李俊禹，吳昊，楊敬賢，李廷廷，于松茂，盧子紅，李瑋博，王美嬌，李晨光，張藝寶

1.北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所放療科/惡性腫瘤發(fā)病機(jī)制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100142；2.中國(guó)人民解放軍第302醫(yī)院，北京100039；3.德國(guó)亥姆霍茲慕尼黑研究中心-德國(guó)環(huán)境健康研究中心放射醫(yī)學(xué)所，德國(guó)Neuherberg 85764

前言

圖像引導(dǎo)是保證精確放療的重要方法之一［1-3］。由于軟組織分辨率高、等中心一致性好等優(yōu)點(diǎn)，機(jī)載千伏錐形束CT（kV-CBCT）是目前最常用的圖像引導(dǎo)技術(shù)［4-6］。隨著自適應(yīng)放療、劑量引導(dǎo)放療以及立體定向放療等新技術(shù)的逐步成熟［7-10］，kV-CBCT 的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，臨床對(duì)其影像質(zhì)量的需求也呈現(xiàn)精確化、多樣化等特點(diǎn)［11］，CBCT 影像質(zhì)量成為治療成敗關(guān)鍵環(huán)節(jié)［12］。

對(duì)于擁有多臺(tái)加速器的放療中心，為某一患者選定具體加速器的主觀隨意性很大，通常的決策依據(jù)包括加速器和操作者負(fù)荷、射線能量、最高劑量率、多葉準(zhǔn)直器性能、機(jī)架轉(zhuǎn)速和執(zhí)行效率等，但現(xiàn)行實(shí)踐中較少將圖像引導(dǎo)方面的特性納入整體考慮。與此相關(guān)的潛在問(wèn)題包括圖像質(zhì)量欠佳或不能滿(mǎn)足配準(zhǔn)精度、劑量重建等特殊要求。

為從圖像引導(dǎo)角度為特定患者或臨床目的選擇最佳治療設(shè)備提供數(shù)據(jù)支持，建立和測(cè)試相應(yīng)的圖像質(zhì)量質(zhì)控方法，本工作擬基于CatPhan604 模體（the Phantom Laboratory），在Varian 相同平臺(tái)的不同機(jī)器以及不同機(jī)型間進(jìn)行加速器機(jī)載kV-CBCT系統(tǒng)（On-Board-Imager,OBI）的圖像特征比較，分析不同掃描參數(shù)（頭部、胸部、盆部）的成像特點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 OBI系統(tǒng)和掃描參數(shù)

分別選取TrueBeam 平臺(tái)（Edge、TrueBeam 加速器各一臺(tái)）以及兩臺(tái)傳統(tǒng)CLINAC ix 平臺(tái)（按照OBI裝機(jī)時(shí)間，分別命名為ix 舊機(jī)器和ix 新機(jī)器，裝機(jī)時(shí)間分別為2009年和2016年）機(jī)載的共4 套OBI 系統(tǒng)進(jìn)行成像，4 臺(tái)設(shè)備OBI 系統(tǒng)均按時(shí)進(jìn)行保養(yǎng)質(zhì)控檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前均滿(mǎn)足Varian 機(jī)器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。表1展示了兩套系統(tǒng)選取的默認(rèn)掃描參數(shù)設(shè)置。TrueBeam 平臺(tái)的重建層厚和重建矩陣分別為2 mm 和512×512；ix平臺(tái)的重建層厚和重建矩陣分別為2.5 mm 和384×384。4 臺(tái)加速器頭部模式掃描軌跡均為200°，使用全扇形濾線器；胸部和盆部掃描軌跡均為360°，使用半扇形濾線器。TrueBeam 平臺(tái)的濾線器可根據(jù)掃描參數(shù)自動(dòng)切換，而ix系統(tǒng)則需要手工更換［13］。

表1 Varian TrueBeam 與CLINAC ix平臺(tái)加速器OBI預(yù)設(shè)掃描參數(shù)Tab.1 OBI preset scanning parameters of Varian TrueBeam and CLINAC ix platform accelerator

1.2 OBI圖像質(zhì)量評(píng)估

在治療室激光燈和水平尺輔助下，將CatPhan604 模體的標(biāo)記點(diǎn)置于加速器等中心位置后，分別利用各參數(shù)成像，并分析模塊和參數(shù)。各模塊結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

