肺部腫瘤會隨著人的呼吸運動而運動,為研究腫瘤運動周期內運動時段的不同對錐形束CT (CBCT)確定腫瘤靶區的影響,應用CIRS008胸部運動模體,取直徑分別為1 cm和3 cm的球形靶模擬肺部腫瘤的正弦運動,然后在振幅不變的情況下改變靶運動在近呼氣端與近吸氣端時間的比值(E/I)進行CBCT掃描。提取靶運動方向中心線上每個像素的CT值分析圖像中靶區對比度的變化,應用區域生長的方法自動勾畫靶區,并與根據小球運動軌跡計算的運動體積進行比較。結果顯示隨著E/I的增大,近呼氣端對比度升高而近吸氣端對比度降低。勾畫的靶區體積隨著E/I的增大而減小,當E/I=4,振幅A=1 cm時,直徑分別為1 cm和3 cm的小球,體積分別減小了48.2%和22.7%;研究表明E/I增大時CBCT不能完整的反映靶的運動范圍,CBCT可能會低估肺部腫瘤的內靶區。
引用本文： 郭昌, 鐘仁明, 李光俊, 冀傳仙, 李成強, 全紅, 柏森. 呼吸運動對錐形束CT確定靶區的影響. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(2): 314-318. doi: 10.7507/1001-5515.20140059 復制
引言
圖像引導放射治療 (image guided radiation therapy，IGRT) 中加速器機載的錐形束 CT (cone beam CT，CBCT) 是獲取治療驗證圖像的主要方式。IGRT 應用 CBCT 掃描的圖像進行計劃靶區精度的驗證和患者治療擺位的校準[1]，提高了腫瘤放射治療的精確性。CBCT 通過在二維方向的投影，應用 FDK 算法重建出一個包含運動信息的三維容積圖像[2]，Wang等[3]對正弦運動的靶進行 CBCT 掃描,勾畫的靶區與四維 CT 的靶區比較，認為 CBCT 勾畫的靶區也可看作個體化肺癌內靶區體積(internal target volume，ITV)[4]，通過 CBCT 來定位運動腫瘤內靶區體積是可行的。在應用主動呼吸控制技術(active breathing coordinator,ABC) 監測患者的自由呼吸曲線時，發現許多呼吸運動吸氣相的時間要短于呼氣相的時間，這就會引起腫瘤處在近吸氣端的時間要短于近呼氣端的時間[5-6]，在腫瘤運動曲線中，以腫瘤運動范圍的中點為原點，靠近呼氣末的一段為近呼氣端，靠近吸氣末的一段為近吸氣端。本研究通過改變靶運動周期內近呼氣端運動與近吸氣端運動時間的比值(E/I)，分析 CBCT 圖像中靶區的變化，為臨床提供參考。
1 材料與方法
1.1 一般材料
CIRS008胸部運動模體。該模體模擬了人體胸部的組織結構，在其左肺中間有一模擬腫瘤的小球通過機械桿與電機相連，應用軟件控制小球能模擬肺部腫瘤三維方向上的呼吸運動。Matlab (R2009b) 計算編程軟件；Elekta Synergy XVI；Pinnacle3 V9.0 治療計劃系統；MIM Vista V5.4 圖像處理軟件。
1.2 方法
1.2.1 呼吸運動模擬
基于Matlab軟件，減小正弦曲線中Y正半軸的角速度，增大Y負半軸的角速度，使E/I分別為1.0、1.2、1.5、2.3、3.0、4.0，得到圖 1所示的6條腫瘤運動曲線，將模擬的曲線數據導入模體控制軟件，在軟件中依次調節振幅分別為 2.5、5.0 和10.0 mm，周期均為 5 s，獲得三組共18 條曲線。選取直徑為 1 cm 和 3 cm 的小球模擬腫瘤在頭腳方向上的運動。
圖1
模擬的不同E/I的腫瘤運動曲線
Figure1.
