宋恒利　鞠忠建　王金媛　鄭慶增　王小深　徐 偉　馮林春　王運(yùn)來*

MIM軟件CT圖像自動(dòng)剛性配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性研究*

宋恒利①鞠忠建②王金媛②鄭慶增③王小深②徐 偉②馮林春②王運(yùn)來②*

目的：驗(yàn)證分析放射治療應(yīng)用靶區(qū)勾畫軟件MIM的CT圖像自動(dòng)剛性配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。方法：利用西門子SOMATOM Definition AS CT掃描機(jī)對(duì)Penta-Guide模體進(jìn)行掃描，獲得的CT圖像作為參考圖像，再將模體相對(duì)于等中心沿左右、頭腳和前后3個(gè)方向移動(dòng)預(yù)定的距離，以及在冠狀面旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度再平移，分別進(jìn)行CT掃描；所獲得的CT圖像以DICOM格式傳輸至MIM 6.5.4系統(tǒng)，與參考圖像配準(zhǔn)，分析左右、頭腳和前后方向的平移配準(zhǔn)誤差以及冠狀面旋轉(zhuǎn)配準(zhǔn)誤差；選擇頭部腫瘤患者進(jìn)行患者CT圖像配準(zhǔn)的驗(yàn)證。結(jié)果：Penta-Guide模體在左右、頭腳和前后3個(gè)方向的配準(zhǔn)誤差均＜1 mm，冠狀面旋轉(zhuǎn)方向配準(zhǔn)誤差均＜0.5o。頭部疾病患者在左右、頭腳和前后3個(gè)方向的配準(zhǔn)誤差也＜1 mm。結(jié)論：MIM軟件CT圖像自動(dòng)剛性配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性好，操作簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于臨床。

MIM軟件；圖像配準(zhǔn)；Penta-Guide模體；剛性配準(zhǔn)；放射治療

［First-author's address］ Department of Radiation Oncology， Henan Cancer Hospital， Zhengzhou 450008， China.

在放射治療技術(shù)中，靶區(qū)和正常組織的準(zhǔn)確勾畫是保證靶區(qū)及正常組織照射劑量準(zhǔn)確性的前提條件。治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)主要依賴于模擬定位CT，CT圖像能提供解剖結(jié)構(gòu)信息，但軟組織分辨率低，難以準(zhǔn)確勾畫靶區(qū)邊界，需要將多種模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像與定位CT配準(zhǔn)融合，并結(jié)合各種醫(yī)學(xué)圖像的優(yōu)勢(shì)［1-2］。在放射治療過程中患者靶區(qū)體積可能發(fā)生變化，需要調(diào)整治療計(jì)劃，隨著患者生存期延長(zhǎng)，需要多次接受放射治療。此期間，需將分次獲得的CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)融合。MIM軟件是近期應(yīng)用于放射治療的軟件，能夠自動(dòng)勾畫重要組織、器官和多模態(tài)圖像配準(zhǔn)融合，提高靶區(qū)勾畫的效率。MIM軟件圖像配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性需要進(jìn)行驗(yàn)證，但目前尚未見相關(guān)報(bào)道［3-4］。本研究利用Penta-Guide模體進(jìn)行CT掃描配準(zhǔn)，驗(yàn)證MIM 6.5.4軟件自動(dòng)剛性配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。

