基于Varian锥形束CT影像质量的直线加速器选择策略

李俊禹，吴昊，杨敬贤，李廷廷，于松茂，卢子红，李玮博，王美娇，李晨光，张艺宝

1.北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科/恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室，北京100142；2.中国人民解放军第302医院，北京100039；3.德国亥姆霍兹慕尼黑研究中心-德国环境健康研究中心放射医学所，德国Neuherberg 85764

前言

图像引导是保证精确放疗的重要方法之一［1-3］。由于软组织分辨率高、等中心一致性好等优点，机载千伏锥形束CT（kV-CBCT）是目前最常用的图像引导技术［4-6］。随着自适应放疗、剂量引导放疗以及立体定向放疗等新技术的逐步成熟［7-10］，kV-CBCT 的应用范围也越来越广泛，临床对其影像质量的需求也呈现精确化、多样化等特点［11］，CBCT 影像质量成为治疗成败关键环节［12］。

对于拥有多台加速器的放疗中心，为某一患者选定具体加速器的主观随意性很大，通常的决策依据包括加速器和操作者负荷、射线能量、最高剂量率、多叶准直器性能、机架转速和执行效率等，但现行实践中较少将图像引导方面的特性纳入整体考虑。与此相关的潜在问题包括图像质量欠佳或不能满足配准精度、剂量重建等特殊要求。

为从图像引导角度为特定患者或临床目的选择最佳治疗设备提供数据支持，建立和测试相应的图像质量质控方法，本工作拟基于CatPhan604 模体（the Phantom Laboratory），在Varian 相同平台的不同机器以及不同机型间进行加速器机载kV-CBCT系统（On-Board-Imager,OBI）的图像特征比较，分析不同扫描参数（头部、胸部、盆部）的成像特点。

1 材料与方法

1.1 OBI系统和扫描参数

分别选取TrueBeam 平台（Edge、TrueBeam 加速器各一台）以及两台传统CLINAC ix 平台（按照OBI装机时间，分别命名为ix 旧机器和ix 新机器，装机时间分别为2009年和2016年）机载的共4 套OBI 系统进行成像，4 台设备OBI 系统均按时进行保养质控检验，实验前均满足Varian 机器验收标准。表1展示了两套系统选取的默认扫描参数设置。TrueBeam 平台的重建层厚和重建矩阵分别为2 mm 和512×512；ix平台的重建层厚和重建矩阵分别为2.5 mm 和384×384。4 台加速器头部模式扫描轨迹均为200°，使用全扇形滤线器；胸部和盆部扫描轨迹均为360°，使用半扇形滤线器。TrueBeam 平台的滤线器可根据扫描参数自动切换，而ix系统则需要手工更换［13］。

表1 Varian TrueBeam 与CLINAC ix平台加速器OBI预设扫描参数Tab.1 OBI preset scanning parameters of Varian TrueBeam and CLINAC ix platform accelerator

1.2 OBI图像质量评估

在治疗室激光灯和水平尺辅助下，将CatPhan604 模体的标记点置于加速器等中心位置后，分别利用各参数成像，并分析模块和参数。各模块结构示意如图1所示。

利用CTP732 模块中第二分析截面测量CT 值准确性和线性（图1a）。参照GB 17598-2011《X 射线计算机断层摄影装置质量保证检测规范》规定，CT值线性纳入CT 设备检测内容，并使用CatPhan 模体进行CT值线性检测。线性衰减系数由查表得出的插棒物质密度和相应能量质量衰减系数，通过式（1）算出，再代入式（2）算出参考CT 值，并与相同位置感兴趣区内测得的平均CT值进行比较。

其中，ρ为密度插棒物质密度；μm(E)为相应能量密度插棒物质质量衰减系数；μ(E)为相应能量密度插棒物质的线性衰减系数；K为加权常数（K=1 000）；μw(E)为相应能量水的线性衰减系数。

测量CTP732 模块中第二分析截面图像中两个小圆孔中心距离及角度，评估其与已知参考值的差异，得到空间线性距离和角度准确性。如图1b所示，设定4 个小孔中心点顺时针方向分别为A、B、C、D点，参考值为AB=BC=CD=AD=50 mm，∠ABC=∠BCD=∠CAD=∠DAB=90°。

