螺旋断层放射治疗机MVCT 影像质量的测量分析

戴相昆，王运来，徐寿平，鞠忠建，葛瑞刚，解传滨，巩汉顺

解封军总医院放射治疗科，北京，100583

螺旋断层放射治疗机MVCT 影像质量的测量分析

【作 者】戴相昆，王运来，徐寿平，鞠忠建，葛瑞刚，解传滨，巩汉顺

解封军总医院放射治疗科，北京，100583

目的 分析螺旋断层放射治疗MVCT的影像质量。方法 用CatPhan600体模测量测试MVCT值均匀性和线性、影像噪声、空间分辨率，低对比度和几何精确性，分析螺距对图像质量的影响，并对影响图像质量的因素进行讨论。结果 MVCT影像CT值成线性分布，但是和参考CT值有一定的差别,均匀性较好，空间分辨率为4Lp/cm，低对比度分辨率差于诊断CT和锥形束CT,但可以满足图像引导的要求，几何准确性较好，图像无明显形变发生。 结论 MVCT影像质量不如常规诊断CT，但图像质量可以满足临床治疗中的影像引导的要求。

影像引导放射治疗；螺旋断层放射治疗机MVCT；影像质量

螺旋断层放射治疗机是一种集调强放射治疗和影像引导放射治疗于一体的新型治疗设备，是直线加速器和螺旋扫描CT机的结合。它采用MV级扇形束射线在治疗前或治疗中获取CT图像，用于治疗前和治疗中患者体位的验证，获取更详细的解剖信息，并可根据CT探测器重建患者接受剂量。影像质量是影像引导设备的重要技术指标，并对临床应用产生一定的影响。测量和分析HI-ART II 断层放射治疗机的影像质量是QA和QC的重要内容。本文利用CatPhan600模体测量分析螺旋断层放射治疗机MVCT的影像质量。

1 材料与方法

1.1 螺旋断层放射治疗机的MVCT

HI-ART II 断层放射治疗机CT图像的获取使用GE环形充氙气体电离室,共有738个通道，其中540个用于MVCT成像，其他用于测量本底。每个通道用25.4 mm长和0.32 mm厚的钨片分隔成两个空腔，空腔内为氙气，其气压约为5个大气压。电离室通道之间的间隔为1.21 mm。收集每个电离室通道两个空腔产生的电荷量形成探测信号。源到探测器的距离为145 cm，源到等中心的距离为85 cm。视野大小由多叶准直器叶片的宽度决定，叶片在等中心的最大投影宽度为40 cm，MVCT的FOV为40 cm。探测器阵列的曲率半径为110 cm。[3]

螺旋断层治疗机MVCT其能量由6 MV可调制至3.5MV，铅门长度为4 mm，等中心处射野宽度为400mm。当患者穿过治疗机孔径时，籍机架连续旋转获取患者的MVCT图像。断层放射治疗机MVCT扫描时的能量和强度是固定的，可调参数为螺距比。螺距比的定义为射野在等中心处的长度与机架每旋转一圈时治疗床前进的距离的比值。螺旋断层治疗机MVCT共有三种扫描模式，分别为Fine、Normal和Coarse，对应图像层厚分别为2 mm、4 mm、6 mm，对应的螺距为1、1.6、2.4。数据获取后影响图像质量的主要参数是像素大小。HI-ART II 断层放射治疗机采用512×512像素矩阵。[3]

1.2 测量体模

我们使用的Catphan600体模由CTP404、CTP528和CTP486等3个影像测试模块串联组成。其中CTP404直径为150 mm,厚度为25 mm，在水平和垂直方向各嵌有两条斜角为23o的斜线，8个直径为125mm的圆柱样品插件，分别用聚四氟乙烯树脂（Teflon）、多聚甲基乙烯（PMP）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚苯乙烯（PS）、丙烯酸树脂（Acrylic）、聚甲醛树脂（Delrin）和空气组成。间距为50 mm的四根聚四氟乙烯树脂棒，在中间有5个直径分别为2 mm、4 mm、8 mm、10 mm的丙烯酸树脂小球。CTP528模块中嵌有分辨率标尺，最高分辨率为21LP/cm，用于测量CT的空间分辨率。CTP486模块直径为150 mm，厚度为40 mm，由均匀的水等效材料构成，标准扫描条件下其CT值与水一致，误差在2% 之内，用于CT值均匀性、 平均值和CT值噪声的测量。

