加速器机载千伏级锥形束CT的影像质量分析

【摘要】  目的 分析加速器机载千伏级锥形束CT的影像质量。方法 用Cat Phan 600体模测量CT值均匀性和线性、空间分辨率、低对比度和几何准确性；用TOR 18 FG体模测量平面影像的分辨率和低对比度，用Iso Align测量平面影像的几何准确性。结果 锥形束CT的CT值和物质的密度呈线性，但CT值和参考值相差较大。均匀模体中扫描的CT值均匀性为1.4%。空间分辨率为7 LP/cm，低对比度为1.2%；摄片模式下影像的分辨率为1.4 LP/mm，低对比度为1.6%。几何准确性很好。结论 XVI的摄片质量很好。锥形束CT成像质量足以用于患者治疗的体位验证，但不适用于诊断和吸收剂量计算。

【关键词】  影像引导放射治疗 锥形束CT 影像质量

    Image quality evaluation for LINACintegrated kV cone beam CT

    WANG Yunlai, DAI Xiangkun, JU Zhongjian,et al.Department of Radiation, PLA General Hospital, Beijing 100853, China

    ［Abstract］  Objective  To evaluate the image quality of LINACintegrated kilovolt cone beam CT unit.Methods  The CTN uniformity and linearity, spatial resolution, low contrast resolution and geometric accuracy in CBCT mode were evaluated with Cat Phan 600 phantom. The spatial resolution and low contrast resolution in radiographic mode were evaluated with TOR 18 FG Leeds phantom, while geometric accuracy was measured using IsoAlign seedembedded panel.Results  The CTN values depended linearly on the physical density of the sample, but were not in agreement with the reference CT value. The CTN uniformity was 1.4%; the spatial resolution was 7 LP/cm, the low contrast resolution was 1.2%. In radiographic mode, the resolution and low contrast resolution were 1.4 LP/mm and 1.6%, respectively. The geometric accuracy was good. Conclusion  The radiographic image is very good. The image quality of cone beam CT is good enough for patient to setup verification, but is not suitable for diagnose and dose calculation in treatment planning.

    ［Key words］  imageguided radiotherapy;conebeam CT;image quality

    影像引导是放射治疗的新技术，常用锥形束CT整合到医用电子直线加速器上，验证患者治疗摆位准确性。锥形束CT利用大面积非晶硅X射线探测器面板进行CT成像，加速器机架旋转1周，获取患者不同角度的投影影像，利用重建方法得到三维影像资料，再与模拟定位和治疗计划设计时的参考CT图像配准，得到患者治疗靶区的位置坐标误差［1～3］。锥形束CT的优点是结构简单，数据采集时间短，图像的空间分辨率和射线利用效率高，既能进行三维锥形束CT成像也能进行平面摄片和透视成像。但是由于锥形束CT中X射线源到探测器的距离大，散射线对成像质量影响大，使得锥形束CT的影像质量和常规诊断CT大不相同［4,5］。本文利用Cat phan 600和TOR 18 FG模体分别测量分析Synergy加速器的XVI锥形束CT的成像质量。

    1  材料与方法

    1.1  XVI锥形束CT  XVI锥形束CT由X线高压发生器、非晶硅探测器面板和基于FDK重建算法的数据采集和分析软件组成。高压发生器采用风冷式散热、脉冲式输出，常用的高压主要有80、100、120和140 kV，采用相同的过滤。准直器包括大中小3种类型多种规格，可以根据解剖部位进行小视野、中视野和大视野成像。非晶硅探测器面板相对于射线源的位置是可调的，成像时根据选取准直器的大小相应调整。成像预置参数主要包括高压、管电流、每帧图像的获取时间、准直器型号和机架旋转角度等，重建参数主要包括重建算法、像素矩阵大小和影像质量（图1）。

