錐形束CT低劑量模式可行性研究

張麗敏，王克強(qiáng)

1.天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科，天津 300052；2.天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072

引言

錐形束CT（Cone beam CT，CBCT）是實(shí)現(xiàn)影像引導(dǎo)放射治療（Image Guided Radiation Therapy，IGRT）的常用設(shè)備，不僅可以修正擺位誤差，更好地保護(hù)正常組織，而且可以監(jiān)控治療過程中腫瘤和正常器官的解剖學(xué)變化，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)放療。然而由于CBCT成像野較大，頻繁使用將額外增加靶區(qū)外正常器官的輻射劑量，從而增加輻射致癌風(fēng)險(xiǎn)[1]，對(duì)兒童患者更需謹(jǐn)慎，因?yàn)閮和w型較小，同樣的掃描條件下會(huì)獲得比成人更高的輻射劑量[2]，同時(shí)兒童的輻射敏感性更高，預(yù)期生存時(shí)間更長(zhǎng)，使其繼發(fā)致癌風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于成人[3-4]。Zhou等[5]發(fā)現(xiàn)IGRT中CBCT對(duì)骨髓和腦部的平均累積劑量分別達(dá)到460 mGy和644 mGy，其終身歸因風(fēng)險(xiǎn)比常規(guī)腦部CT高8～10倍。因此美國醫(yī)學(xué)物理師學(xué)會(huì)發(fā)布的TG75號(hào)報(bào)告建議對(duì)IGRT的成像劑量進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，以盡可能降低繼發(fā)致癌風(fēng)險(xiǎn)[6]。

降低成像劑量的策略包括減少使用頻率和采用低劑量模式，然而使用頻率的降低將難以保證治療的準(zhǔn)確性，因此低劑量模式需要進(jìn)一步探索。同常規(guī)扇形束一樣，降低電流（mA）、降低電壓（kV）、減少成像幀數(shù)等都可以降低輻射劑量[7-9]，但可能增加噪聲從而引起圖像質(zhì)量的下降。對(duì)于IGRT，需要尋求低劑量模式和圖像質(zhì)量之間的平衡，保證降低輻射劑量的同時(shí)滿足自動(dòng)配準(zhǔn)的需求。雖然已有研究者證明CBCT低劑量策略對(duì)配準(zhǔn)結(jié)果的影響甚微[10-12]，但缺少圖像質(zhì)量的量化評(píng)估，因此本研究旨在評(píng)估降低電流（Low mA）、快速掃描（減少成像幀數(shù)，F(xiàn)ast）以及超低劑量模式（快速掃描的同時(shí)降低電流，Ultra-low dose，UL dose）三種低劑量策略對(duì)成像質(zhì)量的改變，進(jìn)而評(píng)估對(duì)自動(dòng)配準(zhǔn)精度的影響，用于指導(dǎo)臨床選擇合適的CBCT低劑量模式。

1 材料與方法

1.1 CBCT設(shè)備

采用Elekta Infinity加速器的機(jī)載CBCT系統(tǒng)（XVI）進(jìn)行成像，XVI系統(tǒng)由kV級(jí)X線球管、高壓發(fā)生器、濾過器、準(zhǔn)直器和非晶硅探測(cè)板組成。本研究所用軟件系統(tǒng)為XVI 5.0，其標(biāo)準(zhǔn)的掃描模式包括頭頸部（H&N_S）、胸部（Chest_S）和腹盆部（Pelvis_S），其預(yù)設(shè)參數(shù)包括所用準(zhǔn)直器、濾線器、管電壓、管電流、脈沖時(shí)長(zhǎng)、機(jī)架旋轉(zhuǎn)范圍及機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度等，具體參數(shù)如表1所示。

1.2 低劑量模式

在標(biāo)準(zhǔn)掃描模式的基礎(chǔ)上，分別將管電流mA減少一半形成低電流模式（Low mA），將機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度加倍形成快速模式（Fast），此時(shí)成像幀數(shù)減少一半，另外將管電流減半的同時(shí)機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度加倍形成超低劑量模式（UL dose）。對(duì)頭頸部，由于標(biāo)準(zhǔn)模式使用的電流10 mA已經(jīng)是最小值，無法減半，所以只評(píng)估快速掃描低劑量模式，而對(duì)胸部和腹盆部分別設(shè)置三種低劑量掃描模式，具體參數(shù)如表1所示。