1.3 影像的获取

使用AcQsim大孔径CT扫描Catphan600影像测试模体，图像使用Dicom3.0格式传送至Tomotherapy计划系统，并设计一个简单的计划，将计划信息输入到Cluster服务器中，然后通过加速器控制台从Cluster服务器调出模体信息进行扫描。将Catphan600影像测试模体放在加速器治疗床上，调整水平、调整治疗床使模体上的定位标记和断层加速器的绿激光灯位置重合，选取Fine、Normal和Coarse三种模式对模体进行扫描。扫描图像传送至Tomocon Worksation图像工作站进行分析。

1.4 MVCT值及线性

选取CTP404模块上已知密度的插件的MVCT图像的中心层面，调整图像的窗宽和窗位，用直径5 mm的感兴趣区域读取各插件的像素值和标准偏差。

1.5 影像噪声和均匀性

噪声是根据CTP486模块中心层面影像中心处一个大面积（大约200 cm2）ROI像素Hounsfield值（HU）的标准差σCT计算而得。噪声值用校正后的扫描对比度比率值（CS）占水的有效线性衰减系数（μwater）的百分比来表示。其公式为：Noise＝（σCT）·CS/ μwater，其中CS＝（μm-μwater /（HUm-HUwater）。μm和HUm为某一材料的线性衰减系数和成像时的HU值，本研究中选用Acrylic材料。选取CTP486模块中心层面的MVCT影像，调整窗宽和窗位，分别在图像中心和靠近模体边缘的上下左右方向选取直径为1 cm的感兴趣区域，读取每个感兴趣区域的的平均像素值（PV）和标准偏差（SD）。MVCT的均匀性的定义为最大、最小像素值之差与平均像素值的百分比。[3,5]

1.6 空间分辨率和低对比度分辨率

空间分辨率的主观测试是扫描CTP528模块中心层面的分辨率标尺，通过目测找出能分辨清楚的线对，从而得出其空间分辨率。低对比度分辨率使用CTP404模块测量，读出聚苯乙烯和低密度聚乙烯插件中心的像素平均值和标准偏差，其数值越小表示的对比度分辨率越高。

1.7 几何精确性

CTP404模块内置有互相垂直、距离已知的4个点，可用于测试MVCT的几何精确性。选取CTP404模块中心层面的影像，调整窗宽和窗位，分别测量设定的长度和角度，并将测量值和标准值进行比较。

表1 三种扫描模式的MVCT值Tab.1 MVCT values of different pitch for various materials

2 结果

2.1 MVCT值及线性

选取感兴趣区域的插件的像素值和标准偏差，三种扫描模式下不同密度插件的CT值在表1中给出。

使用OriginPro7.5软件作图。 MVCT的CT值和样品插件密度呈线性，如图1所示，且不同的扫描方式对样品插件的CT值影响较小。但是与参考CT值有一定的差别，其主要原因是参考CT扫描能量是千伏级，而MVCT扫描能量为兆伏级，各种物质的衰减系数随能量改变之故。

图1 MVCT值线性Fig.1 Linearity of MVCT Values

2.2 影像噪声和均匀性

MVCT图像噪声的测量结果在表2中给出，它是准直器螺距和重建矩阵的函数。结果表明MVCT图像噪声比常规CT稍差，并且随着螺距的增加而略微增加。

选取感兴趣区域并读取HU值和标准偏差时，我们发现模体周围4个感兴趣区域的均匀性较好，而中心感兴趣区域的HU值和标准偏差明显高于周边区域。其主要原因是成像的能量较高，穿射能力强，中心区域重建伪影较大，因此本文在计算均匀性时未考虑中心区域。由MVCT的均匀性计算公式可以得出螺距分别为1、1.6、2.4对应的均匀性分别为2.1%、2.3%、3%，图像均匀性较好，螺距的改变对均匀性无明显影响。

2.3 空间分辨率和低对比度分辨率

调整CTP528模块中心层面成像的窗宽窗位得到如图2所示的图像，通过目测我们得出三种扫描方式MVCT的空间分辨率为4 Lp/cm，Pitch值的改变不影响MVCT图像横断面空间分辨率。通常诊断CT的空间分辨率为8 Lp/cm，锥形束CT的空间分辨率为7 Lp/cm。重建图像空间分辨率的物理限制是X线源和探测器大小决定的，超过一定数目的像素后其空间分辨率不会有提高。HI-ART II 断层放射治疗机重建图像采用512×512像素矩阵，采用固定的40 cm的FOV，因此其横截面像素大小为0.78 mm，而通常诊断CT的重建矩阵为1024×1024，因此加速器螺旋断层的CT的空间分辨率低于常规诊断CT。

