锥形束CT扫描角度及中心位置对模体靶区的影响

林 涛，高留刚，眭建锋，谢 凯，李春迎，陆正大，倪昕晔*

(1.南京医科大学附属常州第二人民医院放疗科，江苏 常州 213003；2.南京医科大学医学物理研究中心，江苏 常州 213003；3.常州市医学物理重点实验室，江苏 常州 213003)

图像引导放射治疗(image-guided radiation therapy, IGRT)中，可采用电子射野影像装置(electronic portal imaging device, EPID)、千伏级或兆伏级机载锥形束CT(cone beam computer tomography, CBCT)、B超及MR等获取图像。加速器机载CBCT是IGRT获取图像的常用方式。CBCT图像可与定位CT图像融合，验证靶区精度和治疗摆位的准确性，常用于引导介入治疗各部位肿瘤[1-3]，通过CBCT图像确定摆位及治疗计划是否需要调整，故CBCT图像质量及所示靶区体积和形状的准确性非常重要。CBCT图像质量主要与扫描参数管电压、管电流、图像采集帧数、采集速度和准直器、滤线器等装置及扫描方式等有关[4-6]。本研究观察CBCT扫描角度及中心位置变化对模体中植入物体积、形状及CT值的影响。

1 材料与方法

1.1 一般材料 美国CIRS公司非均匀模体和002H9K调强均匀模体，瑞典医科达公司Infinity直线加速器X线容积影像(X-ray volume imaging, XVI)系统和Monaco计划系统(版本Monaco 5.1)。

1.2 仪器与方法 将002H9K调强均匀模体的插件插入非均匀模体(图1)，模拟肺组织肿瘤。以Infinity直线加速器XVI系统扫描模体，以插棒中心为扫描中心，管电压120 kV，转速180 deg/min，准直器L20，滤线器F1，采集帧数660，机架旋转360°。扫描结束后重建图像，层厚5 mm，并回传至Monaco计划系统。分别在X(左-右，L-R)、Y(前-后，A-P)、Z(上-下，S-I)方向上将扫描中心向L、A、S方向移动2.5、5.0、7.5和10.0 cm进行扫描，并重建为层厚5 mm图像，回传至Monaco计划系统，共得到13组扫描中心不同的CBCT图像。每组重复扫描3次，取平均值进行统计分析。

采用上述扫描条件，机架沿顺时针方向和逆时针方向间隔20°以180°～360°进行扫描，之后重建图像，层厚5 mm，并回传至Monaco计划系统，得到20组不同扫描角度CBCT图像。

1.3 植入物勾画与体积比较 于Monaco计划系统各组CBCT图像上勾画植入物ROI，窗宽、窗位一致，起始处距定位点层面距离一致，采用边缘探测功能，探测敏感度为100%，勾画6层，获得其体积及CT值的平均值。

1.4 统计学分析 采用SPSS 19.0统计分析软件。计量资料以±s表示，以单因数方差分析进行比较，组间两两比较采用LSD(方差齐性时)或Tamhane(方差不齐时)方法。P<0.05为差异有统计学意义。

图1 插入调强均匀模体的非均匀模体示意图

2 结果

2.1 不同扫描中心图像中植入物体积及CT值X方向上，随扫描中心偏移距离增加，植入物体积增大，组间两两比较差异均有统计学意义(P均<0.05)。Y方向上，随扫描中心偏移距离增大，植入物体积减小，组间两两比较差异均有统计学意义(P均<0.05)。Z方向上，扫描中心偏移距离不同，植入物体积差异有统计学意义(P<0.01)；两两比较，偏移7.5 cm与偏移10.0 cm差异无统计学意义(P>0.05),其余两两比较差异均有统计学意义(P均<0.05)。见表1。

扫描中心在不同方向偏移不同距离后，植入物CT值总体差异均有统计学意义(P均<0.01)，见表2。

表3 机架顺时针旋转不同扫描角度图像植入物体积及CT值比较(±s)

表3 机架顺时针旋转不同扫描角度图像植入物体积及CT值比较(±s)

机架旋转角度体积(cm3)顺时针逆时针CT值(HU)顺时针逆时针180°14.15±0.0413.95±0.03-258.67±1.53-381.33±2.52200°14.14±0.0313.87±0.02-186.67±3.06-286.67±1.53220°14.11±0.1213.79±0.05-221.67±3.51-306.67±3.51240°14.01±0.0313.78±0.02-237.67±4.51-317.33±2.52260°13.95±0.0113.75±0.01-253.67±2.52-334.33±1.52280°13.85±0.0513.70±0.05-272.67±5.51-348.33±5.51300°13.73±0.0413.63±0.03-289.67±3.51-350.33±2.52320°13.66±0.0213.58±0.01-299.67±3.06-346.67±4.51340°13.58±0.0913.54±0.02-305.67±7.51-341.33±6.51360°14.16±0.0214.18±0.0268.33±2.5268.67±3.51F值48.03158.652 180.873 600.89P值<0.01<0.01<0.01<0.01

两两比较，X方向上，不同偏移距离图像CT值差异均有统计学意义(P均<0.05)；Y方向上，未偏移与偏移10.0 cm图像CT值差异无统计学意义(P>0.05)，其余各图像CT值差异均有统计学意义(P均<0.05)；Z方向上，移动2.5 cm与移动10.0 cm图像CT值差异无统计学意义(P>0.05)，其余各图像CT值差异均有统计学意义(P均<0.05)。

