姜立朋 張懷文 谷珊珊

近距離治療中放射源位置檢驗(yàn)的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法

姜立朋1張懷文2谷珊珊3

1（遼寧醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院 放療科 錦州 121001）
2（江西省腫瘤醫(yī)院 放療技術(shù)科 南昌 330029）
3（解放軍總醫(yī)院 放療科 北京 100853）

利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法計(jì)算EBT3膠片拍攝的近距離治療中放射源的位置準(zhǔn)確性。目前驗(yàn)證192Ir放射源到位精度的方法主要包括膠片、Fricke放射量測(cè)定器、平板探測(cè)器、簡(jiǎn)單的直尺結(jié)合計(jì)量?jī)x方法等，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法自動(dòng)計(jì)算曝光膠片放射源的位置未見(jiàn)報(bào)道。本研究用EBT3免沖洗膠片分別獲得不同步進(jìn)長(zhǎng)度和已知駐留位置誤差的影像。采用Contourlet變換對(duì)膠片圖像進(jìn)行去噪，求得放射源步進(jìn)長(zhǎng)度的誤差小于±0.2 mm，源駐留位置的誤差在±0.5 mm以內(nèi)，符合臨床要求。結(jié)果表明本方法簡(jiǎn)單，且結(jié)果可靠。

192Ir，近距離放射治療，膠片，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)，質(zhì)量保證

近距離治療中放射源在施源器中通過(guò)優(yōu)化駐留位置和時(shí)間而形成特定的劑量分布。源位置的準(zhǔn)確性直接影響吸收劑量分布[1]。放射源的位置準(zhǔn)確性是近距離治療重要的質(zhì)量保證(Quality Assurance, QA)項(xiàng)目[2?3]。膠片是驗(yàn)證192Ir放射源到位精度的常用方法[4?5]，膠片曝光后放射源位置的讀取一般用直尺測(cè)量[6]，存在一定的人為誤差。采用數(shù)學(xué)方法自動(dòng)計(jì)算曝光膠片放射源的位置具有重要的應(yīng)用價(jià)值，但還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。本文利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法估算EBT3膠片上放射源的位置坐標(biāo)，分析放射源的位置準(zhǔn)確性。

1 材料與方法

1.1 近距離治療機(jī)

瑞典醫(yī)科達(dá)核通(Nucletron)公司生產(chǎn)的micro-Selectron HDR (High Dose-rate)高劑量率近距離治療機(jī)由治療計(jì)劃系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和放射源傳送系統(tǒng)組成。利用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)高活性192Ir放射源，配合優(yōu)化的治療計(jì)劃實(shí)施治療。192Ir放射源的活性長(zhǎng)度為3.5 mm，源的最大活度為0.37TBq。治療過(guò)程中，放射源以快于50 cm·s?1的速度移動(dòng)到治療位置，每個(gè)駐留位置的照射時(shí)間有兩個(gè)獨(dú)立計(jì)時(shí)器控制。

1.2 EBT3免沖洗膠片

GAFCHROMIC EBT3是一種基于輻射交聯(lián)效應(yīng)使塑料變色反映劑量變化的特種透明膠片，厚度為0.28 mm，具有免沖洗、防水等特點(diǎn)。表面有反牛頓環(huán)的涂層，可以避免平板掃描儀產(chǎn)生的牛頓環(huán)偽影。劑量在1?800 cGy，能量響應(yīng)和組織等效性較好，均勻一致性優(yōu)于1.5%，空間分辨率優(yōu)于0.1 mm[7?8]。

1.3 膠片測(cè)量

將EBT3免沖洗膠片平放粘貼在RW3固體水平板上，塑料施源管拉直平放在EBT3膠片上。以參考位置為中心，選擇步進(jìn)長(zhǎng)度分別為40 mm、30mm、20 mm、10 mm、5 mm、2.5 mm制定計(jì)劃，每個(gè)步進(jìn)長(zhǎng)度設(shè)置5個(gè)放射源駐留位置，駐留時(shí)間為10 s，分別得到5列不同步進(jìn)長(zhǎng)度下192Ir源曝光的圖像。為驗(yàn)證數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法的準(zhǔn)確性和精度，在?40 mm、0 mm、+40 mm位置分別設(shè)置已知的位置誤差，第2組為?2 mm、+2 mm、?1 mm，第3組為+2 mm、?2 mm、+1 mm，加上參考位置圖像，共得到三組曝光的影像。