1　材料與方法

1.1MIM 6.5.4軟件

MIM 6.5.4軟件（美國(guó)MIM software公司）是應(yīng)用于放射治療的靶區(qū)勾畫軟件。用于單光子發(fā)射型電子計(jì)算機(jī)斷層掃描儀（single-photon emission computed tomography，SPECT）、正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)（positron-emission tomography，PET）、X線計(jì)算機(jī)斷層成像（X-ray computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、X射線和超聲等診斷影像的閱片、配準(zhǔn)、融合和（或）顯示。醫(yī)生可手動(dòng)創(chuàng)建、轉(zhuǎn)換和修改勾畫；通過導(dǎo)入勾畫好的患者信息，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，基于數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)勾畫患者正常器官；多模態(tài)圖像的自動(dòng)配準(zhǔn)融合；基于圖像配準(zhǔn)融合的劑量疊加。MIM 6.5.4軟件能夠接收并讀取多種計(jì)劃系統(tǒng)的圖像，勾畫、劑量分布以及劑量-體積直方圖（dose volume histogram，DVH）等信息，對(duì)于放射治療中多種計(jì)劃系統(tǒng)具有很好的兼容性。MIM 6.5.4軟件提供基于標(biāo)記點(diǎn)和基于區(qū)域等多種配準(zhǔn)方法，可融合任意數(shù)量的不同模態(tài)的圖像，包括CT、MRI、PET、SPECT及錐形束計(jì)算機(jī)斷層攝影（conebeam computed tomography，CBCT）等，其自動(dòng)剛性配準(zhǔn)基于最大互信息算法，融合速度快，并可輕松手動(dòng)調(diào)整。

1.2Penta-Guide模體

Penta-Guide模體（加拿大Quasar公司）是放射治療中最常用的模體，主要用于二維和（或）三維影像配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性驗(yàn)證、燈光野與照射野的一致性驗(yàn)證、治療床的位移驗(yàn)證以及影像系統(tǒng)和加速器的質(zhì)量控制［5］。Penta-Guide模體由丙烯酸樹脂材料制成，為16 cm×16 cm的正方體，內(nèi)有5個(gè)大小不同的球形空氣腔，通過CT掃描可顯示相應(yīng)的影像，作為圖像配準(zhǔn)的參考標(biāo)記［6］。模體表面有長(zhǎng)短2套十字線，長(zhǎng)十字線位于模體的幾何中心，短十字線與長(zhǎng)十字線的距離分別為左右方向10 mm，頭腳方向14 mm，前后方向12 mm，可以作為定位移動(dòng)誤差（如圖1所示）。

圖1　Penta-Guide模體示圖

1.3模體圖像配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性方法

（1）將Penta-Guide模體按照表面標(biāo)注的左右、頭腳和前后3個(gè)方向擺放至CT床上，利用模體自帶的水平儀調(diào)整模體水平，CT掃描激光燈對(duì)準(zhǔn)Penta-Guide模體的長(zhǎng)十字刻度線，進(jìn)行CT掃描。掃描參數(shù)：頭部掃描模式，電壓120 kV，有效電流300 mAs，層厚3 mm，重建算法Medium smooth。CT圖像作為圖像配準(zhǔn)的參考圖像。

（2）將模體沿左右、頭腳和前后單獨(dú)方向平移2 mm、3 mm、5 mm、10 mm和20 mm，分別獲取存在位置偏差的CT圖像，以研究圖像在單個(gè)方向平移配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性；再將模體在左右、頭腳和前后3個(gè)方向同時(shí)分別平移2 mm、3 mm、5 mm、10 mm和20 mm距離，獲取CT圖像，用于評(píng)價(jià)圖像在沿左右、頭腳和前后3個(gè)方向同時(shí)存在平移誤差的配準(zhǔn)準(zhǔn)確性。為了驗(yàn)證平移和旋轉(zhuǎn)角度同時(shí)存在誤差時(shí)圖像配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，將模體在左右、頭腳和前后3個(gè)方向同時(shí)平移5 mm并在冠狀面方向分別旋轉(zhuǎn)2o、3o和5o時(shí)獲取CT圖像。

（3）CT圖像采集完成后，均通過DICOM格式傳輸至MIM 6.5.4軟件系統(tǒng)。采用剛性配準(zhǔn)對(duì)存在位置偏差的CT圖像和參考CT圖像進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)。配準(zhǔn)完成后，點(diǎn)擊“Edit Translation”功能鍵讀取浮動(dòng)圖像的移動(dòng)距離和“Edit Rotation”功能鍵讀取旋轉(zhuǎn)角度。記錄數(shù)據(jù)并與已知平移距離和冠狀面方向旋轉(zhuǎn)角度比較，得到配準(zhǔn)誤差。