表1 頭胸腹標(biāo)準(zhǔn)掃描模式和低劑量掃描模式的預(yù)設(shè)參數(shù)

1.3 重建方法

投影圖像采集分辨率為512×512，各部位低劑量模式重建時(shí)和標(biāo)準(zhǔn)模式一樣，選擇速度較快的中分辨率重建。

1.4 成像質(zhì)量評(píng)估

kV-CBCT的成像質(zhì)量包括空間分辨率、噪聲、均勻度、低對(duì)比度分辨率及幾何精度，本研究利用Catphan?CTP 503模體進(jìn)行檢測(cè)，該模體包含CTP528模塊、CTP486模塊和CTP404模塊（圖1a），其中CTP528模塊用于檢測(cè)圖像空間分辨率，CTP486模塊用于檢測(cè)圖像均勻度和噪聲，CTP404模塊用于檢測(cè)圖像低對(duì)比度分辨率和幾何精度，檢測(cè)時(shí)將Catphan?CTP 503模體中心放置在加速器等中心處，采集CBCT圖像后分析方法如下：

（1）空間分辨率：CTP528模塊含有21組呈放射狀分布的高密度線對(duì)結(jié)構(gòu)（圖1b），將采集的CBCT圖像調(diào)至合適的窗寬和窗位，使圖像具有最高的分辨率，記錄可清晰分辨的線對(duì)數(shù)。

（2）噪聲：CTP486由均勻的固體水組成，噪聲代表給定區(qū)域中像素值對(duì)其平均值的變異，一般用中心區(qū)域像素值的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，我們選擇面積1 cm2大小的中心區(qū)域進(jìn)行噪聲評(píng)估。

（3）均勻度：在CTP486模塊的CBCT圖像上選取5個(gè)面積約1 cm2的區(qū)域，分別位于圖像中心和邊緣3、6、9、12點(diǎn)鐘方向（圖1c），記錄其像素平均值，然后利用公式(1)計(jì)算。

（4）低對(duì)比度分辨率：CTP404模塊包括8個(gè)不同材質(zhì)的插件（圖1d），其中兩個(gè)為空氣（-1000 HU），其余6個(gè)分別為聚甲基戊烯（PMP，-200 HU）、低密度聚乙烯（LDPE，-100 HU）、聚苯乙烯（Polystyrene，-35 HU）、丙烯（Acrylic，120 HU）、聚甲醛樹脂（Delrin，340 HU），特氟?。═eflon，990 HU），這些插件用于分辨圖像的對(duì)比度，一般讀取聚苯乙烯插件和低密度聚乙烯插件橫截面中心的像素平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，利用公式(2)計(jì)算低對(duì)比度分辨率。

（5）幾何精度：CTP404模塊上有4個(gè)直徑3 mm的孔，水平方向的孔中心距離及垂直方向的孔中心距離都是50 mm（圖1d），從CBCT圖像上測(cè)量距離，與實(shí)際值進(jìn)行比較。

圖1 Catphan? 503模體及各模塊示意圖

1.5 自動(dòng)配準(zhǔn)精度評(píng)估

利用QUASARTMPenta-Guide模體（圖2）進(jìn)行配準(zhǔn)精度評(píng)估，此模體為邊長(zhǎng)16 cm的立方體，由均勻的丙烯酸樹脂制成，內(nèi)部有5個(gè)球形氣腔，用于圖像配準(zhǔn)，表面有兩套十字線，長(zhǎng)十字線指示模體中心，短十字線指示的位置與模體中心在左右、頭腳、垂直方向的距離分別為10、14、12 mm，可用于模擬擺位誤差。采用不同掃描模式成像后，將CBCT圖像和參考圖像進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)，配準(zhǔn)采用基于灰度的自動(dòng)配準(zhǔn)算法，重復(fù)3次取平均值，記錄左右、頭腳、垂直方向的誤差，同模擬誤差進(jìn)行比較，從而評(píng)估配準(zhǔn)精度。