Simulated tumor movement profiles with six different E/I ratios
1.2.2 圖像獲取
應用 Elekta Synergy XVI 系統，對每種運動方式下直徑為 1 cm 和 3 cm的靶，采用相同的掃描條件進行 CBCT 掃描，共獲得 36 組 CBCT 圖像。CBCT 的掃描條件為：管電壓 120 kV，管電流 25 mA，曝光時間 40 ms，采用 S20 準直器，加 bowtie 濾線器，掃描旋轉速度 3°/s，采集速率為 5.5 frams/s，在 2 min左右完成 359°掃描，共采集到的圖像幀數為 681 幀，采用 M 分辨率 1 mm 層厚進行圖像重建。
1.2.3 中心線上 CT 值的獲得及對比度的計算
將獲得的 36 組 CBCT 圖像導入到Pinnacle治療計劃系統，根據模體自帶的鉛點選擇到中心層面，應用計劃系統的 Profile 工具在矢狀面上提取靶區頭腳方向中心線上每個像素的CT值并導出，同時在這一層面靠近靶區的肺組織部位做一個直徑為 30 mm 的感興趣區(region of interest，ROI)，取 ROI 的平均 CT 值作為圖像的本底，求出靶區中心線上的每個像素相對于本底的對比度。對所有的 CBCT 圖像均采用相同的方法求得中心線上像素的對比度。對比度定義為
| $\text{Contrast}=\frac{\left| {{I}_{i}}-{{I}_{b}} \right|}{{{I}_{b}}}\times 100%,$ |
其中Ii為 Pinnacle 導出中心線上像素的CT值，Ib為每幅圖像的本底CT值。
1.2.4 靶區的勾畫與比較
將 36 組 CBCT 圖像導入到在 MIM Vista 中，采用區域生長方法勾畫靶區。區域生長是通過設定CT 圖像中 CT 值的上限和下限，將處于這個閾值區間內的體素勾畫出來的方法。對于 E/I＝1 的6個 CBCT 圖像，在肺窗下分別進行靶區的手動勾畫，根據手動勾畫的體積依次驗證出自動勾畫所需的閾值區間，根據得到的6個閾值區間，取中位閾值區間 [-740 HU,0 HU) 自動勾畫所有 CBCT 圖像的靶區。
采用的靶體為球形，根據運動軌跡可以計算出靶的運動體積，即標準體積(standard volume，SV)，這一標準體積可看做是腫瘤內靶區體積。計算標準體積時，我們將標準體積分解為上下兩個半球體積和一個圓柱體體積求和，得到公式(2) ，即
| $\text{SV}=2\times \frac{2}{3}\pi {{r}^{3}}+2A\pi {{r}^{2}},$ |
其中r為球的半徑，A為球的振幅。
將勾畫靶區體積與標準體積進行比較，通過公式 (3) 求出勾畫靶區體積相對于標準體積的變化 (volume change，VC)，VC 定義為
| $\text{VC}=\frac{{{V}_{i}}-\text{SV}}{\text{SV}}\times 100%,$ |
其中Vi為勾畫靶區的體積。
2 結果
2.1 獲取的 CBCT 圖像
圖 2所示為靶直徑T為 3 cm ,振幅A為10 mm 組(T3A10組)在矢狀面中心層面的 CBCT 圖像。在圖 2中可看到隨著 E/I 的增大，近呼氣端變得清晰而近吸氣端變得模糊。
圖2
T3A10組的圖像
(a)E/I=1； (b)E/I=1.2； (c)E/I=1.5； (d)E/I=2.3； (e)E/I=3； (f)E/I=4
Figure2. The image of T3A10 group2.2 靶區中心線上對比度變化
由圖 3所示的對比度曲線我們也可以看到靶運動邊緣的對比度降低，并且隨著振幅A的增大，靶區對比度下降的區域越大，其中直徑T為 1 cm 的靶受振幅的影響較大，隨著振幅的增大，整體的對比度降低，特別是 T1A10 組，由于振幅與小球的直徑相等，引起整個靶區明顯的對比度降低。分析每組圖中6條曲線，圖中負半軸為近呼氣端部分，正半軸為近吸氣端部分，對每組圖像中 E/I＝1 時的曲線，這兩部分近似對稱，但是隨著 E/I 的增大，近呼氣端部分對比度逐漸升高，近吸氣端部分的對比度逐漸降低，對稱性降低，并且振幅越大的組，這種變化越明顯。
圖3
中心線上對比度曲線圖
Figure3.
