对比度受限自适应直方图均衡算法在鼻咽癌放疗摆位中的应用

俞海东　蒋振东　马天斌

[摘要]目的探讨对比度受限自适应直方图均衡算法在鼻咽癌放疗摆位中的应用。方法利用单曝光定位照相技术，应用对比度受限自适应直方图均衡算法对射野图像进行增强，把增强后的图像与计划系统中的DRR图像进行比较。结果对比度受限自适应直方图均衡算法可以有效地提高射野图像的分辨率和对比度，可以清楚地分辨出主要的骨性标志。在摆位质量控制中可以检验出射野图像与DRR图像的射野中心的位移变化。结论单曝光定位照相技术结合对比度受限自适应直方图均衡算法可以减少鼻咽癌放疗摆位误差，确保放射治疗计划准确的实施。

[关键词]单曝光；定位照相；对比度受限自适应直方图均衡算法；图像配准

[中图分类号]R739.6 [文献标识码]A [文章编号]2095-0616（2017）04-07-05

鼻咽癌是我国常见的恶性肿瘤之一，由于鼻咽位于头颅中央，与颅底紧密相连，周围有许多重要的组织器官。手术切除困难，放射治疗是最主要的治疗手段。现代放射治疗已经进入到了精确定位、精确设计、精确治疗的时代。其中放疗摆位误差的质量控制是保证精确治疗的前提。按照美国医学物理学协会（AAPM）的定义，射野照相（portalradiography）有定位照相（localization radiography）、验证照相（vefification radiography）和双曝光照相（double radiography）三种类型。由于医用直线加速器产生的能量在4～25Mv之间，而这个能量段的X射线与物质相互作用，以康普顿效应为主要的能量吸收方式，组织对能量的吸收差别几乎消失，所以射野照相技术所拍摄的射野片分辨率低，图像质量差。本研究采用单次曝光定位照相方法，用IP板采集射野图像，使用计算机X线摄影（computed radiography，CR）对IP板进行图像扫描，应用对比度受限自适应直方图均衡（contrast limited adaptive histogram equalization，CLAHE）算法对射野图像进行增强。通过增强提高射野图像的分辨率和对比度，使它与计划系统的DRR图像进行配准时，可以更准确得出鼻咽癌患者的摆位误差。

1材料与方法

1.1设备

本研究所用设备：瑞典医科达公司直线加速器（Precise）；美国艾赛克（iCRco）3600LH型CR放射成像系统；两块14英寸的IP板；可调节的验证片盒架；自制十字线影子板（两铅点在等中心的距离为4CM）；RT solution软件；Image J编程软件。

1.2对比度受限自适应直方图均衡算法的流程

对比度受限自适应直方图均衡算法通过限制局部直方图的高度来限制局部对比度的增强幅度，从而限制噪声的放大及局部对比度的过增强。它是对直方图均衡算法的改进，它能够提供清晰的边缘信息，也可能因为增强图像噪点而降低图像质量，但对图像质量的影响可以通过参数调节来改善。

1.3射野片采集步骤

（1）患者采用仰卧位平躺在碳纤维板上，双手自然放置在身体两侧，头枕于专属头垫上，用热塑膜进行体位固定，按放射治疗计划对其进行摆位。（2）在机架上插上带有自制十字线影子板的铅挡块托架，把机架分别位于0°位置上。使机器十字线与自制影子板的十字线重合。（3）移动片盒架使源片距为140cm，调节验证片盒架使机器十字线中心处于IP板的中心，使用水平尺調节水平，确保射线束垂直于IP板。（4）调节射野大小为40cm×40cm，使患者头部暴露在光野下，便于患者头部在射线束照射下全部成像于IP板上，机器跳数为1MU。待确认无误后进行照射。（5）照射完成后，再把机架置于90°，在片盒架上换上另一块IP板。调节片盒的方向，使机器十字线中心处于IP板的中心，使用水平尺调节确保射线束垂直于IP板。（6）调节射野大小为40cm×40cm，使患者头部暴露在光野下，机器跳数为1MU。待确认无误后进行照射。

