基于Hough Circle变换检测直线加速器等中心位置偏差的研究分析*

吴思宇 康德华 伍海彪 陈 利 马彦凝 黄晓延*

医用电子直线加速器是当前治疗肿瘤的重要设备，而加速器等中心精确度直接影响放射治疗计划的执行，是保证放射治疗质量的关键因素。在日常使用中，由于环境、运行损耗和故障维修等因素，会改变机器等中心精度，从而造成一定的误差[1-4]。验证等中心精度方法主要包括机械力学测量和影像分析两大类，机械力学测量主要依赖人肉眼分析，虽然经济实惠，但精度远不及影像分析，目前基于影像分析等中心精度主要依赖胶片及相关分析仪器或软件，但成本较高，难以将等中心检测纳入常规质量控制中[5-7]。从质量效率和成本效益方面考虑，本研究拟基于电子射野影像装置(electronic portal imaging device，EPID)图像，采取数字化图像处理的方法，实现直线加速器转动过程中的等中心径迹追踪，对确定等中心位置，提高精度有一定借鉴作用。

霍夫圆变换(Hough circle transform，HCT)是一种基本的数字图像处理算法，主要用于检测数字图像中圆的特征提取技术，自动探测圆心的像素绝对误差达到0.037±0.019，常规的电子射野成像分辨率是0.5 mm，转换成平均探测误差为0.02 mm[8-9]。而肉眼观察到的分辨率为(0.042±0.294)mm，使得探测精度比肉眼观察到的和图像分辨率都要高许多[10]。本研究应用HCT算法探测圆边界，探讨图像等中心的位置信息。

1 材料与方法

1.1 仪器设备与参数

(1)实验采用Trilogy型医用电子直线加速器(美国Varian公司)；BRAINLAB Lightfield Pointer/WL Pointer X刀专用验证设备(德国Brain LAB公司)。

(2)能量为6 MV光子线，非晶硅平板探测器(a-Si EPID)，有效探测面积为40.96 cm×40.96 cm，分辨率为0.39 mm，输出16位像素为768×1024的图像[11]。使用博医来X刀专用验证设备，直径为35 mm的立体定向放射治疗准直器(stereotactic radiation therapy Cone，SRT Cone)及其安装在准直器上的托架，等中心摆位标记帽LAB指针(LAB pointer)和直径为3 mm的金球光野指针及安装在治疗床头的托架。在个人计算机上用Matlab 9.1(R2016b)软件处理图像。

1.2 实验方法

(1)在机架角度和准直器角度均为0°时，将SRT Cone托架固定在加速器机头的准直器上，安装直径为35 mm的SRT Cone。将EPID安全伸出到固定位置(-40，0，0)，即源到探测板的距离(source image distance，SID)为160 cm。治疗床角度为0°，将指针托架(X刀托架)固定在治疗床头，将带摆位标记帽的指针固定在托架上，打开光野，使得指针落在光野的中心，微调托架上的旋钮，使标记帽上的摆位线对准已校准过的激光线，将指针换成金球，此时金球的位置即为加速器的等中心位置[12-13](图1)。

图1 等中心摆位示意图

(2)设置射野大小为6 cm×6 cm，机架角度为0°，采集EPID本底图像。加速器输出2 MU后拍摄小金球的EPID图像，转动机架角度，间隔30°拍摄1次，共拍摄12个空间位置，如此反复3次，导出图像文件。

1.3 图像处理

(1)使用Matlab软件编程，读取导出的医学数字成像及通信(digital imaging and communication of medicine，DICOM)文件，转换成jpg格式，画出金球和SRT Cone在X方向上像素值变化的曲线及微分曲线图像成像质量尚佳，灰度分割较明显，半影边界清晰，有利于对图像进行处理分析[14-15](图2)。

图2 图像成像质量分析

(2)使用最大类间方差法自适应获取精确的阈值，将灰度图像二值化后填充图像，给定半径探测范围检测SRT Cone的边界，计算中心点坐标。裁剪图像到合适的尺寸，使用直方图均衡化增强对比度，自适应获取阈值，再将灰度图像转换成二值图像，给定半径探测范围检测金球边界，计算中心点坐标(图3)。

