胡咪，胡逸民，全紅

1.武漢大學(xué)物理與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430000；2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院放療科，北京 100021

前言

X 射線三維適形（Three-Dimension Conformal Radiotherapy, 3DCRT）和調(diào)強適形（Intensity-Modulated Radiotherapy,IMRT）技術(shù)已成為現(xiàn)代放療的基本技術(shù)。 圖像引導(dǎo)放療（Image-Guided Radiotherapy, IGRT）是保證3DCRT 和IMRT 得以精確執(zhí)行的一種必要技術(shù)；在執(zhí)行（體部）立體定向放療（Stereotactic (Body) Radiotherapy, SRT/SBRT）中，實施IGRT 尤為重要［1-4］。自1995年以來，通過千伏（kV）和兆伏（MV）成像引導(dǎo)常規(guī)直線加速器的技術(shù)已廣泛應(yīng)用于臨床放療［5］。目前實現(xiàn)IGRT的擺位時刻及實時圖像引導(dǎo)方式主要有：（1）皮膚標(biāo)記-3D 激光燈近紅外跟隨技術(shù)；（2）體內(nèi)標(biāo)記加kV-X 射線；（3）體內(nèi)標(biāo)記加MV-X射線；（4）超聲；（5）CT/MRI/PET實現(xiàn)擺位時刻引導(dǎo)等，其中技術(shù)（1）～（3），特別是技術(shù)（1）和（2）目前最為常用。

瓦里安、醫(yī)科達公司等利用單束隨治療機架轉(zhuǎn)動的kV-X 線束實現(xiàn)擺位時刻驗證，稱為CBCT 技術(shù)［6-7］。將X 射線球管安裝在治療加速器機架上，利用機架旋轉(zhuǎn)到不同兩個角度，獲取金屬標(biāo)記點的位置（圖1a），從而實現(xiàn)擺位時刻的位置引導(dǎo)；目前CBCT 技術(shù)已成為加速器生產(chǎn)廠家的標(biāo)準配置。利用kV-X 線跟蹤體內(nèi)金屬標(biāo)記時，需要機架轉(zhuǎn)動角度才能獲得體內(nèi)金屬標(biāo)記物的位置（即腫瘤位置），而在kV-X線獲取金標(biāo)記影像時，不能進行照射，故該技術(shù)只能實現(xiàn)治療擺位時刻的圖像引導(dǎo)。中國深圳科瑞特公司最早使用雙束交角MV-X 線，以及安科瑞和博依萊公司最早使用雙束交角kV-X線實現(xiàn)金球標(biāo)記下的IGRT［8--10］。該技術(shù)需要雙X 線球管交角布置，kV-X 線裝置（包括球管和影像平板）與加速器分開安裝，具有一定的局限性［11-12］。實時跟蹤系統(tǒng)與加速器治療系統(tǒng)的坐標(biāo)系是分開的，兩者等中心的一致性需要頻繁校準，且不能靈活調(diào)整成像方向，故有可能被六維移動的機械治療臂或治療床遮擋成像視野，但兩個交角布置的球管可以實現(xiàn)實時圖像引導(dǎo)。還有一些其他的創(chuàng)新，包括光學(xué)表面掃描儀Catalyst HD（C-RAD AB）、超聲引導(dǎo)［13］、MV 錐形束計算機斷層成像（MV-CBCT)、計算機斷層成像（CT）、磁共振成像（MRI）［14-15］和正電子發(fā)射斷層成像（PET）等。

本研究利用雙靶點X 射線球管產(chǎn)生的平行雙錐束X射線，通過一次成像獲得靶區(qū)內(nèi)金標(biāo)記的一組對應(yīng)的2D 投影坐標(biāo)（圖1b），對此投影坐標(biāo)進行反向重建就可以得到金標(biāo)記在靶區(qū)（腫瘤內(nèi)）的位置。安裝在治療機架上的這種雙靶球管可以與治療加速器的出束照射同步進行，可實現(xiàn)金標(biāo)記的實時追蹤。該球管的兩個陽極靶之間的距離必須保證同一金標(biāo)記在探測器上的兩個投影位置都能被識別。本研究對此靶間距進行探究，并提出此靶間距下雙靶成像的金標(biāo)記投影實時快速檢測算法。

圖1 現(xiàn)行CBCT（a）與采取本球管的CBCT（b）讀取金標(biāo)記點投影示意圖Figure 1 Schematic diagrams of obtainingthe projections of the gold markers using the current CBCT(a)or double-anode-target X-ray(b)

