瓦里安OBI系統(tǒng)錐形束CT圖像CT值長期穩(wěn)定性分析

時(shí)飛躍，田書暢，金 洵，秦 航，秦 偉

(1. 南京市第一醫(yī)院 腫瘤放療中心，江蘇 南京 210006； 2. 南京市第一醫(yī)院 醫(yī)療設(shè)備處，江蘇 南京 210006； 3. 南京中醫(yī)藥大學(xué) 第二臨床醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

1 引 言

圖像引導(dǎo)放射治療技術(shù)，通過獲取患者治療前及治療過程中的影像，可以減少擺位誤差提高治療精度，進(jìn)而更好地保護(hù)周圍危及器官及提高靶區(qū)劑量[1]。錐形束CT (cone-beam CT, CBCT)是一種非常有效的圖像引導(dǎo)工具。CBCT圖像能夠真實(shí)反映患者治療過程中的體位狀況及解剖結(jié)構(gòu)的變化，從而為實(shí)施患者治療計(jì)劃的驗(yàn)證和實(shí)時(shí)再優(yōu)化提供基礎(chǔ)[2～5]。瓦里安公司推出的機(jī)載影像(on-board imager，OBI)系統(tǒng)，在放療工作中得到了廣泛應(yīng)用[6，7]。為了保證OBI系統(tǒng)正常運(yùn)行，從而確保放療患者的治療精度，必須定期對OBI系統(tǒng)的CBCT圖像質(zhì)量等進(jìn)行質(zhì)控檢測[8]。

本工作通過對每月使用Catphan模體檢測得到的物質(zhì)的CT值進(jìn)行回顧分析, 評估瓦里安OBI系統(tǒng)CBCT圖像CT值的長期穩(wěn)定性。

2 材料與方法

2.1 材料

瓦里安Clinac iX直線加速器配備的OBI系統(tǒng)，硬件部分包括一個(gè)kV級X射線源(KVS)和一個(gè)非晶硅平板探測器(KVD)，使用時(shí)機(jī)械臂伸出KVS和KVD，通過機(jī)架旋轉(zhuǎn)一定角度，可以獲取CBCT圖像。

Catphan504模體由CTP404、CTP528、CTP515和CTP486共4個(gè)模塊構(gòu)成。CTP404模塊含有如下7種測試物質(zhì)：空氣(Air)，聚甲基戊烯(PMP)，低密度聚乙烯(LDPE)，聚苯乙烯(Polystyrene)，丙烯酸(Acrylic)，聚甲醛樹酯(Delrin)和聚四氟乙烯(Teflon)。7種物質(zhì)的相對電子密度分別為：0.000，0.853，0.944，1.017，1.146，1.353和1.867。7種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)CT值(單位：HU)分別為：-1000，-200，-100，-35，120，340和990。 CTP528模塊嵌有21組放射狀分布的分辨力標(biāo)尺，分辨力從1～21 LP/cm，用于測量CT圖像空間分辨力。CTP515模塊由內(nèi)外2組低密度孔徑結(jié)構(gòu)組成; 其中外圍有3組低對比度目標(biāo)物，對比度分別為1%、0.5%及0.3%; 內(nèi)部有3組目標(biāo)物，縱向長度分別為7 mm、5 mm及3 mm，對比度均為1%。CTP468模塊由均勻水等效材料制成，標(biāo)準(zhǔn)掃描條件下其CT值與水的CT值一致，誤差在±2%之內(nèi)，用于CT值均勻性及噪聲測量。

圖像分析軟件為Mobius公司的DoseLab放療驗(yàn)證軟件，其中有專門處理CT圖像和CBCT圖像的模塊[9, 10]。

2.2 方法

每月使用Catphan504模體對瓦里安OBI系統(tǒng)的CBCT圖像進(jìn)行質(zhì)控檢測。采用高質(zhì)量頭部(high-quality head, HQH)、標(biāo)準(zhǔn)劑量頭部(standard-dose head, SDH)和盆腔(Pelvis)3種CBCT掃描協(xié)議。3種掃描協(xié)議的具體參數(shù)列于表1。使用機(jī)房內(nèi)的激光燈精確定位模體的擺放位置，模體懸空，下方無碳纖維治療床板。