Contrast curves on the center line
2.3 體積的變化
表 1可以看出，除 T3A2.5 組外,勾畫靶區體積均小于標準體積，并且隨著 E/I的增大，勾畫靶區體積相比于標準體積的減小逐漸增大；T3A2.5組勾畫靶區體積大于標準體積，這是由 CBCT 圖像的邊緣偽影較大引起的［7]，但是隨著 E/I的增大，勾畫靶區體積相比于標準體積的增大在減小，當 E/I＝3 時，勾畫靶區體積小于標準體積；振幅也會對勾畫體積產生影響，相同大小的靶在振幅增大時，勾畫靶區體積相比于標準體積的減小也增大。E/I 和振幅的變化均會對勾畫靶區體積產生影響。
表1
勾畫靶區體積與標準體積的比較
Table1.
Comparison between contoured target volume and standard volume
3 討論
本文研究了肺部的靶在運動周期內近呼氣端與近吸氣端運動時間的不同對 CBCT 圖像靶區的影響。在圖 3 中心線上像素的對比度曲線中我們可以清晰地看到隨著 E/I 的增大，近呼氣端對比度的升高和近吸氣端對比度的降低，原因是運動周期內近呼氣端時間比重的增大，引起 CBCT 掃描時在近呼氣端獲得的投影數增多，造成了在應用 FDK 算法重建時這部分的對比度增高[8-9]，反之造成了近吸氣端的對比度降低，引起如圖 2 所示的圖像變化。另外隨著振幅的增大，對比度下降的區域也越大，特別是 T1A10 組，由于振幅與小球的直徑相等，引起整個靶區的對比度降低。在圖 3所示對比度曲線中，如果將對比度等于1 的點作為靶區的邊界，在近呼吸氣端被忽略的部分變化不大，而近呼氣端被忽略的部分卻逐漸增多，直接影響了我們在 CBCT 圖像上確定靶區的準確性。
對靶區應用區域生長的方法進行自動勾畫,應用自動勾畫主要考慮到模體的結構較為簡單，只有空氣、軟組織和骨骼三種密度，區域生長的方法精度高，而手工勾畫時由于圖像邊緣對比度低，勾畫誤差大，難以客觀反映靶區的變化。勾畫的結果表明E/I和振幅的增大，會引起勾畫體積的減小。Wang等[3]對 CBCT 與 4D-CT 勾畫內靶區的比較研究中發現兩種方式勾畫的靶區體積差異小于 8%，我們通過與計算的標準體積比較,對于E/I 和振幅均較小的靶得到相似的結果，但隨著 E/I 值和振幅的增大，勾畫體積與標準體積的差異增大，如果以 CBCT 勾畫的靶區作為內靶區體積,這個內靶區體積將會被低估，其中對直徑 1 cm 和 3 cm 的靶，在 E/I＝4，振幅 A＝10 mm 時體積分別減小了 48.2% 和 22.7%。另外勾畫的靶區可看作是在 CBCT 上可視的腫瘤范圍，在勾畫中減小的部分主要位于近吸氣端，而近呼氣端則由于對比度的增加而更容易勾畫，如果我們將勾畫圖像的中心作為靶的運動中點，這個運動中點將是錯誤的，可能會對 IGRT 手動配準的準確性產生影響。
