基于旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器的錐形束CT散射矯正方法

逄曉寧，虞剛，李登旺

山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院山東省醫(yī)學(xué)物理圖像處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250000

前言

基于錐形束CT（CBCT）的在線自適應(yīng)放射治療是目前精準(zhǔn)放療的代表性技術(shù)，它通過(guò)集成在醫(yī)用直線加速器上的CBCT裝置于每次放療實(shí)施前獲取患者的在線影像，并針對(duì)腫瘤的位置和形狀變化，利用滿足特定要求的計(jì)劃系統(tǒng)快速制定放療計(jì)劃，以提高治療精度［1-3］。然而，散射光子嚴(yán)重影響了在線影像（CBCT圖像）的質(zhì)量，致使在線自適應(yīng)放療的臨床應(yīng)用受到限制［4］。因此，對(duì)CBCT進(jìn)行散射矯正，提高成像質(zhì)量，從而充分發(fā)揮在線自適應(yīng)放療應(yīng)有的功效，提高放療收益，是亟待解決的問(wèn)題。

CBCT散射偽影的校正方法有很多，大致可以分為3類：一是基于軟件的散射矯正方法，該方法通過(guò)分析圖像本身的特征，估計(jì)散射的分布，主要有卷積法、散射核反卷積法、蒙特卡羅模擬法等［5-7］；二是基于硬件的散射去除方法，該方法通常在CBCT系統(tǒng)中添加一些特殊硬件，從而減少散射光子到達(dá)探測(cè)板上的數(shù)量，例如準(zhǔn)直器法、空氣隙方法、反散射網(wǎng)格方法［8］；三是軟硬件結(jié)合散射校正方法，比較典型的有頻率調(diào)制（Primary Modulation）算法、基于測(cè)量的算法［9］。

近些年，基于測(cè)量的方法受到越來(lái)越多的重視，該類方法由Ning等［10］提出，但是由于需要額外的掃描來(lái)獲得具有完整信息的投影圖像，增加了病人所受到的輻射劑量。為了解決兩次掃描的問(wèn)題，Siewerdsen等［11］通過(guò)準(zhǔn)直器邊緣遮擋來(lái)估計(jì)散射分布。Jin等［12］利用未遮擋區(qū)域并且修正FDK重建算法來(lái)重建整個(gè)CBCT圖像。Nishikawa、Ouyang和Lee等［13-15］則分別提出基于移動(dòng)遮擋板的方法來(lái)估計(jì)散射分布和遮擋區(qū)域的圖像。

1 方法

本文提出一種基于旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器（Rotating Collimator）的CBCT散射矯正方法，我們將之稱為RCCT（Rotating Collimator Computed Tomography）。該方法在射線源和模體之間放置一個(gè)旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器，此成像裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器將錐形束射線限制為多個(gè)扇形束，并通過(guò)準(zhǔn)直器的旋轉(zhuǎn)使扇形束射線在加速器機(jī)架旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，不斷沿軸向來(lái)回掃描，以獲取整個(gè)容積圖像的投影信息。這樣投影圖像不是由錐形束投影得到的，而是透過(guò)準(zhǔn)直器的多個(gè)扇形束在準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)過(guò)程中來(lái)回掃描得到的，可以去除一部分的散射線，同時(shí)利用遮擋區(qū)域的散射分布，估計(jì)整幅圖像的散射分布，最后利用修正FDK法進(jìn)行圖像重建［12］。

1.1 蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本研究利用蒙特卡羅工具箱（Geant4）構(gòu)建RCCT實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［16］。RCCT系統(tǒng)包括一個(gè)X射線源、一個(gè)旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器、一系列的模體和一個(gè)敏感探測(cè)器。RCCT系統(tǒng)都被安放在一個(gè)（2×2×2）m3的虛擬實(shí)驗(yàn)室中，所有的反應(yīng)都在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，當(dāng)粒子超出實(shí)驗(yàn)室的范圍，則不再跟蹤。

RCCT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中RCCT射線源的坐標(biāo)為（0,0,100），能量為120 kV的單色射線，發(fā)射粒子的個(gè)數(shù)為4×109。模體是圓柱形的水模體，圓柱中心坐標(biāo)為（0,0,0），半徑20 cm，高30 cm。圓柱的中心（即原點(diǎn)坐標(biāo)）為RCCT系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)中心。敏感探測(cè)器的閃爍材料為碘化銫晶體。探測(cè)器尺寸為（32×32）cm2，其中覆蓋碘化銫閃爍材料的范圍為（30.6×30.6）cm2，厚度0.06 cm。實(shí)驗(yàn)中，探測(cè)器被劃分為306×306的像素矩陣，每一個(gè)像素的大小為（0.1×0.1）cm2。

圖1 RCCT系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of RCCT system simulation structure

在RCCT系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。它由嵌在丙烯酸板子上面的等間距的鉛條組成，涉及到4個(gè)參數(shù)：半徑（r）、厚度（dx）、縫隙寬度（dy）和旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器遮擋區(qū)域的寬度（dz）。在本實(shí)驗(yàn)中，我們將r設(shè)置為15 cm，厚度為5 mm，縫隙寬度和遮擋區(qū)域的寬度都為0.6 mm。

