锥形束CT低剂量模式可行性研究

张丽敏，王克强

1.天津医科大学总医院 医学影像科，天津 300052；2.天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072

引言

锥形束CT（Cone beam CT，CBCT）是实现影像引导放射治疗（Image Guided Radiation Therapy，IGRT）的常用设备，不仅可以修正摆位误差，更好地保护正常组织，而且可以监控治疗过程中肿瘤和正常器官的解剖学变化，实现自适应放疗。然而由于CBCT成像野较大，频繁使用将额外增加靶区外正常器官的辐射剂量，从而增加辐射致癌风险[1]，对儿童患者更需谨慎，因为儿童体型较小，同样的扫描条件下会获得比成人更高的辐射剂量[2]，同时儿童的辐射敏感性更高，预期生存时间更长，使其继发致癌风险远高于成人[3-4]。Zhou等[5]发现IGRT中CBCT对骨髓和脑部的平均累积剂量分别达到460 mGy和644 mGy，其终身归因风险比常规脑部CT高8～10倍。因此美国医学物理师学会发布的TG75号报告建议对IGRT的成像剂量进行评估和优化，以尽可能降低继发致癌风险[6]。

降低成像剂量的策略包括减少使用频率和采用低剂量模式，然而使用频率的降低将难以保证治疗的准确性，因此低剂量模式需要进一步探索。同常规扇形束一样，降低电流（mA）、降低电压（kV）、减少成像帧数等都可以降低辐射剂量[7-9]，但可能增加噪声从而引起图像质量的下降。对于IGRT，需要寻求低剂量模式和图像质量之间的平衡，保证降低辐射剂量的同时满足自动配准的需求。虽然已有研究者证明CBCT低剂量策略对配准结果的影响甚微[10-12]，但缺少图像质量的量化评估，因此本研究旨在评估降低电流（Low mA）、快速扫描（减少成像帧数，Fast）以及超低剂量模式（快速扫描的同时降低电流，Ultra-low dose，UL dose）三种低剂量策略对成像质量的改变，进而评估对自动配准精度的影响，用于指导临床选择合适的CBCT低剂量模式。

1 材料与方法

1.1 CBCT设备

采用Elekta Infinity加速器的机载CBCT系统（XVI）进行成像，XVI系统由kV级X线球管、高压发生器、滤过器、准直器和非晶硅探测板组成。本研究所用软件系统为XVI 5.0，其标准的扫描模式包括头颈部（H&N_S）、胸部（Chest_S）和腹盆部（Pelvis_S），其预设参数包括所用准直器、滤线器、管电压、管电流、脉冲时长、机架旋转范围及机架旋转速度等，具体参数如表1所示。

1.2 低剂量模式

在标准扫描模式的基础上，分别将管电流mA减少一半形成低电流模式（Low mA），将机架旋转速度加倍形成快速模式（Fast），此时成像帧数减少一半，另外将管电流减半的同时机架旋转速度加倍形成超低剂量模式（UL dose）。对头颈部，由于标准模式使用的电流10 mA已经是最小值，无法减半，所以只评估快速扫描低剂量模式，而对胸部和腹盆部分别设置三种低剂量扫描模式，具体参数如表1所示。

表1 头胸腹标准扫描模式和低剂量扫描模式的预设参数

1.3 重建方法

投影图像采集分辨率为512×512，各部位低剂量模式重建时和标准模式一样，选择速度较快的中分辨率重建。

1.4 成像质量评估

kV-CBCT的成像质量包括空间分辨率、噪声、均匀度、低对比度分辨率及几何精度，本研究利用Catphan®CTP 503模体进行检测，该模体包含CTP528模块、CTP486模块和CTP404模块（图1a），其中CTP528模块用于检测图像空间分辨率，CTP486模块用于检测图像均匀度和噪声，CTP404模块用于检测图像低对比度分辨率和几何精度，检测时将Catphan®CTP 503模体中心放置在加速器等中心处，采集CBCT图像后分析方法如下：

