不同扫描条件下CBCT影像质量及其HU值长期稳定性分析

【作者】巩汉顺，徐伟，徐寿平，解传滨，杨涛，丛小虎，王小深，蒋中凯解放军总医院放射治疗科，北京市，100853



不同扫描条件下CBCT影像质量及其HU值长期稳定性分析

【作者】巩汉顺，徐伟，徐寿平，解传滨，杨涛，丛小虎，王小深，蒋中凯
解放军总医院放射治疗科，北京市，100853

【摘要】目的 分析研究不同扫描条件下CBCT影像质量及其HU值长期稳定性。方法 利用OBI系统对Catphan 504模体在不同临床条件下进行扫描，利用方差分析近一年影像数据的差异性。结果 不同条件下CBCT影像密度分辨力均满足Varian验收要求；Full-fan扫描条件下空间分辨力（≥7 lp/cm）优于Half-fan（≥5 lp/cm）；空间线性距离及角度显示精度均很好（s＜±1%）；Air插棒 HU值比较均匀，其余密度插棒HU值随扫描条件不同而存在显著性差异（F=660.84, P=0）；一年内不同扫描条件HU均值显示较好的一致性。结论 不同扫描条件下CBCT影像HU值一致性存在一定差异，但具有较好的长期稳定性，从而为CBCT影像直接用于自适应放疗中剂量计算奠定基础。

【关 键 词】CBCT；图像质量；HU值；扫描条件

锥形束CT (CBCT)作为一种非常有效的图像引导工具，其通过减少摆位误差提高治疗精度，进而更好地保护周围危及器官以及提高靶区剂量，同时因CBCT获得了患者在治疗过程中最能真实反映患者治疗体位状况及解剖结构变化的影像从而为实施患者治疗计划的验证和实时再优化提供基础。CBCT有潜力成为一种非常有用的在线ART工具[1]，通过每天计划的再优化能对正常组织起到更好地保护作用[2]；而对于治疗位置和剂量验证、治疗计划和计划再调整而言，日常治疗时所获取CBCT影像的有效性很大程度上依赖于其图像质量及其CT (hounsfi eld units, HU)值的精度。但由于CBCT在物理结构上采用大锥形线束及大面积非晶硅X线探测器进行成像；其算法不同于目前常规螺旋CT且图像采集时间远大于螺旋CT，进而导致CBCT影像质量劣于常规螺旋CT，同时固有的散射线造成其影像HU值存在较大变化，考虑到剂量计算算法中HU值与电子密度相关，进而可能严重地影响剂量计算准确性。为研究不同扫描条件下CBCT影像质量及其CT值—电子密度曲线长期稳定性，对本科室2012年引进的Varian iX配置的OBI系统采集2014～2015年度近一年时间的CBCT影像进行分析研究。

1　材料与方法

1.1OBI系统

On-Board Image(OBI)是Varian公司推出的一套锥形束影像系统，其在直线加速器两侧分别增加两套精确机械臂，一侧安装kV级X线源，另一侧安装相对应的非晶硅平板探测器，该系统具有kV级X线数字造影及锥形束成像功能[3]。

1.2Catphan 504模体

Catphan 504模体由CTP404、CTP528、CTP515、CTP486共4个分层模块构成，用来分析CT图像HU值、对比度和分辨力等要素[4]。

1.2.1CTP404几何结构和曝光模块

CTP404模块用于测量空间线性距离及CT图像HU值的线性。在水平和垂直方向嵌有两条斜线及8个圆柱形插件，插件分别由以下7种材料组成：聚四氟乙烯树脂（Teflon）、多聚甲基乙烯（PMP）、低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene，LDPE）、聚苯乙烯（Polystyrene，PS）、丙烯酸树脂（Acrylic）、聚甲醛树脂（Delrin）和空气（Air）；同时模块中包含有4个直径为3 mm的圆（1个为聚四氟乙烯，另3个均为空气），相邻圆与圆之间距离为50 mm。