1.4图像获取与处理

艾赛克3600LH型CR放射成像系统对两块IP板的射野图像进行采集，采集到的射野图像以DICOM格式进行保存。把编程好的对比度受限自适应直方图均衡算法载人到Image J软件中。设置增强参数：区域大小（block size）为256、直方图灰度级（histogram bins）为256、斜率（maximum slope）为3。分别对两幅射野图像进行增强运算。图像经过增强后分辨率和对比度得到明显提高，而且患者轮廓边缘和骨性标志都非常容易分辨。增强后图像以JPG图像格式保存。增强后图像和直方图见图3～10。计划系统中带坐标尺的DRR图像经过截屏方式以JPG图像格式保存，见图11～12。

1.5图像配准

在RT solution软件中分别导入计划系统中带坐标尺的DRR图像和增强后的射野图像。分别对两幅图像进行中心点和实际距离的刻度。射野图像以自制十字线铅点为基准。铅点中心为射野中心、铅点距离以等中心为4cm为基准（放大比率为1：1.4）进行刻度。DRR图以十字坐标线为基准。坐标中心为计划中心、坐标尺刻度以实际距离进行刻度。见图12～15。

刻度完成后，采用RTsolution软件图片比较功能，通过手动配准使两幅图像的重要骨性标志重合。0°射野配准以眼眶、颅骨、下颌骨、鼻腔、鼻中隔等骨性标志为准。配准后可以在软件的右上方得出x轴（左右方向）、Y轴（头脚方向）的摆位误差。90°射野配准以额窦、下颌骨、颅骨、颅底等骨性标志为准。配准后可以在软件的右上方得出Y轴（头脚方向）、z轴（前后方向）的摆位误差。见图16。

2结果

采用单次曝光照相技术结合对比度受限自适应直方图均衡算法在鼻咽癌放疗摆位应用中，可以使患者在接受较少额外辐射剂量的条件下，精确的得出患者的摆位误差，确保放射治疗计划准确的实施，为鼻咽癌精准放疗提供了重要的质量保障。

3讨论

随着放疗技术的飞速发展，三维调强放射治疗技术（intensity modulated radiation therapy，IMRT）已经成为鼻咽癌放疗的主流技术。由于调强放射治疗技术的剂量梯度变化大，这就要求高剂量区集中在靶区附近，对摆位精度和验证的要求非常高。

进入21世纪后，实时射野影像系统的日益完善和机载影像系统等治疗室内新的影像模式的商品化，目前主流的摆位误差质量控制技术有电子射野影像系统（electronic portal imaging device，EPID）和圖像引导放疗（image guided radimion therapy，IGRT）等。这些都是通过新型加速器的机载设备实现的，而且这些新型直线加速器价格比较昂贵、维修保养费用大。没有这些设备的医院大多还是采用慢感光胶片进行摆位误差的质量控制。有些文献通过采用慢感光胶片或IP板对患者进行双曝光获得成像质量较好的射野验证片。也有采用IP板进行单曝光拍摄放疗位置射野验证片。

本研究采用IP板取代传统的慢感光胶片采集射野图像，IP成像板成像层在受到X线照射时将x线光子的能量以潜影的形式储存下来，在经激光扫描时产生与吸收的X线能量相应强弱的荧光，继而被读取再经过系列的转化成为数字信号，该信号馈人计算机系统重建成高质量的数字图像，然后IP经强光照射，消除潜影，继续使用。IP板与慢感光胶片相比，在摄片时若曝光时稍有过头和不足还能在工作站上后期处理，任能得到一张令人满意的X线片，无需避光采集的影像也不受外界条件的影响如：洗片条件、胶片扫描条件等，可以重复使用降低成本、图像便于储存和传输、质量动态范围比较大，以DICOM格式保存，从而为射野图像进行后期增强和配准提供可能。图像配准过程中，图像的清晰度是其中最重要的基础。通过对比度受限自适应直方图均衡增强后的图像分辨率和对比度得到明显的提高，可以非常容易的分辨出主要的骨性标志、空腔、铅点、外轮廓等。使其在手动配准时，不会因为边界模糊不清，而造成更大的人为误差。在专业的计算机图像配准软件的辅助下，采用对比度受限自适应直方图均衡算法增强Mv级射野图像也可以准确的得出鼻咽癌患者的摆位误差。

但这种定位照相的方法也有一定的极限性，因为采用0°、90°的正交拍片属于二维拍片，所以在患者头部旋转角度方面不能很好的体现。而且如果每次放疗前进行在线校准摆位误差的话，会造成患者摆位时间过长，舒适性下降，影响治疗。所以只能进行离线分析摆位误差原因，为下次摆位提供依据。