1 材料與方法

1.1 雙靶點X線球管

圖2a 為本研究使用的一種新型的雙靶面陽極X射線球管的結(jié)構(gòu)示意圖，包括陰極部分和陽極部分，陽極部分設(shè)有旋轉(zhuǎn)陽極體，旋轉(zhuǎn)陽極體的端面為朝向陰極部分外凸的圓弧面，在端面上的距旋轉(zhuǎn)軸線一定距離處圍繞旋轉(zhuǎn)軸線的環(huán)形區(qū)域上鍍覆靶面材料形成環(huán)形的靶面。如圖2b 所示，在該環(huán)形的靶面上沿圓周方向等間距形成多個相同的沿旋轉(zhuǎn)軸線方向的盲孔，在環(huán)形的靶面上的未開盲孔區(qū)域形成多個相同的第一陽極靶面；每個盲孔的底部形成圓環(huán)鏈形的第二陽極靶面，第一陽極靶面和第二陽極靶面的數(shù)量相同且面積、直徑相等，距離陽極體旋轉(zhuǎn)軸線的距離相等，并且彼此之間等距離地交替設(shè)置［16］。當(dāng)陽極體旋轉(zhuǎn)時，由陰極部分發(fā)射的電子輪流轟擊第一陽極靶面和第二陽極靶面，產(chǎn)生平行雙錐形X射線束。如圖2c、圖1b所示，利用該雙靶球管產(chǎn)生雙束平行的錐形束，在對側(cè)平板上同時出現(xiàn)同一金標(biāo)記（球）的兩個投影，反向重建得到金標(biāo)記（球）在體內(nèi)的位置。

圖2 雙靶面陽極X射線球管結(jié)構(gòu)圖（a,b）及其產(chǎn)生的平行雙束錐束X射線（c）Figure 2 Structure diagrams of double-anode-target X-ray tube(a,b)and the produced parallel double cone-beam X-ray(c)

1.2 實驗設(shè)計

本研究實驗設(shè)計見圖3。將一組3個直徑為3 mm的金球標(biāo)記隨機預(yù)埋到Alderson Rando 模體的盆腔部位模體內(nèi)，金球標(biāo)記的位置限制在模體中心周圍10 cm×10 cm×10 cm 的虛擬立方體內(nèi)。將模體放置在醫(yī)科達Synergy 醫(yī)用直線加速器治療床（PPS）的床面上，需大致將模體擺位在使金標(biāo)記位于等中心點周圍的位置，通過深度千分尺沿床板縱向微移特定間隔使其位于對稱位置，并進行3D-CBCT掃描，測量出3 枚金標(biāo)記在模體中的實際位置（3D 坐標(biāo)），記錄為參考坐標(biāo)值Pref。將加速器機架角度設(shè)置為270°，對模體進行kV-X 線的零度投影成像，出束獲得一幀模體零度錐形束投影圖像在距離等中心點40 cm 的探測器平板上。之后沿床面水平軸線以特定間隔微移模體，獲得第二幀模體投影圖像在相同的探測器平板上。本實驗中預(yù)設(shè)間隔為距離等中心點2～12 mm的等差對稱位移，每個對稱位置的兩次曝光為一組實驗，進行11組等間距對稱位移共計22次實驗，將對側(cè)非晶硅平板上一組兩次曝光的金球標(biāo)記投影圖像相疊加，用自建的軟件對金標(biāo)記投影坐標(biāo)進行識別與分析。若識別成功，記錄此時模體的間距，并從這些能認別的間距中找到最小間距值，即為雙靶X線球管的最短雙靶間距。然后利用本算法反向投影重建，得到金標(biāo)記在模體中的實際位置（3D坐標(biāo)），并與參考3D 坐標(biāo)值（Pref）進行比較，通過計算每組的坐標(biāo)值與參考坐標(biāo)值的偏差來估計算法的精確度。為避免引進額外的模體微移誤差，使用精度為±3 μm 的深度千分尺（型號為128-104，蘇州量子儀器有限公司）控制模體移動。X 射線源（靶）到模體中心距離為100 cm，到非晶硅平板距離為140 cm。

圖3 實驗布置Figure 3 Arrangement of the experiment

1.3 金標(biāo)記投影2D坐標(biāo)檢測

多位作者已建立了讀取kV級X線檢測金標(biāo)記投影成像2D 坐標(biāo)的算法，精確度高且重建時間短［17-23］。本研究將采取類似此種金標(biāo)記2D投影坐標(biāo)檢測的方法，利用醫(yī)科達Synergy 加速器上的CBCT 對植入金標(biāo)記的模體進行kV-X 線零機架角度投影成像，之后采用如下步驟和算法從投影圖像中提取金標(biāo)記2D投影坐標(biāo)（圖4）［24］：（1）依據(jù)金標(biāo)記在圖像上的大致位置對原始圖像進行剪裁，突出帶有金標(biāo)記投影的圖像。（2）對圖像進行高斯平滑，因原始投影圖像中伴有噪聲，包括多葉準直器的邊、床板的柵欄以及骨骼等，消去帶有明顯不連續(xù)的假信號；然后再利用拉普拉斯算子對圖像進行銳化，強化突出金標(biāo)記投影點位置。（3）將平滑圖與銳化圖相疊加，獲得最終LoG處理圖像。（4）通過在灰度值圖上設(shè)置合適的閾值將候選金標(biāo)記點坐標(biāo)從背景噪聲中提取出來，并對候選金標(biāo)記點進行圓曲率篩選，得到最終的金標(biāo)記點投影2D坐標(biāo)。