利用CTP732 模塊中第二分析截面測(cè)量CT 值準(zhǔn)確性和線性（圖1a）。參照GB 17598-2011《X 射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置質(zhì)量保證檢測(cè)規(guī)范》規(guī)定，CT值線性納入CT 設(shè)備檢測(cè)內(nèi)容，并使用CatPhan 模體進(jìn)行CT值線性檢測(cè)。線性衰減系數(shù)由查表得出的插棒物質(zhì)密度和相應(yīng)能量質(zhì)量衰減系數(shù)，通過(guò)式（1）算出，再代入式（2）算出參考CT 值，并與相同位置感興趣區(qū)內(nèi)測(cè)得的平均CT值進(jìn)行比較。

其中，ρ為密度插棒物質(zhì)密度；μm(E)為相應(yīng)能量密度插棒物質(zhì)質(zhì)量衰減系數(shù)；μ(E)為相應(yīng)能量密度插棒物質(zhì)的線性衰減系數(shù)；K為加權(quán)常數(shù)（K=1 000）；μw(E)為相應(yīng)能量水的線性衰減系數(shù)。

測(cè)量CTP732 模塊中第二分析截面圖像中兩個(gè)小圓孔中心距離及角度，評(píng)估其與已知參考值的差異，得到空間線性距離和角度準(zhǔn)確性。如圖1b所示，設(shè)定4 個(gè)小孔中心點(diǎn)順時(shí)針?lè)较蚍謩e為A、B、C、D點(diǎn)，參考值為AB=BC=CD=AD=50 mm，∠ABC=∠BCD=∠CAD=∠DAB=90°。

圖1 CatPhan604模體各模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of each module structure of CatPhan604 phantom

CTP732高對(duì)比度分辨率模塊，記錄每厘米能觀察到的最大線對(duì)數(shù)（Line Pair,LP）。其截面由呈圓形排列放射狀分布的鋁制線對(duì)在聚氨酯中澆筑而成，密度從1 LP/cm到15 LP/cm遞增，如圖1c所示。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為相鄰線對(duì)之間沒(méi)有黏連，每個(gè)線對(duì)不存在斷缺。

利用CTP730模塊第三截面評(píng)估低對(duì)比度分辨率，模塊包含3組標(biāo)稱(chēng)對(duì)比度分別為1.0%、0.5%和0.3%的插棒，每組插棒的直徑依次為：15、9、8、7、6、5、4、3 和2 mm，如圖1d所示。記錄能分辨的各對(duì)比度插棒最小直徑，計(jì)算不同對(duì)比度與直徑的乘積的平均值［14］。

利用均勻材料澆鑄的CTP729 模塊第四截面評(píng)估影像均勻性和噪聲，如圖1e 所示，評(píng)估測(cè)量CT 值與水的CT 值之間的差異。選取方形感興趣區(qū)（Region of Interest,ROI）大小為（20×20）mm2，分別位于截面中心和周邊相互垂直的4個(gè)位置（距離模塊邊緣2 cm 以減少邊界效應(yīng)）。整體均勻性由式（3）算出［15］。圖像噪聲的計(jì)算方法為相同截面中心位置（40×40）mm2ROI內(nèi)CT值的標(biāo)準(zhǔn)偏差［16］。

利用CTP732 模塊第二截面分析圖像信噪比（Signal-to-Noise Ratio,SNR）和對(duì)比度噪聲比（Contrast-to-Noise Ratio,CNR），SNR 和CNR 分別由式（4）和式（5）計(jì)算得出［17-18］：

2 結(jié)果

2.1 CT值和幾何精度測(cè)量結(jié)果

表2列出了4臺(tái)設(shè)備的CT值和幾何精度測(cè)量結(jié)果。其中，頭、胸、盆部CT 值最準(zhǔn)確的分別是ix 新機(jī)器、TrueBeam和Edge，數(shù)值為5.69、0.81和6.74 HU。CT線性擬合度頭、胸、盆部表現(xiàn)最佳的分別是ix舊機(jī)器或ix新機(jī)器、Edge和Edge，數(shù)值為0.995、0.996和0.997。4臺(tái)設(shè)備的線性距離誤差為0.050～0.400 mm，角度誤差為0.050°～0.150°。線性距離準(zhǔn)確性頭、胸、盆部最佳分別是ix舊機(jī)器、Edge、Edge或TrueBeam或ix舊機(jī)器，數(shù)值分別為0.050、0.075、0.100 mm，角度準(zhǔn)確性頭、胸、盆部最佳分別是ix舊機(jī)器、Edge或TrueBeam、Edge或ix新機(jī)器，數(shù)值分別0.075°、0.050°、0.075°。圖2展示了平均CT值與參考CT值關(guān)系圖。4臺(tái)設(shè)備盆部參數(shù)獲取的CT值線性均最佳。