    1.2  测量体模  Cat Phan 600影像质量测量体模由4个模块串列组成。CTP486模块直径为150 mm，厚度为40 mm，由均匀的水等效材料构成，标准扫描条件下其CT值与水一致，误差在2%之内，用于CT值均匀性、平均值和CT值噪声的测量。CTP528模块中嵌有精心设计加工的分辨率标尺，最高分辨率为21 LP/cm，用于测量CT的空间分辨率。CTP404模块在水平和垂直方向嵌有两条斜线和8个直径为125 mm的圆柱样品插件，分别用聚四氟乙烯树脂（Teflon）、多聚甲基乙烯（PMP）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚苯乙烯（PS）、丙烯酸树脂（Acrylic）、聚甲醛树脂（Delrin）和空气组成，用于测量CT值线性和低对比度分辨率（LCV）。图1  Synergy加速器及其锥形束CT

    TOR 18FG Leeds Phantom是专用于检测X线摄片质量的体模，包括圆盘形体模和1mm厚的铜板。圆盘形体模上有18个直径为8 mm的圆盘，用于检测低对比度分辨率，检测范围0.9%～16%；21组细条线用于检测分辨率，每组有5条细线，检测范围0.5～5 LP/mm。铜板主要用于滤过。曝光后细数图像上能清晰分辨的小圆盘数目，根据厂商提供的对照表，读取低对比度分辨率的数值，能显示的小圆盘数目越多，低对比度分辨率越好。在图像中心的白色小方框内自上向下再自左向右的顺序，读取能清晰分辨的条纹序号，查对厂商提供的条纹-分辨率对照表，确定平面空间分辨率的数值。

    Iso Align加速器等中心校准仪内置有直径1.5 mm的金属钨球，钨球的最大位置偏差为0.3 mm，角度的最大偏差为0.4°，适用于距离和角度验证。

    1.3  体积成像的影像质量  Cat Phan 600影像质量测量体模放在加速器治疗床上，调整水平。调整治疗床的位置使体模上的定位标记和加速器等中心激光定位灯指示重合。选用S20准直器，扫描参数为100 kV，65 mAs，扫描范围1周，扫描结束后用高质量重建模式得到CT图像。

    选取CTP486 模块中心层面的CBCT影像，调整窗宽和窗位，在中心和上下左右4个垂直方向选取方形的感兴趣区，感兴趣区的大小为1 cm×1 cm，记录每个感兴趣区的平均像素值（PVmean）和标准偏差（SD）。CT均匀性定义为最大、最小像素值之差与平均像素值的百分比。

    Uniformity=PVmean（high）-PV（mean）（low）   PVmean（high）×100%

    选取CTP404 模块中心层面的影像，调整窗宽和窗位，读取PS和LDPE的平均像素值及标准偏差，低对比度分辨率根据厂商推荐的公式计算［6］：

    LCV=2.75SDPL+SDLDPE   PVPLmean-PVLDPEmean×100%

    1.4  平面成像的影像质量  平面成像质量用TOR 18 FG Leeds Phantom体模测量。 将TOR 18 FG体模放在治疗床上，调整治疗床的位置，使TOR 18 FG体模中心位于激光定位灯指示的等中心，加速器源到体模表面的距离为100 cm。然后在体模上放1 mm厚的铜板。XVI采用S20准直器，使用Planar View模式曝光，获取平面影像。调整影像的对比度和分辨率，使两侧特制的对比度和分辨率指示能最清晰地显示。细数图像上能清晰分辨的小圆盘数目和能清晰分辨的条纹序号，查对厂商提供的对照表，确定分辨率和低对比度。

    2  结果

    2.1  CT值及其均匀性  选取CTP404 模块上已知密度的插件CBCT图像的中心层面，用直径为5 mm的感兴趣区，读取像素值和标准偏差。扫描参数选取100 kV、 65 mAs的结果如图2 所示。可以看出，锥形束CT的CT值和样品密度呈线性，但和常规诊断CT扫描的CT值差别较大，这主要是散射线造成的。

    选取CTP486 模块中心层面的CT影像，读取图像中心和上下左右4个方向大小为1 cm×1 cm感兴趣区的平均像素值及其标准偏差，如图3所示。结果显示，像素值的均匀性为1.4%。体模中心的平均像素值比周边低，但标准偏差比周围高，这主要是体模衰减吸收造成射线能谱变化和光子数减少引起的。