1.4圖像配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性方法

標(biāo)準(zhǔn)配送式變電站采用面向間隔與功能的模塊化設(shè)計(jì)原則，形成“預(yù)制艙式二次組合設(shè)備+預(yù)制式組合二次設(shè)備+預(yù)制式智能控制柜”的模塊化設(shè)計(jì)方案[1]。標(biāo)準(zhǔn)配送式變電站站內(nèi)二次設(shè)備模塊主要包括預(yù)制艙式二次組合設(shè)備、預(yù)制式智能控制柜、預(yù)制式組合二次設(shè)備，其中公用二次設(shè)備采用模塊化二次組合設(shè)備，布置于裝配式建筑物內(nèi)；各電壓等級(jí)及主變間隔二次設(shè)備采用預(yù)制艙式二次組合設(shè)備，布置于配電裝置場(chǎng)地；合并單元、智能終端等二次設(shè)備選用預(yù)制式智能控制柜，與匯控柜一體化布置于配電裝置場(chǎng)地[2]。

頭部腫瘤患者骨性標(biāo)志明顯，形變小，適合進(jìn)行自動(dòng)剛性配準(zhǔn)。本研究選取實(shí)際治療的1例頭部腫瘤患者（獲得患者知情同意），取仰臥位，雙手置于體側(cè)并用熱塑面膜固定，移動(dòng)治療床使患者面膜上的3個(gè)十字線與激光線重合，掃描獲得的CT圖像作為參考CT圖像。同時(shí)，沿患者左右、頭腳和前后3個(gè)方向分別移動(dòng)5 mm、10 mm及5 mm，再次進(jìn)行CT掃描，獲取患者CT圖像。將兩套CT圖像通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)組IM 6.5.4軟件系統(tǒng)，進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，并比較配準(zhǔn)位置移動(dòng)誤差。

2　結(jié)果

2.1Penta-Guide模體的CT圖像配準(zhǔn)

（1）模體配準(zhǔn)前圖像。Penta-Guide模體在左右、頭腳和前后方向同時(shí)偏移5 mm掃描得到的CT圖像與參考CT圖像的配準(zhǔn)，以模體內(nèi)的空氣氣腔及邊界是否重合作為判斷依據(jù)，配準(zhǔn)前矢狀面、冠狀面和橫斷面圖像中空氣氣腔均不重合，如圖2所示。

圖2　Penta-Guide模體配準(zhǔn)前圖像

（2）模體配準(zhǔn)后圖像。模體內(nèi)氣腔完全重合且模體邊緣清晰可見，圖中灰色區(qū)域?yàn)楦?dòng)CT圖像，如圖3所示。

圖3　Penta-Guide模體配準(zhǔn)后圖像

2.2模體沿一個(gè)方向平移的配準(zhǔn)誤差

Penta-Guide模體沿左右、頭腳和前后單個(gè)方向存在平移誤差的配準(zhǔn)，其中前后和左右方向的配準(zhǔn)誤差較??；頭腳方向配準(zhǔn)誤差稍大，主要由于CT圖像層厚的影響。左右、頭腳和前后方向的配準(zhǔn)誤差為隨機(jī)，且與參考位置之間的位置偏差大小無關(guān)。移動(dòng)距離為20 mm的模體大失配條件下，MIM 6.5.4軟件也能準(zhǔn)確給出結(jié)果，其結(jié)果如圖4所示。