1.4 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)(Morphology)是以形態(tài)為基礎(chǔ)對(duì)圖像進(jìn)行分析的數(shù)學(xué)工具，基本原理是用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去度量和提取圖像中的對(duì)應(yīng)形狀，對(duì)圖像進(jìn)行分析和識(shí)別。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法主要通過(guò)選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)元素采用膨脹、腐蝕、開(kāi)啟、閉合4種基本運(yùn)算的組合來(lái)處理圖像，對(duì)基于形狀細(xì)節(jié)進(jìn)行圖像處理提供了強(qiáng)有力的手段，具有直觀上的簡(jiǎn)明性和數(shù)學(xué)上的嚴(yán)謹(jǐn)性[8]。因?yàn)楂@取的掃描膠片圖像存在噪聲，對(duì)于后續(xù)斑點(diǎn)質(zhì)心的提取干擾較大，采用基于Contourlet變換的圖像去噪算法對(duì)膠片圖像進(jìn)行預(yù)處理。去噪目的就是從含噪聲圖像y中恢復(fù)原始圖像，保持圖像x的特征，優(yōu)化均方差。去噪一般采用模型：y=x+δe。其中，x是期望圖像，y是原始膠片圖像，e是噪聲，δ是噪聲方差?；贑ontourlet變換的圖像去噪算法具體實(shí)現(xiàn)方法為：

(1) 確定Contourlet分解的層次K，對(duì)含噪圖像進(jìn)行Contourlet變換，得到低頻系數(shù)a0和高頻系數(shù)d0, d1, …, dK?1。

(2) 在Contourlet變化域設(shè)定閾值對(duì)系數(shù)進(jìn)行處理，得到新的Contourlet系數(shù)。其中閾值設(shè)定為：

對(duì)于已經(jīng)預(yù)處理的膠片圖像，采用二值化的質(zhì)心計(jì)算方法完成質(zhì)心提取。設(shè)m×n維二值圖像(i, j)，其中目標(biāo)部分為A，背景部分為B。即：

取圖像中任一點(diǎn)作為質(zhì)心搜索過(guò)程中的初始點(diǎn)，也就是動(dòng)態(tài)質(zhì)心的初始點(diǎn)。搜索過(guò)程將由此點(diǎn)出發(fā)直到目標(biāo)質(zhì)心。令(K, L)表示動(dòng)態(tài)質(zhì)心，函數(shù)D(i-K,j-L)為圖像各點(diǎn)到(K, L)的歐氏距離：

D(K, L)表示圖像與模塊在動(dòng)態(tài)質(zhì)心(K, L)點(diǎn)的相關(guān)值。搜索質(zhì)心就是內(nèi)積H值沿某個(gè)軌跡迅速下降的極小化過(guò)程。當(dāng)搜索到達(dá)真實(shí)質(zhì)心時(shí)，H值達(dá)到最小。從式(4)可以看出，計(jì)算(K, L)點(diǎn)H值時(shí)，模板中心與(K, L)重合。計(jì)算(K, L) 8個(gè)鄰點(diǎn)的H值，其中最小的H值對(duì)應(yīng)的鄰點(diǎn)為下一個(gè)動(dòng)態(tài)質(zhì)心。

利用MATLAB 2012b編程，運(yùn)用形態(tài)學(xué)算法求膠片曝光黑斑的質(zhì)心，步驟如下：(1) 對(duì)圖像通過(guò)灰度化和反色后閾值選擇得到光斑特征區(qū)域；(2)基于Contourlet變換模糊去噪，消除熱噪聲以及像素不均勻產(chǎn)生的噪聲；(3) 再次進(jìn)行閾值選擇，得到更清晰的光斑區(qū)域；(4) 形態(tài)學(xué)處理，得到連通域的規(guī)則形狀圖形；(5) 采用二值化質(zhì)心計(jì)算方法提取光斑的質(zhì)心作為源的駐留位置，與源的預(yù)設(shè)駐留位置比較，從而得到源的駐留位置偏差。

2 結(jié)果

2.1 步進(jìn)長(zhǎng)度的檢測(cè)

放射源步進(jìn)長(zhǎng)度分別為40 mm、30 mm、20 mm、10 mm、5 mm、2.5 mm，連續(xù)步進(jìn)5個(gè)駐留位置得到192Ir源曝光的膠片見(jiàn)圖1。膠片掃描后用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法處理，得到的放射源位置圖像見(jiàn)圖2。由圖1和2，當(dāng)步進(jìn)長(zhǎng)度小于5 mm時(shí)，因黑斑黑度重迭，數(shù)字形態(tài)學(xué)算法不能分辨單個(gè)放射源的位置。

圖1 源步進(jìn)長(zhǎng)度的檢測(cè)(a) 曝光的膠片，(b) 計(jì)算的放射源位置Fig.1 Detection of source step length. (a) Exposed film, (b) Position of radiation source

每個(gè)步進(jìn)長(zhǎng)度設(shè)置連續(xù)5個(gè)駐留位置，5個(gè)駐留位置之間的4個(gè)步進(jìn)長(zhǎng)度的參考值和計(jì)算值的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法計(jì)算的192Ir源步進(jìn)長(zhǎng)度Table 1 Source step length calculated using mathematical morphology.

