MIM软件CT图像自动刚性配准的准确性研究*

宋恒利　鞠忠建　王金媛　郑庆增　王小深　徐 伟　冯林春　王运来*

MIM软件CT图像自动刚性配准的准确性研究*

宋恒利①鞠忠建②王金媛②郑庆增③王小深②徐 伟②冯林春②王运来②*

目的：验证分析放射治疗应用靶区勾画软件MIM的CT图像自动刚性配准的准确性。方法：利用西门子SOMATOM Definition AS CT扫描机对Penta-Guide模体进行扫描，获得的CT图像作为参考图像，再将模体相对于等中心沿左右、头脚和前后3个方向移动预定的距离，以及在冠状面旋转预定角度再平移，分别进行CT扫描；所获得的CT图像以DICOM格式传输至MIM 6.5.4系统，与参考图像配准，分析左右、头脚和前后方向的平移配准误差以及冠状面旋转配准误差；选择头部肿瘤患者进行患者CT图像配准的验证。结果：Penta-Guide模体在左右、头脚和前后3个方向的配准误差均＜1 mm，冠状面旋转方向配准误差均＜0.5o。头部疾病患者在左右、头脚和前后3个方向的配准误差也＜1 mm。结论：MIM软件CT图像自动刚性配准的准确性好，操作简单，可应用于临床。

MIM软件；图像配准；Penta-Guide模体；刚性配准；放射治疗

［First-author's address］ Department of Radiation Oncology， Henan Cancer Hospital， Zhengzhou 450008， China.

在放射治疗技术中，靶区和正常组织的准确勾画是保证靶区及正常组织照射剂量准确性的前提条件。治疗计划的设计主要依赖于模拟定位CT，CT图像能提供解剖结构信息，但软组织分辨率低，难以准确勾画靶区边界，需要将多种模态医学图像与定位CT配准融合，并结合各种医学图像的优势［1-2］。在放射治疗过程中患者靶区体积可能发生变化，需要调整治疗计划，随着患者生存期延长，需要多次接受放射治疗。此期间，需将分次获得的CT图像进行配准融合。MIM软件是近期应用于放射治疗的软件，能够自动勾画重要组织、器官和多模态图像配准融合，提高靶区勾画的效率。MIM软件图像配准的准确性需要进行验证，但目前尚未见相关报道［3-4］。本研究利用Penta-Guide模体进行CT扫描配准，验证MIM 6.5.4软件自动刚性配准的准确性。

1　材料与方法

1.1MIM 6.5.4软件

MIM 6.5.4软件（美国MIM software公司）是应用于放射治疗的靶区勾画软件。用于单光子发射型电子计算机断层扫描仪（single-photon emission computed tomography，SPECT）、正电子发射断层摄影术（positron-emission tomography，PET）、X线计算机断层成像（X-ray computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、X射线和超声等诊断影像的阅片、配准、融合和（或）显示。医生可手动创建、转换和修改勾画；通过导入勾画好的患者信息，建立数据库，基于数据库自动勾画患者正常器官；多模态图像的自动配准融合；基于图像配准融合的剂量叠加。MIM 6.5.4软件能够接收并读取多种计划系统的图像，勾画、剂量分布以及剂量-体积直方图（dose volume histogram，DVH）等信息，对于放射治疗中多种计划系统具有很好的兼容性。MIM 6.5.4软件提供基于标记点和基于区域等多种配准方法，可融合任意数量的不同模态的图像，包括CT、MRI、PET、SPECT及锥形束计算机断层摄影（conebeam computed tomography，CBCT）等，其自动刚性配准基于最大互信息算法，融合速度快，并可轻松手动调整。

1.2Penta-Guide模体

Penta-Guide模体（加拿大Quasar公司）是放射治疗中最常用的模体，主要用于二维和（或）三维影像配准的准确性验证、灯光野与照射野的一致性验证、治疗床的位移验证以及影像系统和加速器的质量控制［5］。Penta-Guide模体由丙烯酸树脂材料制成，为16 cm×16 cm的正方体，内有5个大小不同的球形空气腔，通过CT扫描可显示相应的影像，作为图像配准的参考标记［6］。模体表面有长短2套十字线，长十字线位于模体的几何中心，短十字线与长十字线的距离分别为左右方向10 mm，头脚方向14 mm，前后方向12 mm，可以作为定位移动误差（如图1所示）。