1.2.2CTP528高分辨力模块

CTP528模块嵌有21组放射状分布分辨力标尺，分辨力从1～21 lp/cm，用于测量CT图像空间分辨力。1.2.3 CTP515低对比度模块

CTP515模块由内外两组低密度孔径结构组成：外围有三组低对比度目标物，对比度分别为1%、0.5%及0.3%，每组孔洞直径分别为15 mm、9 mm、8 mm、7 mm、6 mm、5 mm、4 mm、3 mm及2 mm，外围对比度目标物主要用于常规大层厚扫描；内部有三组目标物，纵向长度分别为7 mm、5 mm及3 mm，对比度均为1%，每组直径分别为9 mm、7 mm、5 mm及3 mm，内部低对比度目标物主要用于薄层螺旋扫描。

1.2.4CTP486均匀性检测模块

CTP468模块由均匀水等效材料制成，标准扫描条件下其CT值与水的CT值一致，误差在±2%之内，用于CT值均匀性及噪声测量。

1.3图像扫描

利用OBI系统对Catphan 504模体在不同临床扫描条件下：SDH(stand dose head)、LDH(low dose head)、HQH(high quality head)、PSL(pelvis spot light)、Pelvis、LDT(low dose throx)进行扫描，分别采集2014～2015年度不同时间共7次扫描图像数据。

1.4数据采集

将数据以DICOM格式传输至TomoCon PACS 3 （TatraMed, Bratislava, Slovak Republic）软件系统，分别对不同扫描条件下CTP515、CTP528及CTP404模块进行分析；同时选取CTP404模块中间扫描层面，分别读取7次扫描图像中不同密度插棒（Air、PMP、LDTE、Polystyrene、Acrylic、Delrin、Teflon）相同直径圆面积内HU均值及标准差，采用OriginPro 8.0选用各个密度插棒相对应HU均值创建CT值—电子密度（HU-ED）曲线。

1.5统计方法

采用SPSS 17.0软件对6种扫描条件下获取的数据进行方差分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.1HU值线性

密度插棒Air的HU值比较均匀（s：0.46～7.95，M=1.62），其余密度插棒HU值随扫描条件不同而存在显著性差异（F=660.84, P=0），表1为CTP404模块各密度插棒在不同扫描条件下的HU值。

L D H扫描条件下H U值差异性最大(40.92±5.05)；各密度插棒HU值的标准差则分别随着扫描电压、电流的增加而减小。

对于7个不同时期内不同扫描条件下各密度插棒的选择区域内HU均值进行方差分析，结果显示出较好的一致性：SDH(F=0.008, P=0.993)；LDH(F=0.039, P=0.849)；HQH(F=0.042, P=0.844)；PSL(F=1.908, P=0.216)；Pelvis(F=0.009, P=0.926)；LDT(F=0.187, P=0.681)，如表2。

采用OriginPro 8.0选用各个密度插棒相对应HU均值创建HU-ED曲线。图1为不同扫描条件下建立的

表1　CTP404模块各密度插棒不同扫描条件下CT值（±s）Tab.1 HU values of density plugs under different scanning conditions(±s)

表1　CTP404模块各密度插棒不同扫描条件下CT值（±s）Tab.1 HU values of density plugs under different scanning conditions(±s)

Material ρ(g/cm3) CT #est 　SDH　LDH　HQH　PSL　Pelvis　LDT Air　0　-1000　-997.36±5.81　-998.32±1.88　-998.67±1.77　-999.05±1.47　-999.35±1.06　-998.88±1.57 PMP　0.83　-200　-201.65±33.68　-226.30±35.66　-220.85±15.81　-513.41±11.97　-194.70±9.99　-135.58±13.09 LDPE　0.92　-100　-106.86±34.55　-122.38±39.16　-116.18±17.67　-384.47±12.94　-101.06±9.19　-36.09±13.38 PS　1.05　-35　-45.12±38.24　-52.06±39.38　-48.18±16.96　-363.73±13.48　-42.69±10.11　27.81±12.88 Acrylic　1.18　120　127.23±35.65　136.49±42.84　137.58±18.84　-253.18±12.56　123.95±9.16　216.21±12.39 Delrin　1.41　340　350.73±33.16　417.24±41.93　418.84±24.29　-41.78±16.62　351.40±12.38　481.30±16.03 Tefl on　2.16　990　1 014.88±38.74 1 195.61±46.54 1 189.41±20.77 　683.51±14.07　1 017.72±10.06 1 208.18±15.20

