瓦里安OBI系统锥形束CT图像CT值长期稳定性分析

时飞跃，田书畅，金 洵，秦 航，秦 伟

(1. 南京市第一医院 肿瘤放疗中心，江苏 南京 210006； 2. 南京市第一医院 医疗设备处，江苏 南京 210006； 3. 南京中医药大学 第二临床医学院，江苏 南京 210023)

1 引 言

图像引导放射治疗技术，通过获取患者治疗前及治疗过程中的影像，可以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及提高靶区剂量[1]。锥形束CT (cone-beam CT, CBCT)是一种非常有效的图像引导工具。CBCT图像能够真实反映患者治疗过程中的体位状况及解剖结构的变化，从而为实施患者治疗计划的验证和实时再优化提供基础[2～5]。瓦里安公司推出的机载影像(on-board imager，OBI)系统，在放疗工作中得到了广泛应用[6，7]。为了保证OBI系统正常运行，从而确保放疗患者的治疗精度，必须定期对OBI系统的CBCT图像质量等进行质控检测[8]。

本工作通过对每月使用Catphan模体检测得到的物质的CT值进行回顾分析, 评估瓦里安OBI系统CBCT图像CT值的长期稳定性。

2 材料与方法

2.1 材料

瓦里安Clinac iX直线加速器配备的OBI系统，硬件部分包括一个kV级X射线源(KVS)和一个非晶硅平板探测器(KVD)，使用时机械臂伸出KVS和KVD，通过机架旋转一定角度，可以获取CBCT图像。

Catphan504模体由CTP404、CTP528、CTP515和CTP486共4个模块构成。CTP404模块含有如下7种测试物质：空气(Air)，聚甲基戊烯(PMP)，低密度聚乙烯(LDPE)，聚苯乙烯(Polystyrene)，丙烯酸(Acrylic)，聚甲醛树酯(Delrin)和聚四氟乙烯(Teflon)。7种物质的相对电子密度分别为：0.000，0.853，0.944，1.017，1.146，1.353和1.867。7种物质的标准CT值(单位：HU)分别为：-1000，-200，-100，-35，120，340和990。 CTP528模块嵌有21组放射状分布的分辨力标尺，分辨力从1～21 LP/cm，用于测量CT图像空间分辨力。CTP515模块由内外2组低密度孔径结构组成; 其中外围有3组低对比度目标物，对比度分别为1%、0.5%及0.3%; 内部有3组目标物，纵向长度分别为7 mm、5 mm及3 mm，对比度均为1%。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。

图像分析软件为Mobius公司的DoseLab放疗验证软件，其中有专门处理CT图像和CBCT图像的模块[9, 10]。

2.2 方法

每月使用Catphan504模体对瓦里安OBI系统的CBCT图像进行质控检测。采用高质量头部(high-quality head, HQH)、标准剂量头部(standard-dose head, SDH)和盆腔(Pelvis)3种CBCT扫描协议。3种扫描协议的具体参数列于表1。使用机房内的激光灯精确定位模体的摆放位置，模体悬空，下方无碳纤维治疗床板。

使用DoseLab放疗验证软件, 对2017年3月至2018年2月获取的36个CBCT图像序列进行分析。如图1所示，对CTP404模块，DoseLab软件内置了10个由多点围成的感兴趣区域(ROI)，其中的7个ROI分别对应7种测试物质，每个ROI面积约 0.46 cm2。把一个序列的CBCT图像导入DoseLab软件，软件会自动计算出每个ROI区域内CT值的平均值等数据。把这7种测试物质对应ROI区域CT值的平均值，作为这些测试物质的CT值，记为Y(单位：HU)。为了观察CBCT图像中物质CT值偏离标准CT值的程度，用每种物质的Y值减去其标准CT值得到的差值，记为ΔY。使用统计函数分析，得到每种物质Y和ΔY的平均值、标准差和极差。

表1 3种CBCT扫描协议的扫描参数Tab.1 The scan parameters of three CBCT scan protocols

图1 DoseLab分析CTP404模块CBCT图像界面示意图Fig.1 Schematic diagram of the interface of DoseLab for analyzing CBCT images of the CTP404 module

3 结果分析

图2显示了在3种CBCT扫描协议下7种物质Y值在12个月中的变化趋势。表2显示了7种物质Y值的平均值、标准差和极差以及ΔY的平均值的统计数据。用Ym和ΔYm分别表示Y和ΔY的平均值。

图2 3种扫描协议下7种物质在12个月中Y值的变化Fig.2 Variations of value of Y for seven materials under three scan protocols in 12 months

表2 7种物质在3种扫描协议下Y值的平均值、标准差和极差值以及ΔY的平均值Tab.2 Values of the mean, standard deviation and range of Y and the mean of ΔY for the seven materials under three scan protocols HU

为了比较CBCT图像中不同物质Y值与标准CT值差异的变化, 将3种CBCT扫描协议下ΔYm值按物质的相对电子密度从小到大列出，结果示于图3。

图3 ΔYm值随物质相对电子密度的变化Fig.3 Variations of value of ΔYm with the relative electron density of material