本文針對腫瘤的規律運動做了研究，在臨床治療中患者的自主呼吸運動有一定的不規律性，運動時腫瘤組織還會形變，因此本研究的結果還有待于臨床的進一步驗證。另外，本文未研究 E/I 小于 1 的情況，主要原因為根據對患者在自由呼吸狀態下進行觀察及相關文獻報道 E/I 小于 1 的案例非常少[5-6]。4D-CBCT[10]通過慢機架掃描的方式，獲得更多的二維投影并將數據分組，分別進行重建得到每個時相的圖像，可以較準確地描述靶區運動，在 4D-CBCT 應用于肺癌的 SBRT 治療時發現 4D-CBCT 對于運動范圍較大的靶區的定位準確性要好于 CBCT[8, 11]。Wang等[12]在 IGRT 中配合使用 ABC 系統降低患者的呼吸運動進行 CBCT 掃描，這種方式也可提高 CBCT 對肺部腫瘤靶區的定位精度。
基于模體的研究表明對于 E/I 較大的靶的運動，近吸氣端圖像對比度的降低會引起 CBCT 不能完整地反映靶的運動范圍，如果將 CBCT 定位的靶區作為內靶區體積，這個內靶區體積將會被低估,同時由于近呼氣端和近吸氣端對比度的不對稱性引起的對靶運動中點的誤判，可能會影響手動配準的準確性。
引言
圖像引導放射治療 (image guided radiation therapy，IGRT) 中加速器機載的錐形束 CT (cone beam CT，CBCT) 是獲取治療驗證圖像的主要方式。IGRT 應用 CBCT 掃描的圖像進行計劃靶區精度的驗證和患者治療擺位的校準[1]，提高了腫瘤放射治療的精確性。CBCT 通過在二維方向的投影，應用 FDK 算法重建出一個包含運動信息的三維容積圖像[2]，Wang等[3]對正弦運動的靶進行 CBCT 掃描,勾畫的靶區與四維 CT 的靶區比較，認為 CBCT 勾畫的靶區也可看作個體化肺癌內靶區體積(internal target volume，ITV)[4]，通過 CBCT 來定位運動腫瘤內靶區體積是可行的。在應用主動呼吸控制技術(active breathing coordinator,ABC) 監測患者的自由呼吸曲線時，發現許多呼吸運動吸氣相的時間要短于呼氣相的時間，這就會引起腫瘤處在近吸氣端的時間要短于近呼氣端的時間[5-6]，在腫瘤運動曲線中，以腫瘤運動范圍的中點為原點，靠近呼氣末的一段為近呼氣端，靠近吸氣末的一段為近吸氣端。本研究通過改變靶運動周期內近呼氣端運動與近吸氣端運動時間的比值(E/I)，分析 CBCT 圖像中靶區的變化，為臨床提供參考。
1 材料與方法
1.1 一般材料
CIRS008胸部運動模體。該模體模擬了人體胸部的組織結構，在其左肺中間有一模擬腫瘤的小球通過機械桿與電機相連，應用軟件控制小球能模擬肺部腫瘤三維方向上的呼吸運動。Matlab (R2009b) 計算編程軟件；Elekta Synergy XVI；Pinnacle3 V9.0 治療計劃系統；MIM Vista V5.4 圖像處理軟件。
1.2 方法
1.2.1 呼吸運動模擬
基于Matlab軟件，減小正弦曲線中Y正半軸的角速度，增大Y負半軸的角速度，使E/I分別為1.0、1.2、1.5、2.3、3.0、4.0，得到圖 1所示的6條腫瘤運動曲線，將模擬的曲線數據導入模體控制軟件，在軟件中依次調節振幅分別為 2.5、5.0 和10.0 mm，周期均為 5 s，獲得三組共18 條曲線。選取直徑為 1 cm 和 3 cm 的小球模擬腫瘤在頭腳方向上的運動。
圖1
模擬的不同E/I的腫瘤運動曲線
Figure1.