使用DoseLab放療驗(yàn)證軟件, 對2017年3月至2018年2月獲取的36個(gè)CBCT圖像序列進(jìn)行分析。如圖1所示，對CTP404模塊，DoseLab軟件內(nèi)置了10個(gè)由多點(diǎn)圍成的感興趣區(qū)域(ROI)，其中的7個(gè)ROI分別對應(yīng)7種測試物質(zhì)，每個(gè)ROI面積約 0.46 cm2。把一個(gè)序列的CBCT圖像導(dǎo)入DoseLab軟件，軟件會自動計(jì)算出每個(gè)ROI區(qū)域內(nèi)CT值的平均值等數(shù)據(jù)。把這7種測試物質(zhì)對應(yīng)ROI區(qū)域CT值的平均值，作為這些測試物質(zhì)的CT值，記為Y(單位：HU)。為了觀察CBCT圖像中物質(zhì)CT值偏離標(biāo)準(zhǔn)CT值的程度，用每種物質(zhì)的Y值減去其標(biāo)準(zhǔn)CT值得到的差值，記為ΔY。使用統(tǒng)計(jì)函數(shù)分析，得到每種物質(zhì)Y和ΔY的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和極差。

表1 3種CBCT掃描協(xié)議的掃描參數(shù)Tab.1 The scan parameters of three CBCT scan protocols

圖1 DoseLab分析CTP404模塊CBCT圖像界面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the interface of DoseLab for analyzing CBCT images of the CTP404 module

3 結(jié)果分析

圖2顯示了在3種CBCT掃描協(xié)議下7種物質(zhì)Y值在12個(gè)月中的變化趨勢。表2顯示了7種物質(zhì)Y值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和極差以及ΔY的平均值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。用Ym和ΔYm分別表示Y和ΔY的平均值。

圖2 3種掃描協(xié)議下7種物質(zhì)在12個(gè)月中Y值的變化Fig.2 Variations of value of Y for seven materials under three scan protocols in 12 months

表2 7種物質(zhì)在3種掃描協(xié)議下Y值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和極差值以及ΔY的平均值Tab.2 Values of the mean, standard deviation and range of Y and the mean of ΔY for the seven materials under three scan protocols HU

為了比較CBCT圖像中不同物質(zhì)Y值與標(biāo)準(zhǔn)CT值差異的變化, 將3種CBCT掃描協(xié)議下ΔYm值按物質(zhì)的相對電子密度從小到大列出，結(jié)果示于圖3。

圖3 ΔYm值隨物質(zhì)相對電子密度的變化Fig.3 Variations of value of ΔYm with the relative electron density of material

4 討 論

由圖2及表2中的數(shù)據(jù)可見， Catphan模體中7種物質(zhì)的Y值在12個(gè)月里總體上變化較小，表明該瓦里安OBI系統(tǒng)CBCT圖像的CT值比較穩(wěn)定。7種物質(zhì)相比較，Teflon的標(biāo)準(zhǔn)差和極差最大，HQH、SDH和Pelvis三種掃描協(xié)議對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為11.08 HU，7.22 HU和5.39 HU。本文中的西門子CT模擬機(jī)HeadSeq、RT_Head和RT_Abdomen3種掃描協(xié)議2年內(nèi)的相應(yīng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，Teflon的標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.83 HU，2.49 HU和2.56 HU[9]。與CT模擬機(jī)CT圖像Teflon的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)相比較，OBI系統(tǒng)CBCT圖像的相應(yīng)數(shù)據(jù)較大，反映了CBCT圖像的穩(wěn)定性比定位CT圖像的穩(wěn)定性差。

圖2顯示，2017年7月，在HQH掃描協(xié)議下，PMP的Y值比其他月份的Y值明顯小了許多，Acrylic、Delrin和Teflon也有類似的現(xiàn)象，只是沒有PMP明顯?；仡櫡治鯤QH掃描協(xié)議下12次的曝光時(shí)間數(shù)據(jù)，2017年7月的曝光時(shí)間為8 525 ms，比其它月份的曝光時(shí)間(8 900～8 975 ms)小了大約4.6%。由此可見，曝光時(shí)間短是2017年7月PMP的Y值較小的原因。

AAPM 83號報(bào)告建議，至少每天驗(yàn)證水的CT值的準(zhǔn)確性，每個(gè)月和每次調(diào)整機(jī)器或更換主要部件后增加驗(yàn)證3～5種物質(zhì)CT值的準(zhǔn)確性[11，12]。CBCT圖像是CT圖像的一種，但是對其質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)并不采用AAPM 83號報(bào)告的建議標(biāo)準(zhǔn)。Yoo等于2006年建立了OBI系統(tǒng)的質(zhì)控程序，其中CBCT圖像物質(zhì)CT值(HU)的質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)為其測量值與標(biāo)準(zhǔn)CT值的差異的絕對值應(yīng)<40 HU[8]。國內(nèi)的許多學(xué)者，也對CBCT圖像質(zhì)控體系的建立和操作方法進(jìn)行了研究[13～17]。由圖2、圖3以及表2可知，SDH和Pelvis兩種掃描協(xié)議下，7種物質(zhì)的CT值均符合上述差值<40 HU的標(biāo)準(zhǔn)；HQH協(xié)議下有兩種物質(zhì)(Delrin和Teflon)不符合上述<40 HU的標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，SDH和Pelvis兩種掃描協(xié)議，可用于CBCT圖像的CT值質(zhì)控檢測和計(jì)量檢測。