    图2  CBCT像素值及其线性

    2.2  分辨率

    2.2.1  空间分辨率和低对比度分辨率  CTP528模块中分辨率标尺的扫描图像以及分析结果如图4所示。锥形束CT扫描的空间分辨率为7 LP/cm，而诊断CT一般在8 LP/cm以上。锥形束CT的空间分辨率低主要是散射线较强造成的。图像放大到图像处理窗口的尺寸为0.4 cm，读取PS和LDPE的平均像素值及标准偏差，得到的低对比度分辨率为1.2%，在表1中给出，低对比度分辨率符合厂商推荐的标准。

    2.2.2  平面成像分辨率和低对比度分辨率  图5为用100 kV，10 mA曝光条件测量TOR 18 FG Leeds Phantom体模的图像，利用细节—对比分析方法得到的分辨率和低对比度在表1中给出。

    2.3  几何准确性  3D影像的几何准确性用Cat phan 600体模测量。横断面、矢状面和冠状面上距离和角度选取如图6所示。由表2的测量结果可以看出，所有距离测量误差均小于±1 mm。表1  影像质量的分析结果管电压100 kV，管电流10 mA，曝光时间10 ms时用Iso Align等中心验证仪测量得到的图像如图7所示， 距离和角度的测量结果在表2中给出，距离和角度误差均为0，没有发现畸变，说明平面影像的几何准确性很好。 表2  距离和角度的测量结果

    3  讨论

    加速器机载的锥形束CT是一种新型的成像设备，在放射治疗中主要用于照射前、照射中患者体位的验证和监测，也可以用于监测整个疗程中肿瘤区以及周围重要组织和器官的变化。对成像质量的要求虽然没有诊断CT高，但成像质量对位置验证的准确性存在一定影响。

    由于散射线的影响，锥形束CT的成像质量比诊断CT差，尤其是软组织成像。锥形束CT的像素值可以反映物体的组织密度，但并不代表CT值，不能反映物体的真实电子密度。锥形束CT的空间分辨率在三维方向是相同的，在人体头脚方向层厚等于视野长度与矩阵大小之比，要得到和诊断CT相同层厚的CT图像，需要对锥形束CT进行插值处理。

    锥形束CT成像质量的提高是目前研究的热门问题，主要包括改变成像参数、合理设计准直器、采用减少散射线装置、改进重建算法等，但是成像参数的改变必然增加患者的辐射剂量，对正常组织和器官造成损伤。目前在准直器设计和改进重建算法方面已经取得了一些进展，同时在改进探测器的探测效率方面也有改进。

    锥形束CT的X线球管和探测器面板的动态变化范围大，影响影像质量的因素很多，实际应用时需要定期进行质量保证与控制，确保设备的正常运行。

【参考文献】
  1 Jaffray DA, Siewerdsen JH. Cone beam computed tomography with a flat-panel imager: initial performance characterization. Med Phys, 2000,27:1311-1323.

2 Li T, Schreibmann E, Yang Y, et al. Motion correction for improved target localization with on-board cone-beam computed tomography. Phys Med Biol,2006,51: 253-267.

3 Lehmann J, Perks J, Semon S, et al. Commissioning experience with cone-beam computed tomography for image-guided radiation therapy. J Appl Clinic Med Phys, 2007,8: 21-34.

4 McBain CA, Henry AM, Sykes J, et al. X-ray volumetric imaging in image-guided radiotherapy: the new standard in on-treatment imaging. Int J Radiat Oncol Biol Phys， 2006,64: 625-634.

5 Yoo S, Kim GY, Hammoud R, et al. A quality assurance program for the on-board imager. Med Phys , 2006,33:4431-4447.

6 Customer Aceeptance Tests for XVI R3.5. Elekta SynergyTM, 2005.6, Elekta Limited, Crawly, UK.

作者单位：100853 北京，解放军总医院放射治疗科