（1）空间分辨率：CTP528模块含有21组呈放射状分布的高密度线对结构（图1b），将采集的CBCT图像调至合适的窗宽和窗位，使图像具有最高的分辨率，记录可清晰分辨的线对数。

（2）噪声：CTP486由均匀的固体水组成，噪声代表给定区域中像素值对其平均值的变异，一般用中心区域像素值的标准偏差表示，我们选择面积1 cm2大小的中心区域进行噪声评估。

（3）均匀度：在CTP486模块的CBCT图像上选取5个面积约1 cm2的区域，分别位于图像中心和边缘3、6、9、12点钟方向（图1c），记录其像素平均值，然后利用公式(1)计算。

（4）低对比度分辨率：CTP404模块包括8个不同材质的插件（图1d），其中两个为空气（-1000 HU），其余6个分别为聚甲基戊烯（PMP，-200 HU）、低密度聚乙烯（LDPE，-100 HU）、聚苯乙烯（Polystyrene，-35 HU）、丙烯（Acrylic，120 HU）、聚甲醛树脂（Delrin，340 HU），特氟隆（Teflon，990 HU），这些插件用于分辨图像的对比度，一般读取聚苯乙烯插件和低密度聚乙烯插件横截面中心的像素平均值和标准差，利用公式(2)计算低对比度分辨率。

（5）几何精度：CTP404模块上有4个直径3 mm的孔，水平方向的孔中心距离及垂直方向的孔中心距离都是50 mm（图1d），从CBCT图像上测量距离，与实际值进行比较。

图1 Catphan® 503模体及各模块示意图

1.5 自动配准精度评估

利用QUASARTMPenta-Guide模体（图2）进行配准精度评估，此模体为边长16 cm的立方体，由均匀的丙烯酸树脂制成，内部有5个球形气腔，用于图像配准，表面有两套十字线，长十字线指示模体中心，短十字线指示的位置与模体中心在左右、头脚、垂直方向的距离分别为10、14、12 mm，可用于模拟摆位误差。采用不同扫描模式成像后，将CBCT图像和参考图像进行自动配准，配准采用基于灰度的自动配准算法，重复3次取平均值，记录左右、头脚、垂直方向的误差，同模拟误差进行比较，从而评估配准精度。

图2 Penta-Guide模体

2 结果

2.1 不同扫描模式下图像质量

（1）空间分辨率：标准扫描模式和低剂量扫描模式下得到CTP528模块的CBCT图像如图3所示。无论是头颈部标准模式、快速模式，还是胸腹部标准模式、低剂量模式，可清晰分辨的线对数都是3个。

图3 不同扫描模式下的空间分辨率

（2）噪声：从部位来看，头颈部噪声最大，标准模式19.4，快速模式达到25，胸部次之（4.3～9.2），腹盆部噪声最小（3.4～5）。从扫描模式来看，标准模式噪声最小，快速模式和低电流模式都将增大噪声，但对腹盆部，低剂量模式对噪声的增加并不明显，腹盆部超低剂量模式的噪声只有4.5，完全可以满足临床需求（图4a）。

（3）均匀度：从部位看，头颈部和胸部的均匀度较好，小于1.4%，但腹盆部的图像均匀度较差，达到1.9%。从扫描模式看，低剂量模式有利于提高图像均匀度，尤其是降低电流，使腹盆部的均匀度从标准模式的1.9%降至1.38%，超低剂量模式降到了1.32%（图4b）。

（4）低对比度分辨率：从部位看，头颈部最差，标准模式为3.7%，快速模式达到4.7%；腹盆部最好，标准模式为1%，低电流模式为1.5%；胸部的低对比度分辨率介于二者之间（1.46%～2.2%）。从扫描模式看，低剂量模式将降低图像对比度，但对腹盆部的降低并不明显（图4c）。

