基于Edge加速器4DCBCT提取腫瘤運(yùn)動(dòng)軌跡的驗(yàn)證性研究

廣州中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院放射治療中心 （廣東 廣州 510006）

內(nèi)容提要：目的：研究基于Edge加速器4DCBCT圖像提取腫瘤運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確性。方法：使用CIRS仿真胸部模體模擬肺腫瘤運(yùn)動(dòng)，用不同周期掃描六組CIRS模體的4DCT和4DCBCT圖像，把兩種圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，計(jì)算不同時(shí)相的位置偏差。結(jié)果：不同周期的腫瘤運(yùn)動(dòng)，基于4DCBCT獲得的腫瘤位置與定位時(shí)4DCT獲得的腫瘤位置偏差RMSE都<0.3cm，運(yùn)動(dòng)方向的MaxE都<0.5cm。結(jié)論：基于4DCBCT圖像提取腫瘤的運(yùn)動(dòng)軌跡是可靠的，可以用來評(píng)估放療過程中的腫瘤運(yùn)動(dòng)。

放射治療是腫瘤的常規(guī)治療手段，隨著技術(shù)的發(fā)展，怎樣精確照射靶區(qū)并減少正常組織損傷是放療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，胸部和腹部的腫瘤放療精度受到影響，為了提高放射治療效果，特別是調(diào)強(qiáng)放射治療（IMRT）和立體定向放射治療（SBRT），應(yīng)用圖像引導(dǎo)技術(shù)無論在治療階段還是治療前準(zhǔn)備計(jì)劃階段，4D成像都是十分必要的。近年來，人們提出了利用機(jī)載成像儀進(jìn)行4D錐形計(jì)算機(jī)斷層掃描（4DCone Beam CT，4DCBCT），用來解決4DCT的局限性。4DCBCT是在治療前掃描的，可以用來驗(yàn)證患者治療時(shí)的腫瘤運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

Edge加速器的4DCBCT系統(tǒng)（見圖1）Cone-beam CT、呼吸門控監(jiān)測、標(biāo)記塊、4DCBCT重建系統(tǒng)。

圖1.Edge加速器的4DCBCT系統(tǒng)

CIRS動(dòng)態(tài)胸腔模體系統(tǒng)（見圖2）：該系統(tǒng)包括模體實(shí)體和CIRS模體控制軟件?？刂栖浖脕碚{(diào)節(jié)模體內(nèi)腫瘤模體的運(yùn)動(dòng)周期和振幅，電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿用以驅(qū)動(dòng)模體內(nèi)部的模擬腫瘤。

1.2 方法

1.2.1 基于4DCBCT重建圖像的腫瘤運(yùn)動(dòng)軌跡的提取

圖2.CIRS動(dòng)態(tài)胸部模體和控制軟件

圖3.運(yùn)動(dòng)球體在0和50%階段的圖像

提取腫瘤運(yùn)動(dòng)軌跡的過程中大致分為兩個(gè)步驟：首先，選取重建的4DCBCT圖像中的參考相，即開始點(diǎn)。通常用最穩(wěn)定的呼吸末的時(shí)相為開始點(diǎn)，取腫瘤中給定小體積為2×2×2體素的運(yùn)動(dòng)向量，用來生成腫瘤的運(yùn)動(dòng)軌跡，小體積可以忽略其形變產(chǎn)生的影響。在實(shí)驗(yàn)中，使用一種快速自由的可變形的微分算法來提取出運(yùn)動(dòng)軌跡。運(yùn)動(dòng)圖像R與固定圖像T之間的相對(duì)位置是通過最小化目標(biāo)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，函數(shù)定義見公式（1）：

掃描CIRS模體4DCT和4DCBCT得到相應(yīng)的呼吸波形圖：在CIRS動(dòng)態(tài)胸部模體中，放入直徑為2cm的水球體，作為腫瘤，以區(qū)別于周圍不同密度的組織。水球體在驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，設(shè)置不同的六組運(yùn)動(dòng)周期，相同運(yùn)動(dòng)幅度，讓水球在模體中進(jìn)行剛性的運(yùn)動(dòng)，為了減少運(yùn)動(dòng)偽影對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成的影響，腫瘤的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榍昂螅⊿I）運(yùn)動(dòng)，其他方向不動(dòng)。用4DCT對(duì)運(yùn)動(dòng)模體進(jìn)行呼吸監(jiān)控和掃描，得到呼吸波形，最后將一個(gè)周期的圖像重建為10個(gè)時(shí)相。然后設(shè)計(jì)4D放療計(jì)劃，將模體放到Edge加速器下進(jìn)行4DCBCT掃描，同樣得到重建后的10組相位的圖像。根據(jù)上述方法從重建圖像中提取出腫瘤質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡目標(biāo)函數(shù)，得到4DCT和4DCBCT對(duì)應(yīng)的6組不同周期，相同振幅條件下的圖像和軌跡。

