形態(tài)學(xué)處理在腫瘤體積測(cè)量中的可行性分析

陳仰純 陳 萍

廣州醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)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(chǔ)上。臨床醫(yī)生根據(jù)CT圖像逐層勾畫(huà)腫瘤的邊界，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且同一病灶不同醫(yī)生指定的靶區(qū)范圍存在較 大 的 差 異［1，2］。 計(jì) 算 機(jī) 輔 助 診 斷［3］協(xié) 助 醫(yī)生確定腫瘤靶區(qū)是克服這個(gè)問(wèn)題的有效方法。衡量一種計(jì)算機(jī)輔助診斷方法的準(zhǔn)確性與誤差，經(jīng)常是以腫瘤的手術(shù)標(biāo)本作為標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)，由于手術(shù)標(biāo)本存在經(jīng)福爾馬林固定后彈性回縮的問(wèn)題，病理檢查時(shí)標(biāo)本的空間位置與在體的位置往往不一致［4］，以手術(shù)標(biāo)本作為判斷計(jì)算機(jī)輔助診斷方法的標(biāo)準(zhǔn)存在一定的局限性。模型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩朔中g(shù)標(biāo)本的不足，是探討某種算法準(zhǔn)確性與誤差的有效方法。本研究擬根據(jù)模型CT圖像，應(yīng)用形態(tài)學(xué)運(yùn)算方法求模型的容積并與模型的真實(shí)容積比較，探討該算法協(xié)助醫(yī)生確定腫瘤靶區(qū)的可行性與參數(shù)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(tái)1臺(tái)。圓柱形水桶1個(gè)，容積6 750ml，內(nèi)高186mm，內(nèi)徑216mm，壁厚3.2mm。

1.2 腫瘤模型 自制空心腫瘤模型7個(gè)，1號(hào)模型是球體，設(shè)計(jì)內(nèi)徑50.0mm；2號(hào)及3號(hào)模型是心臟體，設(shè)計(jì)內(nèi)徑參數(shù)a［5］分別是6.0mm、13.0mm；4號(hào)模型是橢球體，設(shè)計(jì)內(nèi)徑11.0mm×21.0mm×31.0mm；5號(hào)模型是聯(lián)球體，設(shè)計(jì)內(nèi)徑分別是10.0mm×12.0mm×15.0mm、15.0mm×20.0mm×30.0mm；6號(hào)及7號(hào)模型是空洞體：6號(hào)是由內(nèi)徑34.4mm的球體內(nèi)嵌入外徑是16.1mm的空心球，7號(hào)是由內(nèi)徑26.0mm×33.5mm×46.0mm的橢球內(nèi)嵌入外徑是12.0mm×15.0mm×20.0mm的空心橢球體。

1.3 測(cè)量模型容積 在常溫下，用天平先測(cè)量某個(gè)模型的質(zhì)量，質(zhì)量歸零后，再測(cè)量注滿水后（模型＋水）的質(zhì)量，即認(rèn)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(gè)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(tái)上，水桶軸向與CT儀的Z軸方向平行，令滑臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)。

1.5 CT掃描的條件 球管管電壓140kV，管電流150mA，球管轉(zhuǎn)速0.8s/周，螺距0.875，標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量 在Matlab 2007b（Mathworks Ins.USA）環(huán)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(jī)選擇某一層CT圖像，用一個(gè)矩形感興趣區(qū)（包括400個(gè)體素）選取某局部水的CT圖像，求水的CT值，用同樣的方法測(cè)量空氣的CT值。選擇1號(hào)模型最大截面的CT圖像，用一個(gè)矩形感興趣區(qū)（包括400個(gè)體素）選取某局部模型溶液的CT圖像（避開(kāi)模型壁），求模型溶液的CT值。為了避免部分容積效應(yīng)，測(cè)量腫瘤模型壁CT值時(shí)僅取壁所在區(qū)域中體素值最高的，沿著壁走向方向連續(xù)讀取20個(gè)體素值，其平均值就為壁的CT值。用雙3次內(nèi)插值法［7］，把體素寬度調(diào)整為原來(lái)的1/2，選取模型最大截面，在該層面測(cè)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(tài)學(xué)處理求模型容積 設(shè)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(jù)模型壁厚度自適應(yīng)選擇形態(tài)學(xué)腐蝕運(yùn)算的球形結(jié)構(gòu)單元半徑，并記錄軟件C測(cè)量模型容積結(jié)果。

