0.01

表2 掃描中心偏移不同距離后CBCT圖像CT值比較(HU，±s)

表2 掃描中心偏移不同距離后CBCT圖像CT值比較(HU，±s)

移動距離(cm)體積X方向Y方向Z方向047.33±2.5247.33±2.5247.33±2.522.54.33±2.3115.33±1.53-22.67±0.585.0-5.33±2.52-2.33±2.52-14.67±3.227.5-13.67±1.539.33±3.51-19.33±3.5110.0-26.33±4.5147.67±4.04-26.33±3.22F值291.38179.21357.56P值<0.01<0.01<0.01

2.2 不同掃描角度圖像植入物體積及CT值 機架順時針或逆時針旋轉時，掃描角度<360°CBCT圖像中植入物形狀均發生形變(圖2)，不同角度圖像植入物體積總體差異均有統計學意義(P均<0.01)，見表3。兩兩比較，機架順時針旋轉180°、200°、220°及360°間、240°與260°間、300°與320°間圖像植入物體積差異無統計學意義(P均>0.05)；逆時針旋轉220°、240°、260°間植入物體積差異無統計學意義(P均>0.05)；其他各圖像體積差異均有統計學意義(P均<0.05)。

機架順時針或逆時針旋轉不同角度圖像植入物CT值總體差異均有統計學意義(P均<0.01)，見表3。360°掃描時，順時針和逆時針掃描CBCT圖像中植入物平均CT值分別為68.33 HU和68.67 HU，掃描角度<360°的CBCT圖像中植入物CT值均降為負值。兩兩比較，順時針旋轉180°圖像中植入物CT值與260°差異無統計學意義(P>0.05)，逆時針旋轉280°、300°及320°間圖像中植入物CT值差異均無統計學意義(P均>0.05)，其余各圖像中植入物CT值差異均有統計學意義(P均<0.05)。

3 討論

臨床常于放射治療前以機載CBCT采集一組CBCT圖像，與常規定位CT圖像進行配準，以評估擺位精確性。CBCT圖像質量影響配準精度，進而影響擺位準確性。

本研究中，機架旋轉<360°時，模體CBCT圖像中植入物CT值均小于360°圖像；相比360°圖像，其余掃描角度CBCT圖像中植入物體積均有所變化，原因在于掃描信息缺失，導致FDK算法將更多模擬肺組織的低密度區域重建為ROI，使CT值陡降為負值。無論順時針還是逆時針旋轉，掃描角度不同，則探測器接收射線范圍不同。機載CBCT的千伏級成像軸與加速器兆伏級治療束的成像軸呈正相交，CBCT掃描起始角度為機架180°，CBCT探測器位于90°，順時針掃描時，探測器從90°位置順時針旋轉，逆時針則自90°逆時針旋轉，X射線穿過的物體不同，故掃描角度相同而掃描方向不同時，ROI體積和CT值不同。

本研究結果顯示，掃描角度<360°時，重建CBCT橫斷位圖像中植入物形狀均產生形變。CBCT掃描獲得二維圖像信息，經FDK算法重建得到三維圖像信息，圖像數量越多，用于重建的信息量越大，圖像質量越好，其橫斷位圖像重建依賴于整個FOV范圍內物體體積的散射[7]，機架旋轉角度決定掃描圖像數量，掃描角度<360°時，部分信息缺失，FDK算法雖可重建圖像，但三維圖像形狀產生變化。

圖2 機架順時針旋轉CBCT圖像 A～J.分別為順時針旋轉180°、200°、220°、240°、260°、280°、300°、320°、340°及360°圖像

本研究發現掃描中心位置不同，圖像中植入物體積及CT值各異，這是由于掃描中心與探測器的距離不同，則產生的散射線不同。斷層圖像中物體密度與其在FOV內所處位置有關，ROI偏離FOV中心距離不同，CT值及體積發亦不相同[8]。蔣曉芹等[9]認為組織在CBCT圖像中與掃描中心的空間位置關系影響其CT值。如兩個靶區分散于不同位置，CBCT掃描中心可能位于遠離兩個靶區的體積中心，造成掃描中心與靶區中心不一致，即靶區不在FOV中心，所獲CBCT圖像中靶區形狀及體積可能與常規定位CT圖像不一致，影響配準精度。使掃描物體處于FOV中心可獲得質量更佳的圖像[10-11]。

CBCT圖像可用于引導治療，也可用于劑量引導，基于CBCT計算劑量可評估靶區和解剖結構變化所致劑量變化，從而確定是否需再次定位和修改治療計劃。頭頸部CBCT圖像CT值的一致性較好，可直接以之建立CT值-電子密度曲線，進行劑量計算[12]；其他部位存在空腔臟器等非均勻密度組織，如不對CBCT圖像進行校正而直接計算劑量，可能產生>10%的劑量誤差[13]，以校正后CBCT圖像計算劑量可將誤差降至2%以下[14-15]。

綜上所述，CBCT掃描時機架旋轉角度及掃描中心與靶區的相對關系對模體靶體積及CT值存在一定的影響。機架旋轉360°并以計劃中心為靶區中心進行掃描為最佳選擇。