（5）几何精度：各种扫描模式的水平方向及垂直方向的几何精度误差都在1 mm之内，平均误差0.5 mm，低剂量扫描模式不会影响几何精度（图4d）。

图4 不同扫描模式下的图像质量（a）噪声（b）均匀度（c）低对比度分辨率（d）几何精度

2.2 自动配准精度

不同扫描模式的自动配准精度如表2所示。头颈部扫描时，X方向的配准误差最大，达到0.5 mm，Z方向的误差达到0.3 mm；而胸腹部扫描时，Y方向的配准误差最大，为0.6 mm。配准误差与扫描部位相关，而与剂量模式无关，低剂量模式并不影响配准精度。

表2 头胸腹标准扫描模式及低剂量扫描模式的自动配准误差（mm）

3 讨论

本研究利用Catphan®503模体评估CBCT不同扫描模式对图像质量的影响，利用Penta-Guide模体探究不同扫描模式对自动配准的影响。通过降低管电流和加快机架旋转速度的方式，设计了不同的低剂量扫描模式，并在头胸腹三个不同的部位进行研究，结果表明降低电流和快速扫描将增加CBCT图像的噪声，使低对比度分辨率变差，但对图像的空间分辨率和几何精度几乎没有影响，并提高了图像的均匀度。尤其对腹盆部，将电流减半同时旋转速度加倍的超低剂量模式对噪声的增加及低对比度分辨率的降低并不明显，但受照剂量降为原来的1/4，扫描时间减为原来的一半，这对儿童患者的CBCT扫描十分有利。

关于降低IGRT中的扫描剂量，已经有一些学者进行了探索。Lu等[13]通过减少成像帧数来降低剂量，将成像帧数减为原来的1/2～1/6，发现随着成像帧数的减少，图像质量不断降低，当小于1/4时会对配准精度产生影响。李明辉等[14]研究的快速扫描模式是将机架旋转速度加倍，图像采集帧数变为原来的一半，减少了扫描时间和扫描剂量，但不影响配准精度。上面的研究中都没有涉及降低电流的低剂量策略，而降低电流可以线性减少扫描剂量[15]。Takei等[12]研究了降低电流对成像质量和配准精度的影响，发现降低电流将增加噪声，对头部和胸部，电流减半时，噪声变为原来的1.5倍；而对腹盆部，电流减为原来的1/8时，噪声是原来的2.2倍。Bryce-Atkinson等[9]模拟降低电流时的CBCT图像，研究其对配准精度的影响，发现将剂量降至0.125 mGy时的配准结果在临床上也可以接受。本研究综合考虑了快速扫描和降低电流的策略，并提出了二者结合的超低剂量模式，研究了其对配准精度的影响，为临床提供了更优的低剂量模式。

目前的研究结果表明低剂量CBCT将降低图像质量，Murphy等[16]发现利用超低剂量CBCT图像进行急性骨折诊断时，由于图像质量变差，导致诊断准确率下降。施雄等[17]利用低剂量CBCT扫描巴马猪猪头，发现随着管电压和管电流的降低，图像质量逐渐下降。然而图像质量的下降或许会对诊断造成影响，但对图像配准影响不大。Bryce-Atkinson等[18]发现在儿童CBCT扫描中，图像质量的下降主要由解剖噪声引起（运动伪影），1 mGy以上的低剂量即可满足配准需求。本研究结果表明，对腹盆部扫描，超低剂量模式对图像噪声、低对比度分辨率影响不大，对空间分辨率和几何精度没有影响，反而提高了图像的均匀度，对配准精度也没有影响，因此建议在临床中使用。

本研究存在的不足主要有两点：① 没有考虑降低电压的低剂量策略；② 低剂量模式的配准精度只经过模体验证，而没有在真实患者身上进行验证。因此下一步的研究将根据患者体型选择合适的低电压，探索其对配准精度的影响。

4 结论

本研究通过降低电流和快速扫描策略设置了不同的低剂量模式，并利用模体评估了不同扫描模式下的图像质量及自动配准精度，结果表明低剂量模式可以在保证图像质量的同时减少成像时间，降低受照剂量，同时不影响配准精度，推荐在儿童CBCT扫描中使用，从而降低继发致癌风险。