1.8 統(tǒng)計(jì)分析 結(jié)果用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。計(jì)算每個(gè)模型容積測(cè)量值的相對(duì)誤差，即該測(cè)量值與真實(shí)值的差除以真實(shí)值［8］。容積測(cè)量值與真實(shí)值的顯著性檢驗(yàn)用配對(duì)t檢驗(yàn)，P值＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 模型特征與水、溶液CT值 天平測(cè)得1～7號(hào)模型容積1.93～64.75ml；CT測(cè)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(jiàn)表1）。模型內(nèi)16.6%甘露醇溶液CT值（47.8±4.6）HU，水桶內(nèi)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(cè)量值與相對(duì)誤差 軟件C測(cè)量1～7號(hào)模型容積，結(jié)果2.15～68.40ml，相對(duì)誤差（－2.0±9.0）%，范圍（－16.4～11.4）%，見(jiàn)表1。模型容積測(cè)量值與真實(shí)值行配對(duì)t檢驗(yàn)，t＝0.097，P＝0.926＞0.05，提示兩者無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

3 討論

醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像自動(dòng)處理經(jīng)常應(yīng)用CT值閾值法、梯度法以及形態(tài)學(xué)運(yùn)算對(duì)病灶或感興趣組織器官進(jìn)行分割［6，7，9］，手 動(dòng) 處 理 時(shí) 需 要 根 據(jù) 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(jìn)而求得它們的體積。由于部分容積效應(yīng)［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(dú)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(shè)計(jì)的形態(tài)學(xué)處理軟件C，綜合應(yīng)用CT值閾值法與腐蝕運(yùn)算，求模型CT容積；并用模型實(shí)測(cè)容積作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)常溫下水的密度是1g/ml，本研究通過(guò)測(cè)量注滿水前后的模型的質(zhì)量差，即得模型容積，這種測(cè)量方法是恰當(dāng)?shù)模冗_(dá)到0.1μL。

軟件C的測(cè)量精度明顯受到CT圖像空間分辨率的限制［12，13］。本實(shí)驗(yàn)中7個(gè)腫瘤模型制作時(shí)各內(nèi)徑的精度是亞毫米級(jí)的，而實(shí)驗(yàn)中CT圖像在橫斷面上的空間分辨率是1個(gè)像素寬（0.98mm），在軸向上的是3.75mm，比加工制作時(shí)降低了1個(gè)數(shù)量級(jí)。由此，即使是形態(tài)學(xué)運(yùn)算測(cè)得最接近腫瘤模型容積的結(jié)果波動(dòng)比較大，相對(duì)誤差介于－16.4%～11.4%，平均值（－2.0±9.0）%，仍優(yōu)于Prionas等的結(jié)果［8］，精度低于 Kuhnigk 等［9］和孫 海寧等［13］的結(jié)果。通過(guò)內(nèi)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(tài)學(xué)運(yùn)算的測(cè)量精度與準(zhǔn)確性。

自行設(shè)計(jì)的軟件C聯(lián)合CT值閾值法和腐蝕運(yùn)算的形態(tài)學(xué)處理方法，并根據(jù)模型壁的厚度自適應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)半自動(dòng)化測(cè)量模型容積，并可以達(dá)到一定的精度。隨著CT圖像空間分辨率的提高，該方法測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性也將進(jìn)一步提高。

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