表2 4臺(tái)Varian CBCT系統(tǒng)CT值和幾何精度Tab.2 CT number and geometric accuracy of 4 different Varian CBCT systems

圖2 平均CT值與參考CT值圖Fig.2 Diagrams of average CT number and reference CT number

2.2 影像質(zhì)量測(cè)量結(jié)果

表3列出了4 臺(tái)設(shè)備影像質(zhì)量測(cè)量結(jié)果。頭部在所有解剖部位中高對(duì)比度分辨率最高，Edge、TrueBeam、ix舊機(jī)器、ix新機(jī)器分別是6、6、7、6 LP/cm。頭、胸、盆部高對(duì)比度分辨率最佳設(shè)備分別為ix 舊機(jī)器、Edge、Edge，數(shù)值分別是7、5、5 LP/cm。不同部位低對(duì)比度分辨率從優(yōu)到劣排序依次為盆、胸、頭部。Edge 的頭部CBCT 掃描均勻性、噪聲、SNR、CNR 均最佳，數(shù)值分別是4.78、27.53、83.17、11.92。Edge 的胸部低對(duì)比度分辨率和均勻性也最佳，數(shù)值分別是6.00、20.19；TrueBeam 的胸部低對(duì)比度分辨率和SNR最佳，數(shù)值分別是6.00、124.39。Edge 盆部成像低對(duì)比度分辨率、均勻性最佳，數(shù)值分別是3.75、4.63；ix新機(jī)器的盆部圖像噪聲、CNR、SNR 最佳，數(shù)值分別是7.33、288.39、51.47。各設(shè)備頭、胸、盆部圖像噪聲平均值分別是28.67、16.51、10.62；SNR平均值分別是54.89、83.36、170.52；CNR平均值分別是11.40、30.12、37.18。

表3 4臺(tái)Varian CBCT系統(tǒng)成像質(zhì)量Tab.3 Quality of images obtained by 4 different Varian CBCT systems

3 討論與結(jié)論

不同平臺(tái)間、相同平臺(tái)的不同機(jī)器間以及相同機(jī)器的不同掃描參數(shù)間，CT 值的準(zhǔn)確性均存在較大差異。因此，對(duì)于需要基于CBCT圖像進(jìn)行劑量重建或自適應(yīng)放療，應(yīng)在放療計(jì)劃制定時(shí)首選CBCT圖像CT 值精度高的加速器和掃描模式，并將相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)納入常規(guī)質(zhì)控內(nèi)容。鑒于完全相同的機(jī)型之間也可能存在較大差異（如本研究中的ix 新舊機(jī)器），且新系統(tǒng)性能未必優(yōu)于老系統(tǒng)，CBCT 相關(guān)參數(shù)的實(shí)際值最好基于具體機(jī)器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，不宜直接采用文獻(xiàn)報(bào)道中的數(shù)據(jù)或廠家提供的默認(rèn)值。

CBCT 圖像CT 值準(zhǔn)確性及線性越好，基于修正后的CT 值進(jìn)行的劑量計(jì)算和重建就越準(zhǔn)確［19］。相比扇形束CT，因?yàn)樯⑸湓黾拥仍?，CBCT 的CT 值準(zhǔn)確性相對(duì)較差，但線性擬合度尚可（≥0.993）［20］。為了得到更準(zhǔn)確的劑量重建，通常先將CBCT圖像和計(jì)劃CT 圖像進(jìn)行彈性配準(zhǔn)，再基于后者進(jìn)行劑量計(jì)算。頭、胸、盆部CBCT圖像要求CT值精度最佳首選機(jī)型分別是ix新機(jī)器、Edge、Edge。

