對(duì)比度受限自適應(yīng)直方圖均衡算法在鼻咽癌放療擺位中的應(yīng)用

俞海東　蔣振東　馬天斌

[摘要]目的探討對(duì)比度受限自適應(yīng)直方圖均衡算法在鼻咽癌放療擺位中的應(yīng)用。方法利用單曝光定位照相技術(shù)，應(yīng)用對(duì)比度受限自適應(yīng)直方圖均衡算法對(duì)射野圖像進(jìn)行增強(qiáng)，把增強(qiáng)后的圖像與計(jì)劃系統(tǒng)中的DRR圖像進(jìn)行比較。結(jié)果對(duì)比度受限自適應(yīng)直方圖均衡算法可以有效地提高射野圖像的分辨率和對(duì)比度，可以清楚地分辨出主要的骨性標(biāo)志。在擺位質(zhì)量控制中可以檢驗(yàn)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(shù)結(jié)合對(duì)比度受限自適應(yīng)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(jì)劃準(zhǔn)確的實(shí)施。

[關(guān)鍵詞]單曝光；定位照相；對(duì)比度受限自適應(yīng)直方圖均衡算法；圖像配準(zhǔn)

[中圖分類號(hào)]R739.6 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]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(shù)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(jìn)入到了精確定位、精確設(shè)計(jì)、精確治療的時(shí)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(xué)物理學(xué)協(xié)會(huì)（AAPM）的定義，射野照相（portalradiography）有定位照相（localization radiography）、驗(yàn)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(gè)能量段的X射線與物質(zhì)相互作用，以康普頓效應(yīng)為主要的能量吸收方式，組織對(duì)能量的吸收差別幾乎消失，所以射野照相技術(shù)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(jì)算機(jī)X線攝影（computed radiography，CR）對(duì)IP板進(jìn)行圖像掃描，應(yīng)用對(duì)比度受限自適應(yīng)直方圖均衡（contrast limited adaptive histogram equalization，CLAHE）算法對(duì)射野圖像進(jìn)行增強(qiáng)。通過增強(qiáng)提高射野圖像的分辨率和對(duì)比度，使它與計(jì)劃系統(tǒng)的DRR圖像進(jìn)行配準(zhǔn)時(shí)，可以更準(zhǔn)確得出鼻咽癌患者的擺位誤差。

1材料與方法

1.1設(shè)備

本研究所用設(shè)備：瑞典醫(yī)科達(dá)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(yàn)證片盒架；自制十字線影子板（兩鉛點(diǎn)在等中心的距離為4CM）；RT solution軟件；Image J編程軟件。

1.2對(duì)比度受限自適應(yīng)直方圖均衡算法的流程

對(duì)比度受限自適應(yīng)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(duì)比度的增強(qiáng)幅度，從而限制噪聲的放大及局部對(duì)比度的過增強(qiáng)。它是對(duì)直方圖均衡算法的改進(jìn)，它能夠提供清晰的邊緣信息，也可能因?yàn)樵鰪?qiáng)圖像噪點(diǎn)而降低圖像質(zhì)量，但對(duì)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(jìn)行體位固定，按放射治療計(jì)劃對(duì)其進(jìn)行擺位。（2）在機(jī)架上插上帶有自制十字線影子板的鉛擋塊托架，把機(jī)架分別位于0°位置上。使機(jī)器十字線與自制影子板的十字線重合。（3）移動(dòng)片盒架使源片距為140cm，調(diào)節(jié)驗(yàn)證片盒架使機(jī)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(jī)器跳數(shù)為1MU。待確認(rèn)無誤后進(jìn)行照射。（5）照射完成后，再把機(jī)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(jī)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(jī)器跳數(shù)為1MU。待確認(rèn)無誤后進(jìn)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(duì)兩塊IP板的射野圖像進(jìn)行采集，采集到的射野圖像以DICOM格式進(jìn)行保存。把編程好的對(duì)比度受限自適應(yīng)直方圖均衡算法載人到Image J軟件中。設(shè)置增強(qiáng)參數(shù)：區(qū)域大小（block size）為256、直方圖灰度級(jí)（histogram bins）為256、斜率（maximum slope）為3。分別對(duì)兩幅射野圖像進(jìn)行增強(qiáng)運(yùn)算。圖像經(jīng)過增強(qiáng)后分辨率和對(duì)比度得到明顯提高，而且患者輪廓邊緣和骨性標(biāo)志都非常容易分辨。增強(qiáng)后圖像以JPG圖像格式保存。增強(qiáng)后圖像和直方圖見圖3～10。計(jì)劃系統(tǒng)中帶坐標(biāo)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(zhǔn)

