宫颈癌患者锥形束CT影像剂量计算的算法修正

张基永，陆佳扬，洪丹丽，吴丽丽，谢文佳，彭 逊*

(1.汕头大学医学院附属肿瘤医院放疗科，广东 汕头 515031；2.汕头大学医学院第一附属医院内分泌科，广东 汕头 515041)

宫颈癌患者锥形束CT影像剂量计算的算法修正

张基永1，陆佳扬1，洪丹丽2，吴丽丽1，谢文佳1，彭 逊1*

(1.汕头大学医学院附属肿瘤医院放疗科，广东 汕头 515031；2.汕头大学医学院第一附属医院内分泌科，广东 汕头 515041)

目的 利用修正算法对宫颈癌患者锥形束CT(CBCT)影像进行修正，探讨CBCT影像剂量计算的准确性。方法 采用CIRS-062电子密度模体分别在Brilliance CT Big Bore 4D-CT模拟定位机及Truebeam加速器机载CBCT上执行CT扫描，获得计划CT(pCT)和CBCT的CT值-相对电子密度曲线。采用直方图匹配算法对CBCT影像的CT值进行修正，得到修正后的CBCT(mCBCT)。将25例宫颈癌患者的调强放疗计划分别移植到模体和患者的pCT、CBCT和 mCBCT上进行剂量计算，比较其绝对剂量和剂量分布的差异。结果 模体等中心处，CBCT计算的绝对剂量与pCT计算的绝对剂量偏差为0.87%±0.24%，mCBCT与pCT的偏差为0.05%±0.03%，差异有统计学意义(t=3.625，P<0.05)。患者治疗等中心处，CBCT计算的绝对剂量与pCT计算的绝对剂量偏差为1.05%±0.32%，mCBCT与pCT的偏差为0.18%±0.09%，差异有统计学意义(t=3.023，P<0.05)。靶区剂量分布的剂量体积图显示，mCBCT的剂量分布和pCT的剂量分布相似，而CBCT的剂量分布和pCT的剂量分布差异较明显。结论 CBCT影像经算法修正后，可用于宫颈癌放疗中的剂量计算，并能提高剂量计算的准确性。

剂量计算；直方图匹配算法；体层摄影术，X线计算机；锥形束CT

图像引导放疗技术(imaging guided radiotherapy， IGRT)的应用减少了宫颈癌患者的摆位误差[1-2]，但在放射过程中治疗效果易受膀胱充盈变化、直肠充盈变化、器官移动、肿瘤消退等因素影响，使肿瘤放疗剂量和周围正常组织受照剂量发生变化。锥形束CT(cone beam computed tomography, CBCT)可修正患者的摆位误差，还可用于剂量计算，实时监测患者靶区和各危及器官的实际受照剂量，为临床提供患者在诸多因素影响下的真实受照剂量。然而CBCT影像受散射、伪影等因素影响，图像质量欠佳，直接用于剂量计算在计算精度方面还存在争议[3-6]。本研究通过直方图匹配算法对CBCT影像的CT值进行修正，提高CBCT影像的剂量计算精度，并与未经修正的CBCT影像所计算的剂量进行比较。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2014年7月—2015年3月在我科接受调强放疗并进行CBCT扫描的宫颈癌患者25例，年龄53～73岁，平均(65.3±7.8)岁，均无放疗禁忌证，有良好自控能力。处方剂量为45 Gy，常规分割照射，分次剂量为1.8 Gy，分25次照射。

1.2 仪器与方法

1.2.1 仪器与材料 采用CIRS-062电子密度模体(Computerized Imaging Reference Systems)分别在Brilliance CT Big Bore 4D-CT模拟定位机(Philips Medical Systems)及Truebeam加速器机载CBCT(Varian Medical Systems, Palo Alto)上进行CT扫描，获取各自的CT值-相对电子密度曲线并导入Eclipse v10.0.42计划系统(Varian Medical Systems， Palo Alto)。CIRS-062电子密度模体包含10种共12个插件，分别用于模拟空气、吸气肺、呼气肺、脂肪、肌肉、水、软质骨、松质骨、密质骨等。

1.2.2 图像采集和数据获取 CIRS-062电子密度模体在4D-CT模拟定位机上进行扫描，获得计划CT(planning CT， pCT)的CT值-相对电子密度曲线，扫描条件：管电压120 kV，管电流395 mAs，FOV 50 mm×50 mm，重建层厚3 mm，重建矩阵512×512。把CIRS-062电子密度模体以相同的摆位条件在Truebeam加速器机载CBCT上扫描，获得CBCT的CT值-相对电子密度曲线，扫描条件：管电压125 kV，管电流1 056 mAs，、FOV 46.5 mm×46.5 mm，重建层厚 3 mm，重建矩阵512×512，滤过器类型为Half-Fan蝶形滤过器。