由于本文模擬的RCCT系統(tǒng)使用的X射線的能量屬于低能X光子（120 kV）。因此在模擬的過(guò)程中，我們采用Geant4提供的低能電磁過(guò)程作為X光子的物理過(guò)程?？紤]到當(dāng)能量小于120 kV的時(shí)候，康普頓散射占據(jù)了絕大部分的反應(yīng)情況，所以在此系統(tǒng)中只考慮康普頓散射的影響。

1.2 投影圖像處理

在旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)過(guò)程中獲得的投影圖像按以下步驟處理［17］：（1）獲得具有遮擋信息的CBCT投影圖像并且通過(guò)這部分投影圖像插值重建出整幅圖像的散射數(shù)據(jù)；（2）將投影區(qū)域的圖像減去遮擋區(qū)域的圖像得到去除散射的投影圖像；（3）最后采用修正FDK算法重建CBCT圖像。

1.3 圖像評(píng)價(jià)

為了對(duì)圖像的質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，本研究用以下3個(gè)指標(biāo)對(duì)散射矯正結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)：

（1）重建誤差（均方根誤差）：

（2）杯狀偽影：

其中，UM,edge和UM,center分別代表感興趣區(qū)域中心和邊緣的平均值。

（3）峰值信噪比：

其中，m、n分別為圖像的高度和寬度，I為包含散射重建后的圖像，K為包含散射重建的圖像。

2 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 投影圖像結(jié)果分析

圖2顯示了3種不同的投影圖像，圖2a是主射線投影圖，圖2b是RCCT投影圖，圖2c是CBCT投影圖。圖3a為圖2中紅色線段所對(duì)應(yīng)的像素值。從圖3a可以看出，CBCT圖像的像素值明顯大于主射線的像素值（主射線不包含散射）和RCCT圖像的像素值，而RCCT的像素值比較接近主射線的像素值，這表明相比于CBCT，RCCT可以更好地抑制散射的影響。圖3b為圖2b和圖2c中紅色線段對(duì)應(yīng)的散射主射線之比（Scatter Primary Ratio,SPR）。從圖中可以明顯看出，CBCT圖像的SPR值明顯大于RCCT圖像的SPR值，同時(shí)對(duì)所有投影圖像的計(jì)算結(jié)果也表明，相對(duì)于CBCT，RCCT投影圖像的SPR降低了75%～78%。

圖2 投影圖像Fig.2 Projection images

圖3投影圖像結(jié)果分析Fig.3 Analysis of projection image results

2.2 重建圖像結(jié)果分析

圖4 為由水模體重建出來(lái)的CBCT圖像，圖4a為沒(méi)有散射信息的CBCT圖像，圖4b顯示了含有散射信息的CBCT重建圖像，可以看出散射對(duì)圖像質(zhì)量影響很大，圖4c為經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵散射矯正過(guò)后的CBCT重建圖像，圖像質(zhì)量明顯提升。從圖4可以看出，相對(duì)于沒(méi)有散射信息的CBCT圖像，帶有散射信息的圖像受偽影影響嚴(yán)重，而經(jīng)過(guò)散射矯正后的CBCT圖像，對(duì)比度明顯提高，散射偽影得到有效去除。圖5為計(jì)算CBCT圖像指標(biāo)（重建誤差、杯狀偽影、峰值信噪比）示意圖。圖5紅色標(biāo)識(shí)內(nèi)的散射矯正前后CBCT圖像評(píng)價(jià)的3個(gè)指標(biāo)有變化，CT值的均方根誤差從16.00%下降為1.18%，杯狀偽影從14.005%下降為0.660%，峰值信噪比從16.959 4提高到31.450 0，從圖像質(zhì)量指標(biāo)可以看出經(jīng)過(guò)散射矯正過(guò)后的CBCT圖像質(zhì)量明顯提高。

圖4 CBCT重建圖像Fig.4 CBCT reconstructed image

圖5 計(jì)算圖像指標(biāo)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the calculation indexes

3 討論

本研究將旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器置于射線源與模體之間，通過(guò)遮擋區(qū)域的散射信號(hào)估計(jì)整幅圖像的散射信號(hào)，進(jìn)而從投影圖像中將散射信號(hào)減除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CBCT圖像質(zhì)量受到散射光子的影響較大，沒(méi)有進(jìn)行散射矯正的CBCT圖像CT值的均方根誤差較大，杯狀偽影明顯，而RCCT可以明顯減小散射影響，提高CBCT圖像質(zhì)量。

在旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮了旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器縫隙以及旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器間距這兩點(diǎn)參數(shù)：（1）從散射形成的原因我們可以得知，縫隙越大，散射越大［18］，所以我們將縫隙的寬度逐漸變小，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中我們必須考慮縫隙大小對(duì)投影利用率的影響以及對(duì)整幅圖像半影的影響；（2）旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器的間距越大，散射抑制越明顯，但是準(zhǔn)直器間距的變大就必須要增加掃描速度來(lái)保證獲得充足的投影數(shù)據(jù)。綜合上述因素，我們將縫隙的大小設(shè)置為0.6 mm。但是設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直器參數(shù)還只是一個(gè)初步的參數(shù)，所以旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器的參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化還需后續(xù)工作進(jìn)行解決。

4 總結(jié)

本研究設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器用于CBCT的散射矯正，經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)，校正后的圖像準(zhǔn)確性提高，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。但是旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器的縫隙參數(shù)仍處于初級(jí)階段，我們會(huì)通過(guò)后期的參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步獲得更好的圖像。