图1　Penta-Guide模体示图

1.3模体图像配准的准确性方法

（1）将Penta-Guide模体按照表面标注的左右、头脚和前后3个方向摆放至CT床上，利用模体自带的水平仪调整模体水平，CT扫描激光灯对准Penta-Guide模体的长十字刻度线，进行CT扫描。扫描参数：头部扫描模式，电压120 kV，有效电流300 mAs，层厚3 mm，重建算法Medium smooth。CT图像作为图像配准的参考图像。

（2）将模体沿左右、头脚和前后单独方向平移2 mm、3 mm、5 mm、10 mm和20 mm，分别获取存在位置偏差的CT图像，以研究图像在单个方向平移配准的准确性；再将模体在左右、头脚和前后3个方向同时分别平移2 mm、3 mm、5 mm、10 mm和20 mm距离，获取CT图像，用于评价图像在沿左右、头脚和前后3个方向同时存在平移误差的配准准确性。为了验证平移和旋转角度同时存在误差时图像配准的准确性，将模体在左右、头脚和前后3个方向同时平移5 mm并在冠状面方向分别旋转2o、3o和5o时获取CT图像。

（3）CT图像采集完成后，均通过DICOM格式传输至MIM 6.5.4软件系统。采用刚性配准对存在位置偏差的CT图像和参考CT图像进行自动配准。配准完成后，点击“Edit Translation”功能键读取浮动图像的移动距离和“Edit Rotation”功能键读取旋转角度。记录数据并与已知平移距离和冠状面方向旋转角度比较，得到配准误差。

1.4图像配准的准确性方法

标准配送式变电站采用面向间隔与功能的模块化设计原则，形成“预制舱式二次组合设备+预制式组合二次设备+预制式智能控制柜”的模块化设计方案[1]。标准配送式变电站站内二次设备模块主要包括预制舱式二次组合设备、预制式智能控制柜、预制式组合二次设备，其中公用二次设备采用模块化二次组合设备，布置于装配式建筑物内；各电压等级及主变间隔二次设备采用预制舱式二次组合设备，布置于配电装置场地；合并单元、智能终端等二次设备选用预制式智能控制柜，与汇控柜一体化布置于配电装置场地[2]。

头部肿瘤患者骨性标志明显，形变小，适合进行自动刚性配准。本研究选取实际治疗的1例头部肿瘤患者（获得患者知情同意），取仰卧位，双手置于体侧并用热塑面膜固定，移动治疗床使患者面膜上的3个十字线与激光线重合，扫描获得的CT图像作为参考CT图像。同时，沿患者左右、头脚和前后3个方向分别移动5 mm、10 mm及5 mm，再次进行CT扫描，获取患者CT图像。将两套CT图像通过网络传输到MIM 6.5.4软件系统，进行图像配准，并比较配准位置移动误差。

2　结果

2.1Penta-Guide模体的CT图像配准

（1）模体配准前图像。Penta-Guide模体在左右、头脚和前后方向同时偏移5 mm扫描得到的CT图像与参考CT图像的配准，以模体内的空气气腔及边界是否重合作为判断依据，配准前矢状面、冠状面和横断面图像中空气气腔均不重合，如图2所示。

图2　Penta-Guide模体配准前图像

（2）模体配准后图像。模体内气腔完全重合且模体边缘清晰可见，图中灰色区域为浮动CT图像，如图3所示。

图3　Penta-Guide模体配准后图像

2.2模体沿一个方向平移的配准误差

Penta-Guide模体沿左右、头脚和前后单个方向存在平移误差的配准，其中前后和左右方向的配准误差较小；头脚方向配准误差稍大，主要由于CT图像层厚的影响。左右、头脚和前后方向的配准误差为随机，且与参考位置之间的位置偏差大小无关。移动距离为20 mm的模体大失配条件下，MIM 6.5.4软件也能准确给出结果，其结果如图4所示。