管秋等的研究中，給出了1年內(nèi)HQH、SDH和Pelvis3種掃描協(xié)議7種物質(zhì)CBCT圖像CT值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[13]；鞏漢順等的研究中，給出了2014～2015年度不同時(shí)間共7次掃描(6種掃描協(xié)議)CBCT圖像CT值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[18]。比較3個(gè)研究的數(shù)據(jù)可見，本研究的CT值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，與鞏漢順等的研究結(jié)果較為一致。Yoo等的研究報(bào)告，給出了4個(gè)月時(shí)間內(nèi)2種掃描協(xié)議下7種物質(zhì)CBCT圖像CT值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但未給出2種掃描協(xié)議的具體名稱，故無法與其它研究的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較[11]。

由圖3可見，ΔYm值隨物質(zhì)相對電子密度的大小而變化。SDH和Pelvis兩種協(xié)議下，ΔYm值隨相對電子密度變化的趨勢比較相近，ΔYm值的范圍在-17.23 HU～6.83 HU之間，變化較小。HQH協(xié)議下，前5種物質(zhì)(Air、PMP、LDPE、Polystyrene、Acrylic)的ΔYm值在-3.70 HU～16.55 HU范圍內(nèi)，后2種物質(zhì)(Delrin和Teflon)的ΔYm值超出40 HU的范圍，變化較大。由表1可見，與普通CT設(shè)備類似，不同CBCT掃描協(xié)議所采用的掃描及重建參數(shù)的不同；這導(dǎo)致了不同掃描協(xié)議下物質(zhì)的CT值及與標(biāo)準(zhǔn)CT值差值的不同。HQH掃描協(xié)議下，Delrin和Teflon的ΔY和ΔYm超出了40 HU的范圍，因此HQH不適合用于CBCT圖像的定期質(zhì)控測量和計(jì)量檢測。

CT設(shè)備的質(zhì)控和計(jì)量檢測工作，在醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域被重視的程度越來越高[19～22]。目前，JJG 961—2017是我國最新關(guān)于醫(yī)用診斷螺旋CT X射線輻射源的檢定規(guī)程；該規(guī)程與AAPM 83號報(bào)告，都不適用于CBCT圖像的質(zhì)控和計(jì)量檢測。AAPM 104號和179號報(bào)告，有關(guān)于OBI系統(tǒng)CBCT圖像質(zhì)控方面的介紹。隨著精確放療的發(fā)展，瓦里安OBI系統(tǒng)、醫(yī)科達(dá)XVI系統(tǒng)等生成的CBCT圖像，將更廣泛地應(yīng)用于放療患者的治療位置驗(yàn)證等放療日常工作中。

5 結(jié) 語

本研究中，36個(gè)CBCT圖像序列，若采用手動勾畫ROI的方式，首先要從每個(gè)CBCT圖像序列中找到CTP404模塊中間一層的CBCT圖像，然后勾畫對應(yīng)7種物質(zhì)的7個(gè)ROI， 共計(jì)252個(gè)ROI，工作量較大；另外為了保證ROI大小位置的一致，需要花費(fèi)更多的時(shí)間對位置進(jìn)行手動調(diào)整。與傳統(tǒng)的手工勾畫ROI來獲取物質(zhì)CT值的方法相比，使用DoseLab軟件可自動獲取Catphan模體CBCT圖像中物質(zhì)的CT值，能夠節(jié)約較多時(shí)間并保證勾畫區(qū)域的一致。因此，使用DoseLab軟件，可有效幫助工作人員分析CT圖像和CBCT圖像的檢測數(shù)據(jù)。

綜上所述，該瓦里安加速器配備的OBI系統(tǒng)，其CBCT圖像CT值在2017年3月～2018年2月的12個(gè)月里總體上比較穩(wěn)定；SDH和Pelvis兩種掃描協(xié)議適合用于CBCT圖像的質(zhì)控和計(jì)量檢測；HQH不適合用于CBCT圖像質(zhì)量的檢測。本文的研究結(jié)果，將為CBCT圖像的質(zhì)控測量和計(jì)量檢測，提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)參考。

致謝生原醫(yī)療集團(tuán)王輝、曹鷹、郁洋在DoseLab軟件使用中提供的幫助和支持；江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院邢立騰在計(jì)量檢定規(guī)程方面提供幫助,謹(jǐn)致謝忱。