表1 扫描中心偏移不同距离后CBCT图像植入物体积比较(cm3，±s)

表1 扫描中心偏移不同距离后CBCT图像植入物体积比较(cm3，±s)

移动距离(cm)体积X方向Y方向Z方向011.46±0.0111.46±0.0111.46±0.012.511.48±0.0211.32±0.0111.50±0.025.011.87±0.0111.23±0.0111.87±0.027.512.12±0.0111.20±0.0112.12±0.0310.012.20±0.0511.11±0.0612.13±0.02F值3 583.85523.062 919.88P值<0.01<0.01<0.01

表2 扫描中心偏移不同距离后CBCT图像CT值比较(HU，±s)

表2 扫描中心偏移不同距离后CBCT图像CT值比较(HU，±s)

移动距离(cm)体积X方向Y方向Z方向047.33±2.5247.33±2.5247.33±2.522.54.33±2.3115.33±1.53-22.67±0.585.0-5.33±2.52-2.33±2.52-14.67±3.227.5-13.67±1.539.33±3.51-19.33±3.5110.0-26.33±4.5147.67±4.04-26.33±3.22F值291.38179.21357.56P值<0.01<0.01<0.01

2.2 不同扫描角度图像植入物体积及CT值 机架顺时针或逆时针旋转时，扫描角度<360°CBCT图像中植入物形状均发生形变(图2)，不同角度图像植入物体积总体差异均有统计学意义(P均<0.01)，见表3。两两比较，机架顺时针旋转180°、200°、220°及360°间、240°与260°间、300°与320°间图像植入物体积差异无统计学意义(P均>0.05)；逆时针旋转220°、240°、260°间植入物体积差异无统计学意义(P均>0.05)；其他各图像体积差异均有统计学意义(P均<0.05)。

机架顺时针或逆时针旋转不同角度图像植入物CT值总体差异均有统计学意义(P均<0.01)，见表3。360°扫描时，顺时针和逆时针扫描CBCT图像中植入物平均CT值分别为68.33 HU和68.67 HU，扫描角度<360°的CBCT图像中植入物CT值均降为负值。两两比较，顺时针旋转180°图像中植入物CT值与260°差异无统计学意义(P>0.05)，逆时针旋转280°、300°及320°间图像中植入物CT值差异均无统计学意义(P均>0.05)，其余各图像中植入物CT值差异均有统计学意义(P均<0.05)。

3 讨论

临床常于放射治疗前以机载CBCT采集一组CBCT图像，与常规定位CT图像进行配准，以评估摆位精确性。CBCT图像质量影响配准精度，进而影响摆位准确性。

本研究中，机架旋转<360°时，模体CBCT图像中植入物CT值均小于360°图像；相比360°图像，其余扫描角度CBCT图像中植入物体积均有所变化，原因在于扫描信息缺失，导致FDK算法将更多模拟肺组织的低密度区域重建为ROI，使CT值陡降为负值。无论顺时针还是逆时针旋转，扫描角度不同，则探测器接收射线范围不同。机载CBCT的千伏级成像轴与加速器兆伏级治疗束的成像轴呈正相交，CBCT扫描起始角度为机架180°，CBCT探测器位于90°，顺时针扫描时，探测器从90°位置顺时针旋转，逆时针则自90°逆时针旋转，X射线穿过的物体不同，故扫描角度相同而扫描方向不同时，ROI体积和CT值不同。

本研究结果显示，扫描角度<360°时，重建CBCT横断位图像中植入物形状均产生形变。CBCT扫描获得二维图像信息，经FDK算法重建得到三维图像信息，图像数量越多，用于重建的信息量越大，图像质量越好，其横断位图像重建依赖于整个FOV范围内物体体积的散射[7]，机架旋转角度决定扫描图像数量，扫描角度<360°时，部分信息缺失，FDK算法虽可重建图像，但三维图像形状产生变化。

图2 机架顺时针旋转CBCT图像 A～J.分别为顺时针旋转180°、200°、220°、240°、260°、280°、300°、320°、340°及360°图像

本研究发现扫描中心位置不同，图像中植入物体积及CT值各异，这是由于扫描中心与探测器的距离不同，则产生的散射线不同。断层图像中物体密度与其在FOV内所处位置有关，ROI偏离FOV中心距离不同，CT值及体积发亦不相同[8]。蒋晓芹等[9]认为组织在CBCT图像中与扫描中心的空间位置关系影响其CT值。如两个靶区分散于不同位置，CBCT扫描中心可能位于远离两个靶区的体积中心，造成扫描中心与靶区中心不一致，即靶区不在FOV中心，所获CBCT图像中靶区形状及体积可能与常规定位CT图像不一致，影响配准精度。使扫描物体处于FOV中心可获得质量更佳的图像[10-11]。

CBCT图像可用于引导治疗，也可用于剂量引导，基于CBCT计算剂量可评估靶区和解剖结构变化所致剂量变化，从而确定是否需再次定位和修改治疗计划。头颈部CBCT图像CT值的一致性较好，可直接以之建立CT值-电子密度曲线，进行剂量计算[12]；其他部位存在空腔脏器等非均匀密度组织，如不对CBCT图像进行校正而直接计算剂量，可能产生>10%的剂量误差[13]，以校正后CBCT图像计算剂量可将误差降至2%以下[14-15]。

综上所述，CBCT扫描时机架旋转角度及扫描中心与靶区的相对关系对模体靶体积及CT值存在一定的影响。机架旋转360°并以计划中心为靶区中心进行扫描为最佳选择。