近距离治疗中放射源位置检验的数学形态学方法

姜立朋 张怀文 谷珊珊

近距离治疗中放射源位置检验的数学形态学方法

姜立朋1张怀文2谷珊珊3

1（辽宁医学院附属第一医院 放疗科 锦州 121001）
2（江西省肿瘤医院 放疗技术科 南昌 330029）
3（解放军总医院 放疗科 北京 100853）

利用数学形态学算法计算EBT3胶片拍摄的近距离治疗中放射源的位置准确性。目前验证192Ir放射源到位精度的方法主要包括胶片、Fricke放射量测定器、平板探测器、简单的直尺结合计量仪方法等，数学形态学算法自动计算曝光胶片放射源的位置未见报道。本研究用EBT3免冲洗胶片分别获得不同步进长度和已知驻留位置误差的影像。采用Contourlet变换对胶片图像进行去噪，求得放射源步进长度的误差小于±0.2 mm，源驻留位置的误差在±0.5 mm以内，符合临床要求。结果表明本方法简单，且结果可靠。

192Ir，近距离放射治疗，胶片，数学形态学，质量保证

近距离治疗中放射源在施源器中通过优化驻留位置和时间而形成特定的剂量分布。源位置的准确性直接影响吸收剂量分布[1]。放射源的位置准确性是近距离治疗重要的质量保证(Quality Assurance, QA)项目[2−3]。胶片是验证192Ir放射源到位精度的常用方法[4−5]，胶片曝光后放射源位置的读取一般用直尺测量[6]，存在一定的人为误差。采用数学方法自动计算曝光胶片放射源的位置具有重要的应用价值，但还未见相关报道。本文利用数学形态学算法估算EBT3胶片上放射源的位置坐标，分析放射源的位置准确性。

1 材料与方法

1.1 近距离治疗机

瑞典医科达核通(Nucletron)公司生产的micro-Selectron HDR (High Dose-rate)高剂量率近距离治疗机由治疗计划系统、控制系统和放射源传送系统组成。利用计算机控制步进马达驱动高活性192Ir放射源，配合优化的治疗计划实施治疗。192Ir放射源的活性长度为3.5 mm，源的最大活度为0.37TBq。治疗过程中，放射源以快于50 cm·s−1的速度移动到治疗位置，每个驻留位置的照射时间有两个独立计时器控制。

1.2 EBT3免冲洗胶片

GAFCHROMIC EBT3是一种基于辐射交联效应使塑料变色反映剂量变化的特种透明胶片，厚度为0.28 mm，具有免冲洗、防水等特点。表面有反牛顿环的涂层，可以避免平板扫描仪产生的牛顿环伪影。剂量在1−800 cGy，能量响应和组织等效性较好，均匀一致性优于1.5%，空间分辨率优于0.1 mm[7−8]。

1.3 胶片测量

将EBT3免冲洗胶片平放粘贴在RW3固体水平板上，塑料施源管拉直平放在EBT3胶片上。以参考位置为中心，选择步进长度分别为40 mm、30mm、20 mm、10 mm、5 mm、2.5 mm制定计划，每个步进长度设置5个放射源驻留位置，驻留时间为10 s，分别得到5列不同步进长度下192Ir源曝光的图像。为验证数学形态学算法的准确性和精度，在−40 mm、0 mm、+40 mm位置分别设置已知的位置误差，第2组为−2 mm、+2 mm、−1 mm，第3组为+2 mm、−2 mm、+1 mm，加上参考位置图像，共得到三组曝光的影像。

1.4 数学形态学算法

数学形态学(Morphology)是以形态为基础对图像进行分析的数学工具，基本原理是用具有一定形态的结构元素去度量和提取图像中的对应形状，对图像进行分析和识别。数学形态学算法主要通过选择相应的结构元素采用膨胀、腐蚀、开启、闭合4种基本运算的组合来处理图像，对基于形状细节进行图像处理提供了强有力的手段，具有直观上的简明性和数学上的严谨性[8]。因为获取的扫描胶片图像存在噪声，对于后续斑点质心的提取干扰较大，采用基于Contourlet变换的图像去噪算法对胶片图像进行预处理。去噪目的就是从含噪声图像y中恢复原始图像，保持图像x的特征，优化均方差。去噪一般采用模型：y=x+δe。其中，x是期望图像，y是原始胶片图像，e是噪声，δ是噪声方差。基于Contourlet变换的图像去噪算法具体实现方法为：

(1) 确定Contourlet分解的层次K，对含噪图像进行Contourlet变换，得到低频系数a0和高频系数d0, d1, …, dK−1。

(2) 在Contourlet变化域设定阈值对系数进行处理，得到新的Contourlet系数。其中阈值设定为：

对于已经预处理的胶片图像，采用二值化的质心计算方法完成质心提取。设m×n维二值图像(i, j)，其中目标部分为A，背景部分为B。即：

取图像中任一点作为质心搜索过程中的初始点，也就是动态质心的初始点。搜索过程将由此点出发直到目标质心。令(K, L)表示动态质心，函数D(i-K,j-L)为图像各点到(K, L)的欧氏距离：

D(K, L)表示图像与模块在动态质心(K, L)点的相关值。搜索质心就是内积H值沿某个轨迹迅速下降的极小化过程。当搜索到达真实质心时，H值达到最小。从式(4)可以看出，计算(K, L)点H值时，模板中心与(K, L)重合。计算(K, L) 8个邻点的H值，其中最小的H值对应的邻点为下一个动态质心。