4 讨 论

由图2及表2中的数据可见， Catphan模体中7种物质的Y值在12个月里总体上变化较小，表明该瓦里安OBI系统CBCT图像的CT值比较稳定。7种物质相比较，Teflon的标准差和极差最大，HQH、SDH和Pelvis三种扫描协议对应的标准差分别为11.08 HU，7.22 HU和5.39 HU。本文中的西门子CT模拟机HeadSeq、RT_Head和RT_Abdomen3种扫描协议2年内的相应统计数据显示，Teflon的标准差分别为1.83 HU，2.49 HU和2.56 HU[9]。与CT模拟机CT图像Teflon的标准差数据相比较，OBI系统CBCT图像的相应数据较大，反映了CBCT图像的稳定性比定位CT图像的稳定性差。

图2显示，2017年7月，在HQH扫描协议下，PMP的Y值比其他月份的Y值明显小了许多，Acrylic、Delrin和Teflon也有类似的现象，只是没有PMP明显。回顾分析HQH扫描协议下12次的曝光时间数据，2017年7月的曝光时间为8 525 ms，比其它月份的曝光时间(8 900～8 975 ms)小了大约4.6%。由此可见，曝光时间短是2017年7月PMP的Y值较小的原因。

AAPM 83号报告建议，至少每天验证水的CT值的准确性，每个月和每次调整机器或更换主要部件后增加验证3～5种物质CT值的准确性[11，12]。CBCT图像是CT图像的一种，但是对其质控标准并不采用AAPM 83号报告的建议标准。Yoo等于2006年建立了OBI系统的质控程序，其中CBCT图像物质CT值(HU)的质控标准为其测量值与标准CT值的差异的绝对值应<40 HU[8]。国内的许多学者，也对CBCT图像质控体系的建立和操作方法进行了研究[13～17]。由图2、图3以及表2可知，SDH和Pelvis两种扫描协议下，7种物质的CT值均符合上述差值<40 HU的标准；HQH协议下有两种物质(Delrin和Teflon)不符合上述<40 HU的标准。由此可见，SDH和Pelvis两种扫描协议，可用于CBCT图像的CT值质控检测和计量检测。

管秋等的研究中，给出了1年内HQH、SDH和Pelvis3种扫描协议7种物质CBCT图像CT值的统计数据[13]；巩汉顺等的研究中，给出了2014～2015年度不同时间共7次扫描(6种扫描协议)CBCT图像CT值的统计数据[18]。比较3个研究的数据可见，本研究的CT值统计数据，与巩汉顺等的研究结果较为一致。Yoo等的研究报告，给出了4个月时间内2种扫描协议下7种物质CBCT图像CT值的统计数据，但未给出2种扫描协议的具体名称，故无法与其它研究的数据进行比较[11]。

由图3可见，ΔYm值随物质相对电子密度的大小而变化。SDH和Pelvis两种协议下，ΔYm值随相对电子密度变化的趋势比较相近，ΔYm值的范围在-17.23 HU～6.83 HU之间，变化较小。HQH协议下，前5种物质(Air、PMP、LDPE、Polystyrene、Acrylic)的ΔYm值在-3.70 HU～16.55 HU范围内，后2种物质(Delrin和Teflon)的ΔYm值超出40 HU的范围，变化较大。由表1可见，与普通CT设备类似，不同CBCT扫描协议所采用的扫描及重建参数的不同；这导致了不同扫描协议下物质的CT值及与标准CT值差值的不同。HQH扫描协议下，Delrin和Teflon的ΔY和ΔYm超出了40 HU的范围，因此HQH不适合用于CBCT图像的定期质控测量和计量检测。

CT设备的质控和计量检测工作，在医疗和工业领域被重视的程度越来越高[19～22]。目前，JJG 961—2017是我国最新关于医用诊断螺旋CT X射线辐射源的检定规程；该规程与AAPM 83号报告，都不适用于CBCT图像的质控和计量检测。AAPM 104号和179号报告，有关于OBI系统CBCT图像质控方面的介绍。随着精确放疗的发展，瓦里安OBI系统、医科达XVI系统等生成的CBCT图像，将更广泛地应用于放疗患者的治疗位置验证等放疗日常工作中。

5 结 语

本研究中，36个CBCT图像序列，若采用手动勾画ROI的方式，首先要从每个CBCT图像序列中找到CTP404模块中间一层的CBCT图像，然后勾画对应7种物质的7个ROI， 共计252个ROI，工作量较大；另外为了保证ROI大小位置的一致，需要花费更多的时间对位置进行手动调整。与传统的手工勾画ROI来获取物质CT值的方法相比，使用DoseLab软件可自动获取Catphan模体CBCT图像中物质的CT值，能够节约较多时间并保证勾画区域的一致。因此，使用DoseLab软件，可有效帮助工作人员分析CT图像和CBCT图像的检测数据。

综上所述，该瓦里安加速器配备的OBI系统，其CBCT图像CT值在2017年3月～2018年2月的12个月里总体上比较稳定；SDH和Pelvis两种扫描协议适合用于CBCT图像的质控和计量检测；HQH不适合用于CBCT图像质量的检测。本文的研究结果，将为CBCT图像的质控测量和计量检测，提供有价值的数据参考。

致谢生原医疗集团王辉、曹鹰、郁洋在DoseLab软件使用中提供的帮助和支持；江苏省计量科学研究院邢立腾在计量检定规程方面提供帮助,谨致谢忱。