(3)根据HCT自动探测提取圆的特征技术，此时探测到的圆半径与实际物理上的圆半径等价，其计算为公式1:

图3 图像处理过程

(4)为更直观地显示出2个圆的轮廓，根据自动探测到的边界勾画圆周，见图4。

1.4 计算误差

SRT Cone的真实半径与探测到的半径之比即为每一个像素误差，再将该像素误差转换为毫米误差，计算2个圆心位置之间的偏差，得到等中心位置的平面偏差坐标(Xi，Yi)，其中i=1，2，之间的偏差分别表示12个机架角度的位置，再换算到空间位置，α表示机架角度，空间3个方向的位置偏差计算为公式2:

算出误差大小为公式3:

式中R为误差大小。

2 结果

2.1 等中心处误差数据

实验测量各机架角度对应等中心处取误差大小数据，机架在30°和330°的2个对称位置偏差最大，处于0°时等中心在X方向(AB方向)偏差最大，顺时针旋转到150°的过程中，误差逐渐减小，在臂架处于150°时等中心偏差最小。在90°～150°和210°～270°的2个对称位置等中心偏差较小且递减，表明臂架处于这2个位置时较为稳定，对机器等中心影响较小(见表1)。

由表1计算出误差均值[ΔXi，ΔYi，ΔZi]=[-0.3665，-0.1459，-0.1311]，即机器等中心平均误差大小为偏差＜0.5 mm满足临床使用条件。

2.2 误差数据分析

由表1作出误差平面分布散点图，机架转动一周，误差在平面方向上近似呈两条平行线型增长，等中心投影到平面上在某一方向上随着机架转动误差逐渐增大，当转到对侧位置时又逐渐减小。空间分布散点图分析X、Y和Z的3个方向(分别对应加速器AB、GT、UD方向)，在X方向上小球偏向A侧，GT和UD方向偏差较均衡。为更加直观看到小球在空间位置的误差分析，根据内插值法拟合曲线，能够得到误差在空间分布近似球型图，等中心偏差在1 mm范围内波动(图5)。

表1 等中心在平面和空间位置的误差

图5 误差分析示意图

3 讨论

本研究中直线加速器的等中心偏差测量利用一套SRT验证专用设备，是基于SRT小野照射、剂量特别集中、剂量梯度靶区边缘特别陡峭等特点，选用6 cm×6 cm照射野，直径35 mm的SRT Cone及直径3 mm的金球，使加速器输出剂量集中，减少散射线对成像质量的影响。从图2、图3的像素曲线可以看出，图像成像质量尚佳，灰度分割较明显，半影边界清晰，为识别圆边界探测提供较好的图像基础。通过不断调整机架角度，用EPID拍摄获取图像，由于获取的图像为等中心点随机架转动各个角度的相对误差大小，故此误差大小与机架转动过程中SRT Cone、EPID和机架本身的晃动带来的影响极小。

在本研究中，基于Matlab软件平台编写程序对图像进行处理，应用HCT算法检测2个圆的边界，通过读取像素值精确地计算出2个圆心的位置偏差，亦可换算到空间中难以观察到机架角度等中心偏移的位置关系，能较直观地反映出等中心的位置。从数字图像方面对等中心位置进行分析，探测精度较肉眼观测到的提高了1倍，平均探测误差为0.02 mm，肉眼观察到的分辨率为(0.042±0.294)mm，直接在图像上反映出等中心在各个方向的位置偏移量，能够获取更丰富的位置信息，在一定程度上提高了质量控制精度。从实验结果来看，机架转动过程中AB方向稳定性略差，等中心略偏向A侧，这可能与加速器是轴承式装配结构有关。

本研究提供一种研究分析等中心精度的思路方法，EPID拍摄取代传统的胶片测量，节约成本，操作流程简便，每次拍摄后只需在后台应用Matlab平台调用程序分析图像即可，减少质量控制占用机器的时间，这对加速器等中心质量控制有一定指导意义。