利用MATLAB 2012b编程，运用形态学算法求胶片曝光黑斑的质心，步骤如下：(1) 对图像通过灰度化和反色后阈值选择得到光斑特征区域；(2)基于Contourlet变换模糊去噪，消除热噪声以及像素不均匀产生的噪声；(3) 再次进行阈值选择，得到更清晰的光斑区域；(4) 形态学处理，得到连通域的规则形状图形；(5) 采用二值化质心计算方法提取光斑的质心作为源的驻留位置，与源的预设驻留位置比较，从而得到源的驻留位置偏差。

2 结果

2.1 步进长度的检测

放射源步进长度分别为40 mm、30 mm、20 mm、10 mm、5 mm、2.5 mm，连续步进5个驻留位置得到192Ir源曝光的胶片见图1。胶片扫描后用数学形态学算法处理，得到的放射源位置图像见图2。由图1和2，当步进长度小于5 mm时，因黑斑黑度重迭，数字形态学算法不能分辨单个放射源的位置。

图1 源步进长度的检测(a) 曝光的胶片，(b) 计算的放射源位置Fig.1 Detection of source step length. (a) Exposed film, (b) Position of radiation source

每个步进长度设置连续5个驻留位置，5个驻留位置之间的4个步进长度的参考值和计算值的结果见表1。

表1 数学形态学算法计算的192Ir源步进长度Table 1 Source step length calculated using mathematical morphology.

从表1可以看出，利用数学形态学算法得到的源位置误差在±0.2 mm以内，准确性比较好。

2.2 放射源位置误差检测的准确性

设置了放射源位置误差，曝光的胶片和数学形态学方法得到的源质心坐标如图2所示。第1组曝光黑斑为没有误差的参考192Ir源曝光位置，第2组和第3组曝光黑斑分别为人为设置了误差的192Ir源曝光位置。

从表2可以看出，数学形态学算法可以检测到放射源的位置误差小于±0.3 mm，利用数学形态学算法可以自动分析胶片影像的192Ir源位置准确性。

图2 源位置误差的检测(a) 胶片，(b) 源位置Fig.2 Detection of source position error. (a) Film, (b) Source position

表2 数学形态学算法计算的192Ir源驻留位置误差Table 2 Error of source dwell position calculated using mathematical morphology.

3 结语

近距离放射治疗中放射源的位置和活度以及照射时间是影响吸收剂量分布的主要因素[9]。近距离治疗的放射源紧贴靶区和人体组织，单次剂量较大，照射时间长，需要严格的质量保证与控制措施，确保患者的安全[10−12]。放射源的位置准确性是质量保证的重要内容，胶片曝光是放射源位置准确性检测最直接和准确的方法，但利用直尺等工具的目测方法误差较大。

数学形态学算法适用于处理192Ir放射源曝光的胶片，可以检测放射源的位置偏差，误差在±0.5 mm以内，能满足临床需求，但放射源步进的距离不能太小。数学形态学算法分析胶片影像信息确定放射源的位置，方法简单易行和结果准确，为近距离放射治疗中放射源位置准确性的验证提供了一种新方法。

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2 中华人民共和国卫生行业标准. WS 262-2006, 后装γ源治疗的患者防护与质量控制检测规范[S]. 北京: 人民卫生出版社, 2007

Health industry standard of the People's Republic of China. WS 262-2006, Specification for radiological protection of patients and quality control in γ-ray source afterloading brachytherapy[S]. Beijing: People's Health Publishing House, 2007

3 中华人民共和国国家职业卫生标准. GBZ 121-2002, 后装γ源近距离治疗卫生防护标准[S]. 北京: 人民卫生出版社, 2002

National occupational health standards of the People's Republic of China. GBZ 121-2002, Radiologic protection standards for γ-ray afterloading brachytherapy[S]. Beijing: People's Health Publishing House, 2002

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CLC TL929

Detection of brachytherapy source dwell positions based on mathematical morphology

JIANG Lipeng1ZHANG Huaiwen2GU Shanshan3
1(Department of Radiation Oncology, First Hospital of Liaoning Medical University, Jinzhou 121001, China)
2(Department of Radiation Oncology, Jiangxi Cancer Hospital, Nanchang 330029, China)
3(Department of Radiation Oncology, Chinese People's Liberation Army General Hospital, Beijing 100853, China)

Background: Accuracy of brachytherapy source positions is an important part of radiotherapy quality assurance using two-dimension ion chamber array or film. It has already been confirmed that the mathematical morphology algorithm can be used for medical image processing. Purpose: This study aims to detect the dwell position of high-dose-rate brachytherapy source using EBT3film based on mathematical morphology. Methods: EBT3film was exposed for different step lengths of source and preset dwell position errors. The scanned digital images were denoised using contourlet transform. Black spots of192Ir source were obtained on the basis of threshold selection and morphological operation. The positions of source were acquired by means of binary centroid algorithm. The calculated source position coordinates were compared with the reference data. Results: The error of source step length was less than ±0.2 mm, while the error of source dwell position was within ±0.5 mm. Conclusion: Mathematical morphology can be used in automatic detection of brachytherapy source positions. This method is simple and reliable.

192Ir, Brachytherapy, Film, Mathematical morphology, Quality assurance

TL929

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060503

江西省卫生厅科技计划项目(No.20141125)资助

姜立朋，男，1977年出生，2013年于承德医学院获硕士学位，研究方向为肺癌的放射治疗

谷珊珊，E-mail: guss1990@163.com

2015-03-17，

2015-05-05