HU-ED曲线，图2为HU-ED曲线长期稳定性。

表2　7个不同时期不同扫描条件下CTP404模块各密度插棒HU均值方差分析结果Tab.2 The long-term stability of HU values under different scanning conditions at seven times

图1　不同扫描条件下HU-ED曲线Fig. 1 HU-ED curves under different scanning conditions

图2　不同扫描条件下HU-ED曲线长期稳定性Fig. 2 The long-term stability of HU-ED curves under different scanning conditions

2.2空间线性距离

空间线性距离及角度显示的测量结果准确性均满足要求（误差均＜±1%），相邻圆心之间距离均在49.65 mm～50.05 mm范围内；∠ABC及∠ADC测量结果：89.98°～90.04°，图3为CTP404模块。

2.3空间分辨力

Full-fan 扫描条件下(SDH、LDH、HQH及PSL)空间分辨力(≥7 lp/cm)均优于Half-fan(pelvis及LDT)扫描条件(≥5 lp/cm)，其中HQH及PSL空间分辨力为9 lp/cm，SDH为8 lp/cm，如图4。

图3　CTP404模块Fig. 3 CTP404 module

图4　不同扫描条件下空间分辨力Fig. 4 Variation of spatial resolution under different scanning conditions

2.4低对比度分辨力

通过对CTP515模块的检测，应用对比度为1%的外围孔径检测低对比度分辨力，对头部扫描要求能够看到直径为15 mm的圆，对体部扫描要求能够分辨出直径为7 mm的圆。通过对扫描结果分析，均满足要求。

3　讨论

CBCT影像广泛用于治疗时病人体位评估，治疗时通过运用图像配准技术，提高摆位精度，降低了位移不确定性[5]；同时可在三维方向定位肿瘤位置及评估解剖结构变化，因此如有必要可通过计划系统或影像系统所提供的软件实现剂量的评估和验证，获得治疗计划的再优化进而实现自适应放疗。因此，放疗设备的图像质量参数如空间分辨力、密度分辨力、信噪比、图像均匀性及噪声显得十分重要。当前CBCT影像系统由于图像分辨力及探测器的敏感性而存在一定的局限性。同时，由于计算能力限制，所有当前可用的CBCT影像设备都是采用FDK重建算法，此种算法只是简单粗略估计线性完整性并没有计算射线源与探测器之间射线穿越的原始距离[6]。因此CBCT影像质量与常规螺旋CT存在一定差异[7]。尽管kVCBCT技术已广泛应用于临床，但强化的散射伪影降低了图像的质量进而影响诊断信息。目前，已广泛开展了对于不同获取方式的CBCT影像质量的研究，探寻降低图像质量的影响因素，主要包括改变成像参数、设计合理准直器、采用减少散射装置及改进重建算法等[8]。另外作为影像引导放疗系统，其影像质量的质量保证（QA）已成为确保实现患者准确的可视化和感兴趣区的定位过程中不可缺少的组成部分。

CBCT影像与扇形束CT相比包含大量的散射，进而导致其图像HU值与诊断CT存在较大差异，这被认为是当前以平板探测器为基础的CBCT影像质量主要限制因素[9-10]，CBCT最大的散射贡献来源于锥形线束较大的FOV，散射线将会较大地影响HU值变化、信噪比和空间均匀性[11]。Yang等研究了基于CBCT重建图像的散射效应，并发现CBCT横断面图像重建依赖于整个体积的散射[12]。本研究通过对CTP504模体在不同扫描条件下获得的图像进行分析，不同密度插棒的HU值与标准HU值各存在一定差异，其中Air材料的差异最小；而对于PSL扫描条件其余各密度插棒HU值与标准HU值存在明显差异。对于除Air以外各密度插棒相对应CT值均匀性较差，LDH扫描条件下CT值均匀性最差（s: 35.66～46.54）。