在RT solution軟件中分別導(dǎo)入計(jì)劃系統(tǒng)中帶坐標(biāo)尺的DRR圖像和增強(qiáng)后的射野圖像。分別對(duì)兩幅圖像進(jìn)行中心點(diǎn)和實(shí)際距離的刻度。射野圖像以自制十字線鉛點(diǎn)為基準(zhǔn)。鉛點(diǎn)中心為射野中心、鉛點(diǎn)距離以等中心為4cm為基準(zhǔn)（放大比率為1：1.4）進(jìn)行刻度。DRR圖以十字坐標(biāo)線為基準(zhǔn)。坐標(biāo)中心為計(jì)劃中心、坐標(biāo)尺刻度以實(shí)際距離進(jìn)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(dòng)配準(zhǔn)使兩幅圖像的重要骨性標(biāo)志重合。0°射野配準(zhǔn)以眼眶、顱骨、下頜骨、鼻腔、鼻中隔等骨性標(biāo)志為準(zhǔn)。配準(zhǔn)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(zhǔn)以額竇、下頜骨、顱骨、顱底等骨性標(biāo)志為準(zhǔn)。配準(zhǔn)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(shù)結(jié)合對(duì)比度受限自適應(yīng)直方圖均衡算法在鼻咽癌放療擺位應(yīng)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(jì)劃準(zhǔn)確的實(shí)施，為鼻咽癌精準(zhǔn)放療提供了重要的質(zhì)量保障。

3討論

隨著放療技術(shù)的飛速發(fā)展，三維調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)（intensity modulated radiation therapy，IMRT）已經(jīng)成為鼻咽癌放療的主流技術(shù)。由于調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)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(duì)擺位精度和驗(yàn)證的要求非常高。

進(jìn)入21世紀(jì)后，實(shí)時(shí)射野影像系統(tǒng)的日益完善和機(jī)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(shù)有電子射野影像系統(tǒng)（electronic portal imaging device，EPID）和圖像引導(dǎo)放療（image guided radimion therapy，IGRT）等。這些都是通過新型加速器的機(jī)載設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，而且這些新型直線加速器價(jià)格比較昂貴、維修保養(yǎng)費(fèi)用大。沒有這些設(shè)備的醫(yī)院大多還是采用慢感光膠片進(jìn)行擺位誤差的質(zhì)量控制。有些文獻(xiàn)通過采用慢感光膠片或IP板對(duì)患者進(jìn)行雙曝光獲得成像質(zhì)量較好的射野驗(yàn)證片。也有采用IP板進(jìn)行單曝光拍攝放療位置射野驗(yàn)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(shí)將x線光子的能量以潛影的形式儲(chǔ)存下來，在經(jīng)激光掃描時(shí)產(chǎn)生與吸收的X線能量相應(yīng)強(qiáng)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(hào)，該信號(hào)饋人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)重建成高質(zhì)量的數(shù)字圖像，然后IP經(jīng)強(qiáng)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(shí)若曝光時(shí)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(fù)使用降低成本、圖像便于儲(chǔ)存和傳輸、質(zhì)量動(dòng)態(tài)范圍比較大，以DICOM格式保存，從而為射野圖像進(jìn)行后期增強(qiáng)和配準(zhǔn)提供可能。圖像配準(zhǔn)過程中，圖像的清晰度是其中最重要的基礎(chǔ)。通過對(duì)比度受限自適應(yīng)直方圖均衡增強(qiáng)后的圖像分辨率和對(duì)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(biāo)志、空腔、鉛點(diǎn)、外輪廓等。使其在手動(dòng)配準(zhǔn)時(shí)，不會(huì)因?yàn)檫吔缒：磺?，而造成更大的人為誤差。在專業(yè)的計(jì)算機(jī)圖像配準(zhǔn)軟件的輔助下，采用對(duì)比度受限自適應(yīng)直方圖均衡算法增強(qiáng)Mv級(jí)射野圖像也可以準(zhǔn)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?yàn)椴捎?°、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(jìn)行在線校準(zhǔn)擺位誤差的話，會(huì)造成患者擺位時(shí)間過長，舒適性下降，影響治療。所以只能進(jìn)行離線分析擺位誤差原因，為下次擺位提供依據(jù)。