Simulated tumor movement profiles with six different E/I ratios
1.2.2 圖像獲取
應用 Elekta Synergy XVI 系統，對每種運動方式下直徑為 1 cm 和 3 cm的靶，采用相同的掃描條件進行 CBCT 掃描，共獲得 36 組 CBCT 圖像。CBCT 的掃描條件為：管電壓 120 kV，管電流 25 mA，曝光時間 40 ms，采用 S20 準直器，加 bowtie 濾線器，掃描旋轉速度 3°/s，采集速率為 5.5 frams/s，在 2 min左右完成 359°掃描，共采集到的圖像幀數為 681 幀，采用 M 分辨率 1 mm 層厚進行圖像重建。
1.2.3 中心線上 CT 值的獲得及對比度的計算
將獲得的 36 組 CBCT 圖像導入到Pinnacle治療計劃系統，根據模體自帶的鉛點選擇到中心層面，應用計劃系統的 Profile 工具在矢狀面上提取靶區頭腳方向中心線上每個像素的CT值并導出，同時在這一層面靠近靶區的肺組織部位做一個直徑為 30 mm 的感興趣區(region of interest，ROI)，取 ROI 的平均 CT 值作為圖像的本底，求出靶區中心線上的每個像素相對于本底的對比度。對所有的 CBCT 圖像均采用相同的方法求得中心線上像素的對比度。對比度定義為
| $\text{Contrast}=\frac{\left| {{I}_{i}}-{{I}_{b}} \right|}{{{I}_{b}}}\times 100%,$ |
其中Ii為 Pinnacle 導出中心線上像素的CT值，Ib為每幅圖像的本底CT值。
1.2.4 靶區的勾畫與比較
將 36 組 CBCT 圖像導入到在 MIM Vista 中，采用區域生長方法勾畫靶區。區域生長是通過設定CT 圖像中 CT 值的上限和下限，將處于這個閾值區間內的體素勾畫出來的方法。對于 E/I＝1 的6個 CBCT 圖像，在肺窗下分別進行靶區的手動勾畫，根據手動勾畫的體積依次驗證出自動勾畫所需的閾值區間，根據得到的6個閾值區間，取中位閾值區間 [-740 HU,0 HU) 自動勾畫所有 CBCT 圖像的靶區。
采用的靶體為球形，根據運動軌跡可以計算出靶的運動體積，即標準體積(standard volume，SV)，這一標準體積可看做是腫瘤內靶區體積。計算標準體積時，我們將標準體積分解為上下兩個半球體積和一個圓柱體體積求和，得到公式(2) ，即
| $\text{SV}=2\times \frac{2}{3}\pi {{r}^{3}}+2A\pi {{r}^{2}},$ |
其中r為球的半徑，A為球的振幅。
將勾畫靶區體積與標準體積進行比較，通過公式 (3) 求出勾畫靶區體積相對于標準體積的變化 (volume change，VC)，VC 定義為
| $\text{VC}=\frac{{{V}_{i}}-\text{SV}}{\text{SV}}\times 100%,$ |
其中Vi為勾畫靶區的體積。
2 結果
2.1 獲取的 CBCT 圖像
圖 2所示為靶直徑T為 3 cm ,振幅A為10 mm 組(T3A10組)在矢狀面中心層面的 CBCT 圖像。在圖 2中可看到隨著 E/I 的增大，近呼氣端變得清晰而近吸氣端變得模糊。
圖2
T3A10組的圖像
(a)E/I=1； (b)E/I=1.2； (c)E/I=1.5； (d)E/I=2.3； (e)E/I=3； (f)E/I=4
Figure2. The image of T3A10 group2.2 靶區中心線上對比度變化
由圖 3所示的對比度曲線我們也可以看到靶運動邊緣的對比度降低，并且隨著振幅A的增大，靶區對比度下降的區域越大，其中直徑T為 1 cm 的靶受振幅的影響較大，隨著振幅的增大，整體的對比度降低，特別是 T1A10 組，由于振幅與小球的直徑相等，引起整個靶區明顯的對比度降低。分析每組圖中6條曲線，圖中負半軸為近呼氣端部分，正半軸為近吸氣端部分，對每組圖像中 E/I＝1 時的曲線，這兩部分近似對稱，但是隨著 E/I 的增大，近呼氣端部分對比度逐漸升高，近吸氣端部分的對比度逐漸降低，對稱性降低，并且振幅越大的組，這種變化越明顯。
圖3
中心線上對比度曲線圖
Figure3.