2.3模體沿三個(gè)方向同時(shí)平移的配準(zhǔn)誤差

圖4　模體沿一個(gè)方向平移時(shí)的配準(zhǔn)誤差示圖

圖5　模體沿三個(gè)方向同時(shí)平移時(shí)的配準(zhǔn)誤差示圖

2.4模體平移加旋轉(zhuǎn)的配準(zhǔn)誤差

Penta-guide模體平移加旋轉(zhuǎn)的配準(zhǔn)，其中平移時(shí)的最小誤差出現(xiàn)在左右方向，為0.1 mm；最大誤差出現(xiàn)在頭腳方向，為0.5 mm。左右、頭腳和前后方向平均誤差分別為0.3 mm、0.4 mm及0.3 mm。冠狀面方向旋轉(zhuǎn)角度配準(zhǔn)的最小誤差為0，最大誤差為0.5o。旋轉(zhuǎn)角度配準(zhǔn)誤差與Penta-Guide模體實(shí)際的旋轉(zhuǎn)角度大小無關(guān)。結(jié)果表明，模體同時(shí)存在平移和旋轉(zhuǎn)偏差，MIM 6.5.4軟件也能給出準(zhǔn)確的結(jié)果，其結(jié)果見表1。

表1　模體平移+冠狀面旋轉(zhuǎn)配準(zhǔn)誤差

2.5頭頸部疾病患者的配準(zhǔn)誤差

（1）患者配準(zhǔn)前圖像。配準(zhǔn)前頭頸部疾病患者的CT圖像冠狀面、橫斷面及矢狀面CT圖像中顱骨和脊柱等骨性標(biāo)志明顯存在偏差（紅色為浮動(dòng)CT圖像），如圖6所示。

圖6　頭頸部腫瘤患者配準(zhǔn)前圖像

（2）患者配準(zhǔn)后圖像。配準(zhǔn)后頭頸部疾病患者的CT圖像顱骨和脊柱等骨性標(biāo)志重合得很好。本例患者在左右、頭腳方向及前后方向的配準(zhǔn)誤差分別為0.6 mm、0.7 mm和0.3 mm。頭頸部腫瘤患者的配準(zhǔn)結(jié)果非常好（紅色為浮動(dòng)CT圖像），如圖7所示。

圖7　頭頸部腫瘤患者配準(zhǔn)后圖像

3　討論

放射治療的基礎(chǔ)是確定腫瘤的位置及邊界以及腫瘤與周圍正常組織和器官的空間解剖學(xué)關(guān)系。CT對(duì)軟組織分辨率差，很難僅通過CT圖像精確判斷腫瘤的邊界，需要利用圖像配準(zhǔn)融合技術(shù)將增強(qiáng)CT圖像、MRI圖像及PET圖像等多模態(tài)圖像與定位CT相結(jié)合，方可提供更豐富、全面的解剖結(jié)構(gòu)信息，有助于減少靶區(qū)外放邊界，在提高靶區(qū)受照射劑量的同時(shí)，降低正常組織的不良反應(yīng)［7-12］。圖像配準(zhǔn)是圖像融合的基礎(chǔ)，配準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響圖像融合的質(zhì)量，故圖像配準(zhǔn)技術(shù)可用于評(píng)估和跟蹤腫瘤的放射治療效果。

圖像配準(zhǔn)的目的是建立兩幅圖像的像元之間相對(duì)應(yīng)關(guān)系，使其幾何關(guān)系達(dá)到匹配，從而去除或抑制待配準(zhǔn)圖像和參考圖像之間幾何上的差異。最大互信息的計(jì)算涉及大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，其配準(zhǔn)過程復(fù)雜費(fèi)時(shí)。此外，離散誤差可能使目標(biāo)函數(shù)產(chǎn)生局部極值，產(chǎn)生錯(cuò)誤的配準(zhǔn)結(jié)果；同時(shí)對(duì)縮放旋轉(zhuǎn)及扭曲等較敏感，若待配準(zhǔn)圖像之間存在大比例變化、旋轉(zhuǎn)和平移，或存在較大的圖像非線性畸變以及嚴(yán)重的幾何校正殘余誤差等情況，其配準(zhǔn)難度增大，甚至無法完成配準(zhǔn)。因此，圖像配準(zhǔn)需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量保證與質(zhì)量控制。