圖4 金標(biāo)記2D投影坐標(biāo)讀取Figure 4 Readout of the 2D projected coordinates of gold markers

1.4 金標(biāo)記3D位置坐標(biāo)重建

通過上述方法從投影圖像提取出金標(biāo)記的投影2D 坐標(biāo)之后，將采集到的所有金標(biāo)記2D 坐標(biāo)反向投影到模擬的雙靶點，讀出這些反向投影線所有可能的交點值，對交點值進行適當(dāng)?shù)暮Y選就可以得到金標(biāo)記在模體中的3D坐標(biāo)（圖5）。

圖5 金標(biāo)記3D坐標(biāo)系Figure 5 Golden marker 3D coordinate system

對靶區(qū)內(nèi)金標(biāo)記進行成像獲得金標(biāo)記的11組22幅對稱位置投影圖像，首先將組內(nèi)對稱位置的圖像相疊加，利用上述方法提取到每幅疊加圖像中金標(biāo)記的6個2D坐標(biāo)（x,y）之后，將每個金標(biāo)記投影點2D坐標(biāo)對應(yīng)到金標(biāo)記3D 坐標(biāo)系當(dāng)中P1～6（x1～6,y1～6,z1～6）（因投影圖像均在成像探測器平面，故z為探測器距原點中心的距離，本實驗為140 cm）。在此3D 坐標(biāo)系中，已知雙靶面放射源前靶點坐標(biāo)S1（xs1,ys1,zs1）及后靶點坐標(biāo)S2（xs2,ys2,zs2）（設(shè)雙靶點距離n從2～12 mm 等間距增加，則xs1、xs2分別為，ys1、ys2均為0，zs1、zs2為放射源到等中心的距離，本實驗為100 cm）。任取金標(biāo)記兩個投影3D 坐標(biāo)P1(x1,y1,z1)，P2(x2,y2,z2)，用向量代數(shù)的方法求此兩投影點與雙靶面兩放射源靶點對應(yīng)連線是否存在交點。

兩個投影點與兩個放射源靶點相對應(yīng)的連線參數(shù)方程分別為：

當(dāng)這兩個金標(biāo)記投影點對應(yīng)的是同一個金標(biāo)記時，則這兩條射線參數(shù)方程存在交點，意味著有ω1、ω2使得L1=L2。

找到ω使得：

則金標(biāo)記的3D坐標(biāo)為:

若Sinters存在，則為一個金標(biāo)記的3D坐標(biāo)；若不存在，則換下一組金標(biāo)記投影2D坐標(biāo)，如此循環(huán)直至找到全部3 個金標(biāo)記的3D 坐標(biāo)。這種只需要金標(biāo)記的兩個投影點的2D 坐標(biāo)就可以重建出該金標(biāo)記3D 坐標(biāo)的算法結(jié)合一次照射即獲得兩幅投影圖像的雙靶點X線球管可以實現(xiàn)實時成像。

金標(biāo)記3D 坐標(biāo)的重建流程見圖6，將提取到的3個金標(biāo)記投影點2D坐標(biāo)寫入P1～P6，不斷交叉計算與S1、S2是否存在交點。

圖6 坐標(biāo)重建流程圖Figure 6 Flowchart of coordinates reconstruction

2 結(jié)果

本實驗提取的2D 坐標(biāo)結(jié)果見圖7。當(dāng)?shù)戎行狞c到射線源距離為100 cm 且到探測器的距離為40 cm，金標(biāo)記位于2～7 mm 的間距時，金標(biāo)記間的投影相互交疊，不能成功被檢測到；僅當(dāng)金標(biāo)記間距大于等于8 mm 時，金標(biāo)記的位置才能被準確地檢測提取到。本實驗中，3 枚金標(biāo)記的2D 投影坐標(biāo)的讀取誤差為（±0.176、±0.140）mm。應(yīng)用本算法反投影出的金標(biāo)記3D 坐標(biāo)的結(jié)果見表1 和圖8。圖8 的坐標(biāo)依次為頭腳、左右和前后方向，提取結(jié)果總體非常穩(wěn)定。

圖7 金標(biāo)記的2D坐標(biāo)提取結(jié)果Figure 7 Extracted 2D coordinates of gold markers