2.3模体沿三个方向同时平移的配准误差

图4　模体沿一个方向平移时的配准误差示图

图5　模体沿三个方向同时平移时的配准误差示图

2.4模体平移加旋转的配准误差

Penta-guide模体平移加旋转的配准，其中平移时的最小误差出现在左右方向，为0.1 mm；最大误差出现在头脚方向，为0.5 mm。左右、头脚和前后方向平均误差分别为0.3 mm、0.4 mm及0.3 mm。冠状面方向旋转角度配准的最小误差为0，最大误差为0.5o。旋转角度配准误差与Penta-Guide模体实际的旋转角度大小无关。结果表明，模体同时存在平移和旋转偏差，MIM 6.5.4软件也能给出准确的结果，其结果见表1。

表1　模体平移+冠状面旋转配准误差

2.5头颈部疾病患者的配准误差

（1）患者配准前图像。配准前头颈部疾病患者的CT图像冠状面、横断面及矢状面CT图像中颅骨和脊柱等骨性标志明显存在偏差（红色为浮动CT图像），如图6所示。

图6　头颈部肿瘤患者配准前图像

（2）患者配准后图像。配准后头颈部疾病患者的CT图像颅骨和脊柱等骨性标志重合得很好。本例患者在左右、头脚方向及前后方向的配准误差分别为0.6 mm、0.7 mm和0.3 mm。头颈部肿瘤患者的配准结果非常好（红色为浮动CT图像），如图7所示。

图7　头颈部肿瘤患者配准后图像

3　讨论

放射治疗的基础是确定肿瘤的位置及边界以及肿瘤与周围正常组织和器官的空间解剖学关系。CT对软组织分辨率差，很难仅通过CT图像精确判断肿瘤的边界，需要利用图像配准融合技术将增强CT图像、MRI图像及PET图像等多模态图像与定位CT相结合，方可提供更丰富、全面的解剖结构信息，有助于减少靶区外放边界，在提高靶区受照射剂量的同时，降低正常组织的不良反应［7-12］。图像配准是图像融合的基础，配准结果的准确性直接影响图像融合的质量，故图像配准技术可用于评估和跟踪肿瘤的放射治疗效果。

图像配准的目的是建立两幅图像的像元之间相对应关系，使其几何关系达到匹配，从而去除或抑制待配准图像和参考图像之间几何上的差异。最大互信息的计算涉及大量的浮点运算，其配准过程复杂费时。此外，离散误差可能使目标函数产生局部极值，产生错误的配准结果；同时对缩放旋转及扭曲等较敏感，若待配准图像之间存在大比例变化、旋转和平移，或存在较大的图像非线性畸变以及严重的几何校正残余误差等情况，其配准难度增大，甚至无法完成配准。因此，图像配准需要进行严格的质量保证与质量控制。

快速和精确的融合功能对于获取不同检查间相关信息至关重要。目前，多数计划系统均可提供图像配准融合功能，但配准精度较差，并需医生手动配准，不但耗时，且存在一定的主观性。MIM 6.5.4软件可定制临床阅片工作流程，由软件自动运行系列动作组合，提供自动、可重复使用的图像分析手段；可完成任意数量检查的自动配准、多布局无缝切换、色度表变更以及屏幕截取等操作，是放射治疗靶区和器官勾画的有效工具。MIM 6.5.4软件自动刚性配准对于头颈部肿瘤患者图像配准效果较好，而对于形变较明显的胸腹部图像MIM 6.5.4软件的自动刚性配准结果则较差，需要应用形变配准和手动配准。本研究对不同分次时间获取的CT图像进行CT与CT单模态配准验证，在自适应放射治疗以及疗效评估方面具有一定的实际应用价值。其他多模态图像配准以及形变配准的准确性将做进一步研究。

Penta-Guide模体以及头颈部肿瘤患者病例的研究结果表明，MIM软件刚性配准的准确性高，完全能够满足放射治疗对位置准确性的要求，并可应用于临床。

［1］张见威，韩国强，张见东.医学解剖图像与功能图像配准技术综述［J］.中国医疗设备，2006，21（6）：90-94.