快速和精確的融合功能對(duì)于獲取不同檢查間相關(guān)信息至關(guān)重要。目前，多數(shù)計(jì)劃系統(tǒng)均可提供圖像配準(zhǔn)融合功能，但配準(zhǔn)精度較差，并需醫(yī)生手動(dòng)配準(zhǔn)，不但耗時(shí)，且存在一定的主觀性。MIM 6.5.4軟件可定制臨床閱片工作流程，由軟件自動(dòng)運(yùn)行系列動(dòng)作組合，提供自動(dòng)、可重復(fù)使用的圖像分析手段；可完成任意數(shù)量檢查的自動(dòng)配準(zhǔn)、多布局無縫切換、色度表變更以及屏幕截取等操作，是放射治療靶區(qū)和器官勾畫的有效工具。MIM 6.5.4軟件自動(dòng)剛性配準(zhǔn)對(duì)于頭頸部腫瘤患者圖像配準(zhǔn)效果較好，而對(duì)于形變較明顯的胸腹部圖像MIM 6.5.4軟件的自動(dòng)剛性配準(zhǔn)結(jié)果則較差，需要應(yīng)用形變配準(zhǔn)和手動(dòng)配準(zhǔn)。本研究對(duì)不同分次時(shí)間獲取的CT圖像進(jìn)行CT與CT單模態(tài)配準(zhǔn)驗(yàn)證，在自適應(yīng)放射治療以及療效評(píng)估方面具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。其他多模態(tài)圖像配準(zhǔn)以及形變配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性將做進(jìn)一步研究。

Penta-Guide模體以及頭頸部腫瘤患者病例的研究結(jié)果表明，MIM軟件剛性配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性高，完全能夠滿足放射治療對(duì)位置準(zhǔn)確性的要求，并可應(yīng)用于臨床。

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Accuracy verification of automatic rigid registration of CT images with the MIM software

/SONG Heng-li， JU Zhong-jian， WANG Jin-yuan， et al//
China Medical Equipment，2016，13（8）：17-20.

Objective： To verify the accuracy of automatic rigid medical image registration with MIM 6.5.4 software newly used in radiotherapy. Methods： The Penta-Guide phantom was placed at isocenter and scanned with Siemens Definition AS CT scanner. CT images were obtained as reference images. Then the phantom was translated several given distances in lateral， longitudinal and vertical direction， and in three directions simultaneously， also with a translational and a rotational movement. All the CT images were transferred to MIM 6.5.4 system via DICOM. Translational and rotational errors were acquired by registering the floating images with the reference image. Patients with brain tumors were selected to perform patient-specific verification. Results： The Penta-Guide phantom registration data showed that the translational errors were less than 1 mm in lateral， longitudinal or vertical directions， and the rotational errors in coronal plane were less than 0.5 degree. Registration errors for patients with brain tumor were less than 1 mm. Conclusion： Automatic rigid medical image registration using MIM software is accurate and can be safely used in clinical.

MIM software； Image registration； Penta-Guide phantom； Rigid registration； Radiotherapy

1672-8270（2016）08-0017-04 ［中圖分類號(hào)］R812

A

宋恒利，女，（1991- ），碩士。河南省腫瘤醫(yī)院放療科，研究方向：輻射計(jì)量學(xué)。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.005

解放軍總醫(yī)院轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)基金（105059）“新型追蹤標(biāo)記物在立體定向放療中的研發(fā)與應(yīng)用”

①河南省腫瘤醫(yī)院放療科 河南 鄭州 450008

②解放軍總醫(yī)院放療科 北京 100853

③武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢 430072

nanyangwang@163.com

2016-03-21