图1 CatPhan604模体各模块结构示意图Fig.1 Schematic diagrams of each module structure of CatPhan604 phantom

CTP732高对比度分辨率模块，记录每厘米能观察到的最大线对数（Line Pair,LP）。其截面由呈圆形排列放射状分布的铝制线对在聚氨酯中浇筑而成，密度从1 LP/cm到15 LP/cm递增，如图1c所示。评判标准为相邻线对之间没有黏连，每个线对不存在断缺。

利用CTP730模块第三截面评估低对比度分辨率，模块包含3组标称对比度分别为1.0%、0.5%和0.3%的插棒，每组插棒的直径依次为：15、9、8、7、6、5、4、3 和2 mm，如图1d所示。记录能分辨的各对比度插棒最小直径，计算不同对比度与直径的乘积的平均值［14］。

利用均匀材料浇铸的CTP729 模块第四截面评估影像均匀性和噪声，如图1e 所示，评估测量CT 值与水的CT 值之间的差异。选取方形感兴趣区（Region of Interest,ROI）大小为（20×20）mm2，分别位于截面中心和周边相互垂直的4个位置（距离模块边缘2 cm 以减少边界效应）。整体均匀性由式（3）算出［15］。图像噪声的计算方法为相同截面中心位置（40×40）mm2ROI内CT值的标准偏差［16］。

利用CTP732 模块第二截面分析图像信噪比（Signal-to-Noise Ratio,SNR）和对比度噪声比（Contrast-to-Noise Ratio,CNR），SNR 和CNR 分别由式（4）和式（5）计算得出［17-18］：

2 结果

2.1 CT值和几何精度测量结果

表2列出了4台设备的CT值和几何精度测量结果。其中，头、胸、盆部CT 值最准确的分别是ix 新机器、TrueBeam和Edge，数值为5.69、0.81和6.74 HU。CT线性拟合度头、胸、盆部表现最佳的分别是ix旧机器或ix新机器、Edge和Edge，数值为0.995、0.996和0.997。4台设备的线性距离误差为0.050～0.400 mm，角度误差为0.050°～0.150°。线性距离准确性头、胸、盆部最佳分别是ix旧机器、Edge、Edge或TrueBeam或ix旧机器，数值分别为0.050、0.075、0.100 mm，角度准确性头、胸、盆部最佳分别是ix旧机器、Edge或TrueBeam、Edge或ix新机器，数值分别0.075°、0.050°、0.075°。图2展示了平均CT值与参考CT值关系图。4台设备盆部参数获取的CT值线性均最佳。

表2 4台Varian CBCT系统CT值和几何精度Tab.2 CT number and geometric accuracy of 4 different Varian CBCT systems

图2 平均CT值与参考CT值图Fig.2 Diagrams of average CT number and reference CT number

2.2 影像质量测量结果

表3列出了4 台设备影像质量测量结果。头部在所有解剖部位中高对比度分辨率最高，Edge、TrueBeam、ix旧机器、ix新机器分别是6、6、7、6 LP/cm。头、胸、盆部高对比度分辨率最佳设备分别为ix 旧机器、Edge、Edge，数值分别是7、5、5 LP/cm。不同部位低对比度分辨率从优到劣排序依次为盆、胸、头部。Edge 的头部CBCT 扫描均匀性、噪声、SNR、CNR 均最佳，数值分别是4.78、27.53、83.17、11.92。Edge 的胸部低对比度分辨率和均匀性也最佳，数值分别是6.00、20.19；TrueBeam 的胸部低对比度分辨率和SNR最佳，数值分别是6.00、124.39。Edge 盆部成像低对比度分辨率、均匀性最佳，数值分别是3.75、4.63；ix新机器的盆部图像噪声、CNR、SNR 最佳，数值分别是7.33、288.39、51.47。各设备头、胸、盆部图像噪声平均值分别是28.67、16.51、10.62；SNR平均值分别是54.89、83.36、170.52；CNR平均值分别是11.40、30.12、37.18。

表3 4台Varian CBCT系统成像质量Tab.3 Quality of images obtained by 4 different Varian CBCT systems