從表1可以看出，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法得到的源位置誤差在±0.2 mm以內(nèi)，準(zhǔn)確性比較好。

2.2 放射源位置誤差檢測(cè)的準(zhǔn)確性

設(shè)置了放射源位置誤差，曝光的膠片和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法得到的源質(zhì)心坐標(biāo)如圖2所示。第1組曝光黑斑為沒(méi)有誤差的參考192Ir源曝光位置，第2組和第3組曝光黑斑分別為人為設(shè)置了誤差的192Ir源曝光位置。

從表2可以看出，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法可以檢測(cè)到放射源的位置誤差小于±0.3 mm，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法可以自動(dòng)分析膠片影像的192Ir源位置準(zhǔn)確性。

圖2 源位置誤差的檢測(cè)(a) 膠片，(b) 源位置Fig.2 Detection of source position error. (a) Film, (b) Source position

表2 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法計(jì)算的192Ir源駐留位置誤差Table 2 Error of source dwell position calculated using mathematical morphology.

3 結(jié)語(yǔ)

近距離放射治療中放射源的位置和活度以及照射時(shí)間是影響吸收劑量分布的主要因素[9]。近距離治療的放射源緊貼靶區(qū)和人體組織，單次劑量較大，照射時(shí)間長(zhǎng)，需要嚴(yán)格的質(zhì)量保證與控制措施，確?；颊叩陌踩玔10?12]。放射源的位置準(zhǔn)確性是質(zhì)量保證的重要內(nèi)容，膠片曝光是放射源位置準(zhǔn)確性檢測(cè)最直接和準(zhǔn)確的方法，但利用直尺等工具的目測(cè)方法誤差較大。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法適用于處理192Ir放射源曝光的膠片，可以檢測(cè)放射源的位置偏差，誤差在±0.5 mm以內(nèi)，能滿足臨床需求，但放射源步進(jìn)的距離不能太小。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法分析膠片影像信息確定放射源的位置，方法簡(jiǎn)單易行和結(jié)果準(zhǔn)確，為近距離放射治療中放射源位置準(zhǔn)確性的驗(yàn)證提供了一種新方法。

1 曹振, 趙華立, 謝芹, 等.125I-103Pd復(fù)合近距離治療源劑量參數(shù)的蒙特卡羅確定[J]. 核技術(shù), 2013, 36(1): 010203

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2 中華人民共和國(guó)衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). WS 262-2006, 后裝γ源治療的患者防護(hù)與質(zhì)量控制檢測(cè)規(guī)范[S]. 北京: 人民衛(wèi)生出版社, 2007

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3 中華人民共和國(guó)國(guó)家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn). GBZ 121-2002, 后裝γ源近距離治療衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 人民衛(wèi)生出版社, 2002

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5 盧峰, 陳睿, 尚云英, 等. 免沖洗膠片法測(cè)量后裝機(jī)192Ir放射源到位精度及步進(jìn)距離精度[J]. 中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志, 2014, 34(7): 543?546

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6 單國(guó)平, 徐明清, 嚴(yán)英師. 后裝機(jī)192Ir放射源到位精度及劑量重復(fù)性測(cè)量[J]. 中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志, 2003, 23(3): 203

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CLC TL929

Detection of brachytherapy source dwell positions based on mathematical morphology

JIANG Lipeng1ZHANG Huaiwen2GU Shanshan3
1(Department of Radiation Oncology, First Hospital of Liaoning Medical University, Jinzhou 121001, China)
2(Department of Radiation Oncology, Jiangxi Cancer Hospital, Nanchang 330029, China)
3(Department of Radiation Oncology, Chinese People's Liberation Army General Hospital, Beijing 100853, China)

Background: Accuracy of brachytherapy source positions is an important part of radiotherapy quality assurance using two-dimension ion chamber array or film. It has already been confirmed that the mathematical morphology algorithm can be used for medical image processing. Purpose: This study aims to detect the dwell position of high-dose-rate brachytherapy source using EBT3film based on mathematical morphology. Methods: EBT3film was exposed for different step lengths of source and preset dwell position errors. The scanned digital images were denoised using contourlet transform. Black spots of192Ir source were obtained on the basis of threshold selection and morphological operation. The positions of source were acquired by means of binary centroid algorithm. The calculated source position coordinates were compared with the reference data. Results: The error of source step length was less than ±0.2 mm, while the error of source dwell position was within ±0.5 mm. Conclusion: Mathematical morphology can be used in automatic detection of brachytherapy source positions. This method is simple and reliable.

192Ir, Brachytherapy, Film, Mathematical morphology, Quality assurance

TL929

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060503

江西省衛(wèi)生廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.20141125)資助

姜立朋，男，1977年出生，2013年于承德醫(yī)學(xué)院獲碩士學(xué)位，研究方向?yàn)榉伟┑姆派渲委?/p>

谷珊珊，E-mail: guss1990@163.com

2015-03-17，

2015-05-05