1.2.2 對(duì)提取出的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行定量的配準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)中采取的用均方根（RMSEs）來評(píng)價(jià)提取的運(yùn)動(dòng)軌跡和參考軌跡的關(guān)系誤差，此方程式（公式（2））用于3個(gè)方向，即左右（LR），前后（SI），上下（AP）：

圖4.CIRS動(dòng)態(tài)胸腔模體4DCT 4DCBCT圖像在6組周期下提取的運(yùn)動(dòng)軌跡前后方向（Superior-inferior）

表1.不同呼吸周期的圖像運(yùn)動(dòng)軌跡的RMSE和最大值

同時(shí)計(jì)算提取的運(yùn)動(dòng)軌跡與各相位參考剖面的絕對(duì)差值，并將這些差值的最大值定義為MaxE。

4DCT和4DCBCT數(shù)據(jù)集包含10個(gè)CT圖像卷，描述了患者在呼吸周期中解剖學(xué)的變化。假設(shè)呼吸周期為2、3、4、5、6和7s。在所得到的4DCT和4DCBCT的10組相位重建圖像，都以呼氣末作為參考階段的起始位置，追蹤腫瘤質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡來進(jìn)行相應(yīng)時(shí)相的圖像配準(zhǔn)。本次實(shí)驗(yàn)的腫瘤運(yùn)動(dòng)只是在前后（SI）方向運(yùn)動(dòng)，得到的是SI方向上的位移偏量。實(shí)驗(yàn)在模體中一個(gè)直徑為2cm的球體在胸狀結(jié)構(gòu)中沿前后（SI）方向上做振幅為15mm，周期為7s的正弦運(yùn)動(dòng)，圖3顯示了這個(gè)運(yùn)動(dòng)球體在第一和第六時(shí)相的圖像。

2.結(jié)果

圖4為CIRS動(dòng)態(tài)胸腔模體4DCT圖像和4DCBCT圖像中“腫瘤”質(zhì)心在6組不同周期下提取的運(yùn)動(dòng)軌跡：為了減小誤差和圖像偽影，增加圖像的質(zhì)量，本次實(shí)驗(yàn)的腫瘤運(yùn)動(dòng)方向只選擇前后（SI）方向運(yùn)動(dòng)，4DCBCT圖像的模體腫瘤運(yùn)動(dòng)軌跡與4DCT圖像的運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致。不同呼吸周期的圖像運(yùn)動(dòng)軌跡的RMSE和最大值列于表1，所有模擬呼吸周期的RMSE都<0.3cm，三個(gè)方向的MaxE都<0.5cm。

3.討論

本文研究的是如何減少呼吸運(yùn)動(dòng)帶來的腫瘤運(yùn)動(dòng)誤差。通過CIRS動(dòng)態(tài)胸部模體的4DCT和4DCBCT掃描，不同時(shí)相的腫瘤位置的配準(zhǔn)來驗(yàn)證4DCBCT方法提取運(yùn)動(dòng)軌跡的可行性。計(jì)算提取的運(yùn)動(dòng)軌跡的平均誤差和最大誤差，可以評(píng)估4DCBCT提取出腫瘤運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。如果腫瘤運(yùn)動(dòng)有任何明顯的改變，如基線移位和振幅改變，患者可能需要重新定位，或者需要重新規(guī)劃治療以減少治療的誤差。基于4DCBCT不同時(shí)相的圖像，得到某一像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，發(fā)現(xiàn)4DCBCT圖像所描述的腫瘤運(yùn)動(dòng)軌跡和基于4DCT得到的軌跡基本吻合，說明在實(shí)施治療之前通過4DCBCT掃描得到的重建圖像基本可以真實(shí)的反映出體內(nèi)腫瘤運(yùn)動(dòng)的軌跡，從而證實(shí)4DCBCT的可實(shí)施性。本次研究中，發(fā)現(xiàn)4DCBCT的圖像質(zhì)量問題帶來了不少的麻煩，雖然已經(jīng)從加速器中CT模塊的系統(tǒng)中著手，進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)和整理，對(duì)4DCBCT重建后的圖像有所改善，但仍存在圖像質(zhì)量問題，對(duì)后續(xù)的圖像匹配造成了影響，增大了實(shí)驗(yàn)誤差。對(duì)于這個(gè)問題的存在，有些研究則采用一系列的算法，先將CBCT圖像進(jìn)行去噪聲等一系列的處理，提取高質(zhì)量的圖像，有利于后續(xù)的配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。