3 讨论与结论

不同平台间、相同平台的不同机器间以及相同机器的不同扫描参数间，CT 值的准确性均存在较大差异。因此，对于需要基于CBCT图像进行剂量重建或自适应放疗，应在放疗计划制定时首选CBCT图像CT 值精度高的加速器和扫描模式，并将相关数据监测纳入常规质控内容。鉴于完全相同的机型之间也可能存在较大差异（如本研究中的ix 新旧机器），且新系统性能未必优于老系统，CBCT 相关参数的实际值最好基于具体机器现场测量，不宜直接采用文献报道中的数据或厂家提供的默认值。

CBCT 图像CT 值准确性及线性越好，基于修正后的CT 值进行的剂量计算和重建就越准确［19］。相比扇形束CT，因为散射增加等原因，CBCT 的CT 值准确性相对较差，但线性拟合度尚可（≥0.993）［20］。为了得到更准确的剂量重建，通常先将CBCT图像和计划CT 图像进行弹性配准，再基于后者进行剂量计算。头、胸、盆部CBCT图像要求CT值精度最佳首选机型分别是ix新机器、Edge、Edge。

4台设备CBCT所有扫描参数获取图像的几何失真均较小，其中线性距离与真实值的差异好于0.400 mm，角度测量值与真实值的差异小于0.150°。线性距离和角度准确性反映CBCT扫描和软件重建后得到的图像与被检物体真实大小、形状上的差异，决定图像配准、距离、角度、体积测量等精度。对于立体定向放疗等对精度要求较高的技术，CBCT的几何精度应与加速器的其他机械和辐射精度一并纳入质控体系及整体决策。头、胸、盆部CBCT图像要求几何精度最佳首选机型分别是ix旧机器、Edge、Edge。

由于200°旋转扫描角度等原因，4台设备头部CBCT图像的低对比度分辨率模块均难以辨识，但对于高对比度分辨率模块的识别均好于其他部位成像参数，低对比度分辨率和高对比度分辨率分别反映图像对软组织和骨骼等高CT值组织的分辨能力。该结果有利于头颅等刚性较好且基于高对比度骨性标志匹配的部位，但如果需要对颅内微小病变进行观察和匹配，则需要调整成像参数（如使用360°旋转成像、增加管电压或曝光量等），以更高的辐射剂量换取更好的软组织分辨率。相反，4台设备所成胸部和盆部图像对低对比度分辨率模块的识别均较好，有利于对肺、食管、肝脏、子宫、膀胱、直肠、小肠等结构复杂、位置多变的软组织进行辨认和配准。头部CBCT扫描，4台设备高对比度分辨率均可满足骨性配准要求，其中以ix旧机器最佳，头部肿瘤对软组织显像最佳首选Edge。胸部骨转移患者单纯要对胸椎、腰椎或肋骨等胸部骨头进行放射治疗时，使用骨配准即可满足要求，4台设备首选Edge，胸部肿瘤对软组织显像最佳可选Edge或TrueBeam。盆部患者进行CBCT扫描时，骨转移患者单纯对髂骨等盆部骨头进行放射治疗时，4台设备首选Edge；盆部肿瘤对软组织显像最佳可选Edge或ix新机器。

TrueBeam 平台的两台加速器所成各部位CBCT图像均匀性绝大部分优于ix 平台，尤其是Edge 的所有部位图像均匀性均最好。CBCT 图像噪声与扫描条件中决定辐射剂量的管电压、曝光量和扫描角度等关键因素负相关，导致相同机器的头部扫描噪声＞胸部扫描噪声＞盆部扫描噪声。基于相同的原因，盆部图像的SNR 及CNR 也大幅高于头部和胸部。其中SNR 反映信号受噪声干扰的程度，比值越大信息传递越好；CNR 反映相邻组织、结构间信噪比的差异性，体现图像对不同组织、结构及病变的可辨认性。

综上所述，CBCT 的CT 值精度、几何精度和图像质量的个体差异较大，机型和机龄并非Varian CBCT图像质量的唯一决定性因素，且高端机型和较新设备并不一定能够获得更好的图像。因此，临床应将具体CBCT设备的测量和维护纳入质控范畴，并依此为患者和目的选择合适的加速器。