圖2 Penta-Guide模體

2 結(jié)果

2.1 不同掃描模式下圖像質(zhì)量

（1）空間分辨率：標(biāo)準(zhǔn)掃描模式和低劑量掃描模式下得到CTP528模塊的CBCT圖像如圖3所示。無論是頭頸部標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式，還是胸腹部標(biāo)準(zhǔn)模式、低劑量模式，可清晰分辨的線對(duì)數(shù)都是3個(gè)。

圖3 不同掃描模式下的空間分辨率

（2）噪聲：從部位來看，頭頸部噪聲最大，標(biāo)準(zhǔn)模式19.4，快速模式達(dá)到25，胸部次之（4.3～9.2），腹盆部噪聲最?。?.4～5）。從掃描模式來看，標(biāo)準(zhǔn)模式噪聲最小，快速模式和低電流模式都將增大噪聲，但對(duì)腹盆部，低劑量模式對(duì)噪聲的增加并不明顯，腹盆部超低劑量模式的噪聲只有4.5，完全可以滿足臨床需求（圖4a）。

（3）均勻度：從部位看，頭頸部和胸部的均勻度較好，小于1.4%，但腹盆部的圖像均勻度較差，達(dá)到1.9%。從掃描模式看，低劑量模式有利于提高圖像均勻度，尤其是降低電流，使腹盆部的均勻度從標(biāo)準(zhǔn)模式的1.9%降至1.38%，超低劑量模式降到了1.32%（圖4b）。

（4）低對(duì)比度分辨率：從部位看，頭頸部最差，標(biāo)準(zhǔn)模式為3.7%，快速模式達(dá)到4.7%；腹盆部最好，標(biāo)準(zhǔn)模式為1%，低電流模式為1.5%；胸部的低對(duì)比度分辨率介于二者之間（1.46%～2.2%）。從掃描模式看，低劑量模式將降低圖像對(duì)比度，但對(duì)腹盆部的降低并不明顯（圖4c）。

（5）幾何精度：各種掃描模式的水平方向及垂直方向的幾何精度誤差都在1 mm之內(nèi)，平均誤差0.5 mm，低劑量掃描模式不會(huì)影響幾何精度（圖4d）。

圖4 不同掃描模式下的圖像質(zhì)量（a）噪聲（b）均勻度（c）低對(duì)比度分辨率（d）幾何精度

2.2 自動(dòng)配準(zhǔn)精度

不同掃描模式的自動(dòng)配準(zhǔn)精度如表2所示。頭頸部掃描時(shí)，X方向的配準(zhǔn)誤差最大，達(dá)到0.5 mm，Z方向的誤差達(dá)到0.3 mm；而胸腹部掃描時(shí)，Y方向的配準(zhǔn)誤差最大，為0.6 mm。配準(zhǔn)誤差與掃描部位相關(guān)，而與劑量模式無關(guān)，低劑量模式并不影響配準(zhǔn)精度。

表2 頭胸腹標(biāo)準(zhǔn)掃描模式及低劑量掃描模式的自動(dòng)配準(zhǔn)誤差（mm）

3 討論

本研究利用Catphan?503模體評(píng)估CBCT不同掃描模式對(duì)圖像質(zhì)量的影響，利用Penta-Guide模體探究不同掃描模式對(duì)自動(dòng)配準(zhǔn)的影響。通過降低管電流和加快機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度的方式，設(shè)計(jì)了不同的低劑量掃描模式，并在頭胸腹三個(gè)不同的部位進(jìn)行研究，結(jié)果表明降低電流和快速掃描將增加CBCT圖像的噪聲，使低對(duì)比度分辨率變差，但對(duì)圖像的空間分辨率和幾何精度幾乎沒有影響，并提高了圖像的均勻度。尤其對(duì)腹盆部，將電流減半同時(shí)旋轉(zhuǎn)速度加倍的超低劑量模式對(duì)噪聲的增加及低對(duì)比度分辨率的降低并不明顯，但受照劑量降為原來的1/4，掃描時(shí)間減為原來的一半，這對(duì)兒童患者的CBCT掃描十分有利。