表2 三种扫描模式的MVCT图像噪声Tab.2 Noise characterics of MVCT images as a function of pitch

图2 MVCT空间分辨率测试Fig.2 Evaluate Spatial Resolution of MVCT images

MVCT成像的最大局限性是低对比度分辨率较差。图3（a）及3（b）分别为同一层面的 MVCT图像和KVCT图像，将两幅图像调整至相同的窗宽窗位，我们可以看出KVCT图像可以分辨出对比度差别为1%的模体，而MVCT图像螺距为1、1.6、2.4时的低对比对分辨率分别为2.9%、4.1%、4.2%。

MVCT的低对比度分辨率较差主要原因是扫描能量较高。MVCT与组织相互作用的主要方式是康普顿散射，发生散射的概率取决于材料的电子密度，而不是原子序数。由于不同组织之间的电子密度差别相对较小，因此采用MV级射线获取的图像的对比度较差。

图3 MVCT与KVCT图像的对比度分辨率比较Fig.3 Low Contrast Resolution compared between MVCT and KVCT

3 几何精确性

表3中给出了几何参数的参考值及测量值，结果表明距离和角度的误差均在1%以内，没有发现生形变和畸变，说明其成像的几何准确性很好，满足临床图像配准的要求。

表3 MVCT的距离和角度验证结果Tab.3 Results of distance and angle’s verification

4 讨论

螺旋断层加速器机载的MVCT作为放疗中一种新型的影像引导设备，主要用于患者照射前、照射中的位置验证，也可以用于监测整个疗程中肿瘤及周边正常组织形状位置等的变化，成像质量的要求虽然没有诊断CT高，但是影像质量对图像引导有一定的影响。

螺旋断层加速器机载的MVCT图像质量受到扫描能量、机械设计、扫描方式和重建算法等因素的影响，图像特性有别于KVCT 和锥形束CT。使用MV级能量的射线成像，缺点是要求在成像剂量和图像质量中做折中选择。诊断CT的可调参数是kV和mA，而螺旋断层加速器的MVCT成像的射线能量和强度都是固定的，其影响患者吸收剂量和图像质量的参数是准直器宽度和螺距。改变准直器宽度影响射线能谱，进而影响图像重建所需的卷积核，我们采用的是默认准直器宽度5mm。螺距与成像剂量成反比，螺距越小，成像剂量越高，图像越精细。

我们使用Catphan600体模研究了MVCT影像的CT值均匀性和线性、空间分辨率、低对比度和几何精确性等，结果表明MVCT影像的CT值均匀性和线性、空间分辨率和诊断CT图像具有可比性。MVCT影像的几何精确性较好，而其图像的低对比度分辨率差于常规诊断CT，但是对骨组织和软组织的分辨能力满足临床图像配准的要求。MVCT影像质量的测试结果表明，这些图像可以引导临床治疗，但其图像的剂量计算等特性还需要进一步的研究。螺旋断层加速器机载的MVCT的成像质量稳定性受到成像能量、探测器稳定性等诸多因素的影响，必须建立严谨的QA和QC程序，定期进行测量，保证MVCT的成像设备的安全运转。

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Analysis of Megavoltage Computed Tomography Imaging on a Helical Tomotherapy Unit

【 Writers 】Dai Xiangkun, Wang Yunlai, Xu Shouping, Ju Zhongjian, Ge Ruigang, Xie Chuanbin, Gong Hanshun.
Department of Radiation,PLA General Hospital, Beijing 100853, China

Image guided radiotherapy; Helical Tomotherapy Unit; Image quality

R812

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.06.021

1671-7104(2010)06-0458-05

2010-07-16

王运来，E-mail:iabcde@163.com

【 Abstract 】Objective To evaluate the image quality of megavoltage computed Tomography imaging. Methods The HU uniformity and linearity, image noise ,spatial resolution, low contrast resolution and spatial linearity in MVCT mode were evaluated with Catphan 600 phantom，and the factor of pitch was also evaluated. In fl uencing factors of image quality were also discussed. Results The MVCT values depended linearly on the physical density of the sample. The MVCT values uniformity was good. The spatial resolution was 4lp/cm.The use of an MV Beam for imaging results in the loss of low contrast resolution, but it is suf fi cient for pretreatment image guidance. The geometric accuracy was good. Conclusions The image quality of MVCT is less than that of KVCT，but is good enough for IGRT.