［2］赵军.PET-CT—功能与解剖结构的同机图像融合［J］.国外医学：放射医学核医学分册，2000，24（6）：246-249.

［3］任基伟，郭瑞嵩，侯丽娜，等.磁共振成像与CT图像融合技术在喉癌精确放疗定位中的初步应用［J］.实用医学影像杂志，2012，13（3）：160-162.

［4］王军良，周振山，薛娴，等.锥形束CT图像与计划CT图像配准方法分析［J］.中国医学物理学杂志，2011，28（1）：2386-2388.

［5］韩媛媛，王运来.Synergy加速器治疗床自动摆位准确性的验证［J］.中国医学物理学杂志，2012，29（3）：3360-3363.

［6］Sykes JR，Lindsay R，Dean CJ，et al.Measurement of cone beam CT coincidence with megavoltage isocentre and image sharpness using the QUASAR Penta-Guide phantom［J］. Phys Med Biol，2008，53（19）：5275-5293.

［7］Wong CM，O'Connor DT，Martinez JA，et al.Medical image registration using mutual information［J］. Proceedings of the IEEE，2003，91（10）：1699-1722.

［8］Dhawan AP.Rigid and non-rigid medical image registration methods［J］.Internat J Biomed Engineer Technology，2012（2-3）：200-219.

［9］Pluim JP，Maintz JB，Viergever MA.Mutualinformation-based registration of medical images：a survey［J］.IEEE Trans Med Imaging，2003，22（8）：986-1004.

［10］张孝飞，王强.医学图像融合技术研究综述［J］.广西科学，2002，9（1）：64-68.

［11］刘振颖，张永寿.基于控制点图像配准方法的研究［J］.中国医学装备，2011，8（3）：6-9.

［12］单书灿，邱杰，全红，等.自动勾画软件对鼻咽癌靶区和危及器官勾画结果对比分析［J］.中国医学装备，2015，12（7）：33-36.

Accuracy verification of automatic rigid registration of CT images with the MIM software

/SONG Heng-li， JU Zhong-jian， WANG Jin-yuan， et al//
China Medical Equipment，2016，13（8）：17-20.

Objective： To verify the accuracy of automatic rigid medical image registration with MIM 6.5.4 software newly used in radiotherapy. Methods： The Penta-Guide phantom was placed at isocenter and scanned with Siemens Definition AS CT scanner. CT images were obtained as reference images. Then the phantom was translated several given distances in lateral， longitudinal and vertical direction， and in three directions simultaneously， also with a translational and a rotational movement. All the CT images were transferred to MIM 6.5.4 system via DICOM. Translational and rotational errors were acquired by registering the floating images with the reference image. Patients with brain tumors were selected to perform patient-specific verification. Results： The Penta-Guide phantom registration data showed that the translational errors were less than 1 mm in lateral， longitudinal or vertical directions， and the rotational errors in coronal plane were less than 0.5 degree. Registration errors for patients with brain tumor were less than 1 mm. Conclusion： Automatic rigid medical image registration using MIM software is accurate and can be safely used in clinical.

MIM software； Image registration； Penta-Guide phantom； Rigid registration； Radiotherapy

1672-8270（2016）08-0017-04 ［中图分类号］R812

A

宋恒利，女，（1991- ），硕士。河南省肿瘤医院放疗科，研究方向：辐射计量学。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.005

解放军总医院转化医学基金（105059）“新型追踪标记物在立体定向放疗中的研发与应用”

①河南省肿瘤医院放疗科 河南 郑州 450008

②解放军总医院放疗科 北京 100853

③武汉大学物理科学与技术学院 湖北 武汉 430072

nanyangwang@163.com

2016-03-21