1.2.3 修正CBCT影像的CT值 CBCT影像和pCT影像的CT值存在一定的差异，为了使CBCT影像在剂量计算上更加精确，通过直方图匹配算法对其进行归一化处理[7-8]。从而获得修正后CBCT(mCBCT)的CT值。直方图匹配属于非线性点运算。

1.2.4 剂量计算和比较 在Eclipse v10.0.42计划系统中，将25例患者的治疗计划移植pCT、CBCT和mCBCT影像上进行剂量计算。保持患者在pCT、CBCT和mCBCT影像上勾画的靶区形状和大小相同。计算并比较模体和患者pCT、CBCT和mCBCT影像上等中心处CBCT和mCBCT相对pCT的绝对剂量的偏差和等中心平面剂量分布的差异。将CBCT、mCBCT计算的剂量分布图与pCT计算的剂量分布图按3%、3 mm标准和2%、2 mm标准进行γ分析，获得其通过率。

2 结果

2.1模体剂量 CIRS-062模体pCT、CBCT和mCBCT剂量分布见图1。模体等中心处，CBCT计算的绝对剂量与pCT计算的绝对剂量偏差为0.87%±0.24%；mCBCT与pCT的偏差为0.05%±0.03%；mCBCT的绝对剂量偏差小于CBCT的绝对剂量偏差，差异有统计学意义(t=3.625，P<0.05)。模体CBCT与pCT剂量分布比较按3%、3 mm标准和2%、2 mm标准的通过率分别为96.4%±0.31%和91.5%±0.28%；mCBCT与pCT的通过率分别为99.9%±0.07%和94.8%±0.25%；mCBCT的通过率高于CBCT的通过率，差异有统计学意义(t=2.876,P<0.05)。

图1 CIRS-062模体pCT(A)、CBCT(B)和mCBCT(C)的剂量分布图 蓝色线为90%等剂量线、青色线为85%等剂量线、深蓝色线为80%等剂量线、紫色线为75%等剂量线、棕色线为70%等剂量线

图2 患者pCT(A)、CBCT(B)和mCBCT(C)的剂量分布图 黄色线为100%等剂量线、绿色线为95%等剂量线、蓝色线为90%等剂量线、青色线为85%等剂量线、深蓝色线为80%等剂量线

2.2 患者剂量 宫颈癌患者pCT、CBCT和mCBCT剂量分布见图2。患者影像等中心处，CBCT计算的绝对剂量与pCT计划的绝对剂量偏差为1.05%±0.32%；mCBCT与pCT的偏差为0.18%±0.09%；mCBCT的绝对剂量偏差小于CBCT的绝对剂量偏差，差异有统计学意义(t=3.023，P<0.05)。患者CBCT与pCT剂量分布比较按3%、3 mm标准和2%、2 mm标准的通过率分别为94.6%±0.83%和85.4%±0.71%；mCBCT与pCT的通过率分别为98.7%±0.69%和90.6%±0.85%；mCBCT的通过率高于CBCT的通过率，差异有统计学意义(t=2.695,P<0.05)。在患者的pCT、CBCT和mCBCT影像上分别勾画一个形状和大小都相同的靶区，靶区剂量分布的剂量-体积图见图3，mCBCT的剂量分布和pCT的剂量分布相似，而CBCT的剂量分布和pCT的剂量分布差异较明显。

图3 患者pCT、CBCT和mCBCT影像上靶区的剂量-体积图

3 讨论

随着精确放疗的发展，CBCT的应用越来越广泛，也越来越重要，与加速器整合在一起，可缩短扫描时间，最大限度地降低患者治疗过程中膀胱及直肠充盈变化、器官移动等因素对治疗效果的影响。CBCT与扇形束CT存在明显差异，CBCT发射的是锥形束射线，锥角较大，锥形束射线通过机架旋转围绕患者旋转半圈或一圈，经过测量射线穿过人体衰减前后的强度再由算法重建后获得患者的三维体积图像。未经修正的CBCT影像，散射线较多，射线能谱复杂，伪影面积大，造成图像质量差[9]。CBCT的影像质量与扫描参数和患者状态有很大关系，改变CBCT扫描参数，如管电压、管电流、虑过器、扫描类型、模体大小等，均会改变影像质量，使得CBCT的电子密度与CT值的对应关系变得更加复杂。直接采用CBCT影像进行剂量计算还存在一些局限性[4,10-11]，无法得到精确的剂量信息。Richter等[12]采用未经修正的CBCT影像直接进行剂量计算，在盆腔肿瘤患者中，CBCT与pCT的剂量偏差达8%，误差较大。应用CBCT图像进行剂量计算并能满足临床要求的准确性，需要对CBCT影像进行修正，建立更接近扇形束CT(pCT)的电子密度与CT值的对应关系。本研究通过直方图匹配算法对CBCT影像的CT值进行修正，获得可用于剂量计算的CT值。