空间分辨力表示物体内微小细节在图像上能被分辨的能力，是CT扫描影像质量分析的重要指标。由于在kV级能量下X线与物质相互作用主要为光电效应[13]，同时CBCT能够快速进行大体积扫描，因此kV-CBCT影像在三维方向具有较好的空间分辨力；但由于成像参数不同，CBCT空间分辨力存在一定差异；管电压、准直器型号、重建精度及机架旋转范围对其影响较大，而管电流对其影响较小[11]。本研究中HQH及PSL扫描条件下空间分辨力达到9 lp/ cm，SDH扫描条件为8 lp/cm，Pelvis为6 lp/cm，同时受扫描条件影响LDT扫描条件下空间分辨力为5 lp/ cm，但均满足扫描要求（头部扫描标准要求≥6 lp/ cm，体部扫描标准要求≥4 lp/cm[14]）。而对于密度分辨力其要求存在不同标准，Varian验收报告只要求Pelvis扫描方式满足要求（对比度为1%组直径为15 mm的圆清晰可见），对于SDH扫描方式由于扫描剂量较低而不做要求。

通过对近一年时间的CBCT影像进行分析研究，各密度物质HU值具有较好一致性，创建HU-ED曲线长期稳定性较好。CBCT由于其有效的影像引导及在不久的将来用于剂量引导的潜在优势能够有效解释由于解剖结构变化而引起的剂量变化，而且随着HU一致性的提高，采用标准电子密度模体创建CBCT影像自身的HU-ED校准曲线，可直接利用CBCT影像制定治疗计划实施剂量计算[15-16]，因此HU-ED曲线稳定性对于引导影像直接用于剂量计算具有决定性意义[17]。Richter等[18]研究显示锥形束的几何形状及其相关的散射导致CBCT影像HU值的变化，最终影响剂量计算的准确性（在剂量计算法则中利用的电子密度与HU值是相关的）。

总之，尽管不同扫描条件下CBCT影像HU值一致性存在一定差异，但CBCT影像HU值长期稳定性的分析结果显示出较好的一致性，创建HU-ED曲线差异性较小，为CBCT影像直接用于自适应放疗中剂量计算奠定坚实基础。

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Evaluation of Cone Beam CT Image Quality and Analysis of Its Long-term Stability on HU Values under Different Conditions

【Writers】GONG Hanshun, XU Wei, XU Shouping, XIE Chuanbin, YANG Tao, CONG Xiaohu, WANG Xiaoshen, JIANG Zhongkai
Department of Radiotherapy, PLA General Hospital, Beijing, 100853

【Abstract】Objective To evaluate the cone beam CT (CBCT) image quality and its long-term stability for HUs under different scanning conditions. Methods With the OBI system, Catphan 504 phantom using the different modes was scanned through one year. Analysis of variance (ANOVA) was used to evaluate the CBCT images. Results The results of contrast resolution under different scanning conditions met the requirements of acceptance test procedure. Spatial contrast resolution(≥5 lp/cm) of half-fan scanning conditions were inferior to those (≥7 lp/cm) of full-fan mode. The accuracies of spatial linear distance and angle were within ±1%. HUs in air density plug were constant, but HUs of other plugs with different conditions had the signifi cant difference (F=660.84, P=0). Under different conditions in a year, the mean HUs showed a good agreement. Conclusions HUs of CBCT image under different scanning conditions exist a little difference, but there is a good consistency for the long term stability analysis. It is helpful for CBCT images directly used for dose re-calculation in adaptive radiation therapy (ART).

【Key words】cone-beam CT(CBCT), image quality, HU, scanning condition

【中图分类号】R812

【文献标志码】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2016.02.003

文章编号：1671-7104(2016)02-0086-04

收稿日期：2015-12-04

基金项目：国家自然科学基金（61171005）

作者简介：巩汉顺，E-mail: gonghanshun123@163.com

通信作者：徐寿平，E-mail: shouping_xu@yahoo.com