4臺(tái)設(shè)備CBCT所有掃描參數(shù)獲取圖像的幾何失真均較小，其中線性距離與真實(shí)值的差異好于0.400 mm，角度測(cè)量值與真實(shí)值的差異小于0.150°。線性距離和角度準(zhǔn)確性反映CBCT掃描和軟件重建后得到的圖像與被檢物體真實(shí)大小、形狀上的差異，決定圖像配準(zhǔn)、距離、角度、體積測(cè)量等精度。對(duì)于立體定向放療等對(duì)精度要求較高的技術(shù)，CBCT的幾何精度應(yīng)與加速器的其他機(jī)械和輻射精度一并納入質(zhì)控體系及整體決策。頭、胸、盆部CBCT圖像要求幾何精度最佳首選機(jī)型分別是ix舊機(jī)器、Edge、Edge。

由于200°旋轉(zhuǎn)掃描角度等原因，4臺(tái)設(shè)備頭部CBCT圖像的低對(duì)比度分辨率模塊均難以辨識(shí)，但對(duì)于高對(duì)比度分辨率模塊的識(shí)別均好于其他部位成像參數(shù)，低對(duì)比度分辨率和高對(duì)比度分辨率分別反映圖像對(duì)軟組織和骨骼等高CT值組織的分辨能力。該結(jié)果有利于頭顱等剛性較好且基于高對(duì)比度骨性標(biāo)志匹配的部位，但如果需要對(duì)顱內(nèi)微小病變進(jìn)行觀察和匹配，則需要調(diào)整成像參數(shù)（如使用360°旋轉(zhuǎn)成像、增加管電壓或曝光量等），以更高的輻射劑量換取更好的軟組織分辨率。相反，4臺(tái)設(shè)備所成胸部和盆部圖像對(duì)低對(duì)比度分辨率模塊的識(shí)別均較好，有利于對(duì)肺、食管、肝臟、子宮、膀胱、直腸、小腸等結(jié)構(gòu)復(fù)雜、位置多變的軟組織進(jìn)行辨認(rèn)和配準(zhǔn)。頭部CBCT掃描，4臺(tái)設(shè)備高對(duì)比度分辨率均可滿(mǎn)足骨性配準(zhǔn)要求，其中以ix舊機(jī)器最佳，頭部腫瘤對(duì)軟組織顯像最佳首選Edge。胸部骨轉(zhuǎn)移患者單純要對(duì)胸椎、腰椎或肋骨等胸部骨頭進(jìn)行放射治療時(shí)，使用骨配準(zhǔn)即可滿(mǎn)足要求，4臺(tái)設(shè)備首選Edge，胸部腫瘤對(duì)軟組織顯像最佳可選Edge或TrueBeam。盆部患者進(jìn)行CBCT掃描時(shí)，骨轉(zhuǎn)移患者單純對(duì)髂骨等盆部骨頭進(jìn)行放射治療時(shí)，4臺(tái)設(shè)備首選Edge；盆部腫瘤對(duì)軟組織顯像最佳可選Edge或ix新機(jī)器。

TrueBeam 平臺(tái)的兩臺(tái)加速器所成各部位CBCT圖像均勻性絕大部分優(yōu)于ix 平臺(tái)，尤其是Edge 的所有部位圖像均勻性均最好。CBCT 圖像噪聲與掃描條件中決定輻射劑量的管電壓、曝光量和掃描角度等關(guān)鍵因素負(fù)相關(guān)，導(dǎo)致相同機(jī)器的頭部掃描噪聲＞胸部掃描噪聲＞盆部掃描噪聲。基于相同的原因，盆部圖像的SNR 及CNR 也大幅高于頭部和胸部。其中SNR 反映信號(hào)受噪聲干擾的程度，比值越大信息傳遞越好；CNR 反映相鄰組織、結(jié)構(gòu)間信噪比的差異性，體現(xiàn)圖像對(duì)不同組織、結(jié)構(gòu)及病變的可辨認(rèn)性。

綜上所述，CBCT 的CT 值精度、幾何精度和圖像質(zhì)量的個(gè)體差異較大，機(jī)型和機(jī)齡并非Varian CBCT圖像質(zhì)量的唯一決定性因素，且高端機(jī)型和較新設(shè)備并不一定能夠獲得更好的圖像。因此，臨床應(yīng)將具體CBCT設(shè)備的測(cè)量和維護(hù)納入質(zhì)控范疇，并依此為患者和目的選擇合適的加速器。