表1 3D金點坐標(biāo)重建結(jié)果Table 1 Reconstructed 3D coordinates of golden markers

圖8 金標(biāo)記的3D坐標(biāo)提取結(jié)果Figure 8 Extracted 3D coordinates of golden markers

當(dāng)金標(biāo)記間距為8 mm 及以上時，3 枚預(yù)埋入模體的金標(biāo)記重建3D 坐標(biāo)誤差見圖9。三維坐標(biāo)重建誤差為（±0.242、±0.392、±1.036）mm。

圖9 3D坐標(biāo)重建誤差Figure 9 Deviations of 3D coordinates reconstruction

由于雙靶點X線球管暫無產(chǎn)品，無法真正應(yīng)用于本實驗中，因此本實驗是以加速器室內(nèi)激光燈比對深度千分尺手動推進平移模體，使其位于對稱位置的方法來等效模擬實現(xiàn)雙靶點X 線球管成像。激光燈束本身有一定的大小，實驗觀測者的判斷和估計讀數(shù)上的變動性等會出現(xiàn)一系列的隨機誤差。為評估誤差，同一觀測者對打入一個金標(biāo)記的模體重復(fù)進行3 次手動推進平移特定距離，并在Synergy 加速器上施行3D-CBCT 確定模體中金標(biāo)記的實際3D 坐標(biāo)（xi,yi,zi），與金標(biāo)記3 個坐標(biāo)的平均值作為坐標(biāo)的理想值3D 坐標(biāo)（u,v,w）代入公式來計算實驗的精確度［25］。

其中，n為平移的次數(shù)，本實驗中為3。

y、z方向準確度、精度與x方向?qū)?yīng)參數(shù)計算公式相同。得到各個方向準確度為（0.203, 0.097,0.233）mm，精度為（±0.084,±0.084,±0.067）mm。獲得的金標(biāo)記3 個坐標(biāo)的平均值作為坐標(biāo)的理想值即真值，計算得到金標(biāo)記坐標(biāo)的誤差棒見圖10。

圖10 3次平移金標(biāo)記坐標(biāo)誤差棒Figure 10 Error bars after triple translations of golden markers

3 結(jié)論

本實驗共用了3枚金標(biāo)記，從它們成像之后得到的kV-X 射線零度投影圖像中提取到的2D 坐標(biāo)值較為穩(wěn)定，當(dāng)金標(biāo)記處于合理間距的對稱位置時，2D坐標(biāo)投影值易被讀出（圖7）。如圖8 中3D 坐標(biāo)的重建值所示，坐標(biāo)讀取重建的重復(fù)性較好。將3D 坐標(biāo)的重建值與標(biāo)準值進行比對，兩者誤差計算結(jié)果如圖9所示，顯然，總體上可以獲得較好的3D 坐標(biāo)重建精度，在實驗中所使用個人電腦的配置為i5-4210U 的CPU，從獲取金標(biāo)記2D坐標(biāo)到重建金標(biāo)記空間3D坐標(biāo)只需要毫秒級別的處理時間。

同時，本實驗發(fā)現(xiàn)2D坐標(biāo)的微小位移會對3D坐標(biāo)的前后方向重建坐標(biāo)數(shù)值（z）產(chǎn)生較大影響，這就意味著如果容許3D 坐標(biāo)前后方向有誤差產(chǎn)生，那么使用圓柱形（如2 mm×3 mm）的金柱是比較理想的。

實驗預(yù)設(shè)定中心點Iso到探測器的距離為40 cm，隨著此距離的縮短，理論上需要更遠的靶間距才能成功分辨探測器上金標(biāo)記的投影點，本實驗僅探究了放射源到探測器距離設(shè)定為定值140 cm 的一種情況，其它非140 cm的情況仍需進一步實驗。

為了模擬雙靶點X 線球管進行金標(biāo)記成像的效果，本實驗采用將打入金標(biāo)記的模體進行前后對稱平移采集零度投影圖像的方法來進行成像，這樣會引入人為的誤差，并且理想情況應(yīng)當(dāng)是將兩次對稱位置的投影圖像采集到同一張膠片上，以此來探究最佳的可分辨3 mm金標(biāo)記的雙靶間距，但由于kV-X線單次成像的劑量較低，能得到滿意成像清晰度的適配膠片難尋，故本實驗選擇直接用CBCT的成像裝置來采集圖像，之后再將對稱位置采集的投影圖像進行疊加，在此疊加后圖像上檢測金標(biāo)記坐標(biāo)算法實驗的方法，但這樣的方法引入了額外的誤差，且算法無法排除。后續(xù)工作擬通過應(yīng)用靈敏膠片來同時采集加速器成像下的金標(biāo)記的投影來重建坐標(biāo)的實驗方法，以避免額外誤差的引入。