關(guān)于降低IGRT中的掃描劑量，已經(jīng)有一些學(xué)者進(jìn)行了探索。Lu等[13]通過減少成像幀數(shù)來降低劑量，將成像幀數(shù)減為原來的1/2～1/6，發(fā)現(xiàn)隨著成像幀數(shù)的減少，圖像質(zhì)量不斷降低，當(dāng)小于1/4時(shí)會(huì)對(duì)配準(zhǔn)精度產(chǎn)生影響。李明輝等[14]研究的快速掃描模式是將機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度加倍，圖像采集幀數(shù)變?yōu)樵瓉淼囊话?，減少了掃描時(shí)間和掃描劑量，但不影響配準(zhǔn)精度。上面的研究中都沒有涉及降低電流的低劑量策略，而降低電流可以線性減少掃描劑量[15]。Takei等[12]研究了降低電流對(duì)成像質(zhì)量和配準(zhǔn)精度的影響，發(fā)現(xiàn)降低電流將增加噪聲，對(duì)頭部和胸部，電流減半時(shí)，噪聲變?yōu)樵瓉淼?.5倍；而對(duì)腹盆部，電流減為原來的1/8時(shí)，噪聲是原來的2.2倍。Bryce-Atkinson等[9]模擬降低電流時(shí)的CBCT圖像，研究其對(duì)配準(zhǔn)精度的影響，發(fā)現(xiàn)將劑量降至0.125 mGy時(shí)的配準(zhǔn)結(jié)果在臨床上也可以接受。本研究綜合考慮了快速掃描和降低電流的策略，并提出了二者結(jié)合的超低劑量模式，研究了其對(duì)配準(zhǔn)精度的影響，為臨床提供了更優(yōu)的低劑量模式。

目前的研究結(jié)果表明低劑量CBCT將降低圖像質(zhì)量，Murphy等[16]發(fā)現(xiàn)利用超低劑量CBCT圖像進(jìn)行急性骨折診斷時(shí)，由于圖像質(zhì)量變差，導(dǎo)致診斷準(zhǔn)確率下降。施雄等[17]利用低劑量CBCT掃描巴馬豬豬頭，發(fā)現(xiàn)隨著管電壓和管電流的降低，圖像質(zhì)量逐漸下降。然而圖像質(zhì)量的下降或許會(huì)對(duì)診斷造成影響，但對(duì)圖像配準(zhǔn)影響不大。Bryce-Atkinson等[18]發(fā)現(xiàn)在兒童CBCT掃描中，圖像質(zhì)量的下降主要由解剖噪聲引起（運(yùn)動(dòng)偽影），1 mGy以上的低劑量即可滿足配準(zhǔn)需求。本研究結(jié)果表明，對(duì)腹盆部掃描，超低劑量模式對(duì)圖像噪聲、低對(duì)比度分辨率影響不大，對(duì)空間分辨率和幾何精度沒有影響，反而提高了圖像的均勻度，對(duì)配準(zhǔn)精度也沒有影響，因此建議在臨床中使用。

本研究存在的不足主要有兩點(diǎn)：① 沒有考慮降低電壓的低劑量策略；② 低劑量模式的配準(zhǔn)精度只經(jīng)過模體驗(yàn)證，而沒有在真實(shí)患者身上進(jìn)行驗(yàn)證。因此下一步的研究將根據(jù)患者體型選擇合適的低電壓，探索其對(duì)配準(zhǔn)精度的影響。

4 結(jié)論

本研究通過降低電流和快速掃描策略設(shè)置了不同的低劑量模式，并利用模體評(píng)估了不同掃描模式下的圖像質(zhì)量及自動(dòng)配準(zhǔn)精度，結(jié)果表明低劑量模式可以在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)減少成像時(shí)間，降低受照劑量，同時(shí)不影響配準(zhǔn)精度，推薦在兒童CBCT掃描中使用，從而降低繼發(fā)致癌風(fēng)險(xiǎn)。