直方图匹配是指将一幅图像的直方图变成规定形状的直方图而进行的图像处理方法，即对两个直方图都做均衡化，变成相同的归一化的均匀直方图，以此均匀直方图为媒介，再对参考图像做均衡化的逆运算[13-14]。对CBCT图像进行直方图匹配修正分为两部分，首先，对CBCT图像和pCT图像的CT值进行归一化处理，修正二者之间的差异。是因为CBCT系统在进行扫描和重建过程中，未对图像的CT值进行校正，CBCT影像的日常应用中未考虑应用于剂量计算，只是作为一种摆位验证工具。其次，修正CBCT影像上一些区域的密度变化(伪影)，如散射、器官运动、探测器稳定性、能量稳定性等导致的密度变化。这些伪影产生的区域，经过对CBCT图像和pCT图像的密度进行归一化匹配修正，改善其密度差异。

本研究结果显示，在模体上进行的剂量计算，算法修正CT值后的CBCT影像在中心点处的绝对剂量偏差明显小于未经修正的CBCT影像；mCBCT剂量分布的通过率也明显高于CBCT,当应用更为严格的分析标准进行分析时，也获得一致的结果。在患者的影像上进行剂量计算的结果，与在模体上计算的结果基本一致，但在数值上有一些差别，患者剂量计算的结果在各项分析指标上均大于模体计算的结果。可能原因为：患者治疗时存在摆位误差，容易导致CBCT扫描时的体位与pCT存在一些细微差别；患者外轮廓不同，摆位时可能会导致皮肤或脂肪组织发生变形或移位；器官运动导致的变化；膀胱、直肠和小肠充盈程度的变化。上述因素均会导致结果产生一些差异，在临床应用中应予以关注。

综上所述，经直方图匹配算法修正的CBCT影像，在剂量计算上，其精度有显著的提高，能为CBCT影像提供更为可靠的剂量计算结果，为基于CBCT影像的剂量引导自适应放疗的开展提供了更为精确的剂量参考。

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A correction algorithm for cone-beam computed tomography dose calculations in patients with cervical cancer

ZHANGJiyong1,LUJiayang1,HONGDanli2,WULili1,XIEWenjia1,PENGXun1*

(1.DepartmentofRadiationOncology,CancerHospitalofShantouUniversityMedicalCollege,Shantou515031,China; 2.DepartmentofEndocrinology,theFirstAffiliatedHospitalofShantouUniversityMedicalCollege,Shantou515041,China)

Objective To investigate the accuracy of dose calculations in cone beam computed tomography (CBCT) for cervical cancer radiotherapy using a correction algorithm. Methods The Hounsfield units (HU) and electron density (HU-density) curves were obtained for both planning CT (pCT) and CBCT using a CIRS-062 calibration phantom. The histogram matching algorithm was used for CBCT images to correct the deviation, and got the corrected CBCT (mCBCT). The intensity-modulated radiation therapy (IMRT) plans of 25 cases of cervical cancer were transferred to the pCT, CBCT and mCBCT data sets, and the dose were calculated. The dose differences and dose distributions were compared between CBCT and mCBCT plans. Results For the phantom, the deviations of absolute point dose for CBCT and mCBCT compared with pCT were 0.87%±0.24% and 0.05%±0.03%, respectively. The significant difference was shown between CBCT and mCBCT (t=3.625,P<0.05). For the patients, the deviations of CBCT and mCBCT compared with pCT were 1.05%±0.32% and 0.18%±0.09%, respectively, there was a significant difference between CBCT and mCBCT (t=3.023，P<0.05). According to the dose-volume histogram of target coverage, mCBCT showed an equal dose distribution compare to pCT. Conclusion The CBCT images are feasible for dose calculation in cervical cancer radiotherapy, and the correction algorithm can be useful for improving the accuracy of dose calculation in radiation therapy.

Dose calculation; Histogram matching algorithm; Tomography, X-ray computed； Cone beam computed tomography

汕头市医疗科技计划项目[汕府科(2015)123号]。

张基永(1985—)，男，云南会泽人，硕士，物理师。研究方向：影像剂量学。E-mail： jon.zh@qq.com

彭逊，汕头大学医学院附属肿瘤医院放疗科，515031。E-mail: pengx@stu.edu.cn

2016-06-28

2016-11-16

R814.42； R737.33

A

1003-3289(2017)01-0114-05

10.13929/j.1003-3289.201606160