Contrast curves on the center line
2.3 體積的變化
表 1可以看出，除 T3A2.5 組外,勾畫靶區體積均小于標準體積，并且隨著 E/I的增大，勾畫靶區體積相比于標準體積的減小逐漸增大；T3A2.5組勾畫靶區體積大于標準體積，這是由 CBCT 圖像的邊緣偽影較大引起的［7]，但是隨著 E/I的增大，勾畫靶區體積相比于標準體積的增大在減小，當 E/I＝3 時，勾畫靶區體積小于標準體積；振幅也會對勾畫體積產生影響，相同大小的靶在振幅增大時，勾畫靶區體積相比于標準體積的減小也增大。E/I 和振幅的變化均會對勾畫靶區體積產生影響。
表1
勾畫靶區體積與標準體積的比較
Table1.
Comparison between contoured target volume and standard volume
3 討論
本文研究了肺部的靶在運動周期內近呼氣端與近吸氣端運動時間的不同對 CBCT 圖像靶區的影響。在圖 3 中心線上像素的對比度曲線中我們可以清晰地看到隨著 E/I 的增大，近呼氣端對比度的升高和近吸氣端對比度的降低，原因是運動周期內近呼氣端時間比重的增大，引起 CBCT 掃描時在近呼氣端獲得的投影數增多，造成了在應用 FDK 算法重建時這部分的對比度增高[8-9]，反之造成了近吸氣端的對比度降低，引起如圖 2 所示的圖像變化。另外隨著振幅的增大，對比度下降的區域也越大，特別是 T1A10 組，由于振幅與小球的直徑相等，引起整個靶區的對比度降低。在圖 3所示對比度曲線中，如果將對比度等于1 的點作為靶區的邊界，在近呼吸氣端被忽略的部分變化不大，而近呼氣端被忽略的部分卻逐漸增多，直接影響了我們在 CBCT 圖像上確定靶區的準確性。
對靶區應用區域生長的方法進行自動勾畫,應用自動勾畫主要考慮到模體的結構較為簡單，只有空氣、軟組織和骨骼三種密度，區域生長的方法精度高，而手工勾畫時由于圖像邊緣對比度低，勾畫誤差大，難以客觀反映靶區的變化。勾畫的結果表明E/I和振幅的增大，會引起勾畫體積的減小。Wang等[3]對 CBCT 與 4D-CT 勾畫內靶區的比較研究中發現兩種方式勾畫的靶區體積差異小于 8%，我們通過與計算的標準體積比較,對于E/I 和振幅均較小的靶得到相似的結果，但隨著 E/I 值和振幅的增大，勾畫體積與標準體積的差異增大，如果以 CBCT 勾畫的靶區作為內靶區體積,這個內靶區體積將會被低估，其中對直徑 1 cm 和 3 cm 的靶，在 E/I＝4，振幅 A＝10 mm 時體積分別減小了 48.2% 和 22.7%。另外勾畫的靶區可看作是在 CBCT 上可視的腫瘤范圍，在勾畫中減小的部分主要位于近吸氣端，而近呼氣端則由于對比度的增加而更容易勾畫，如果我們將勾畫圖像的中心作為靶的運動中點，這個運動中點將是錯誤的，可能會對 IGRT 手動配準的準確性產生影響。
本文針對腫瘤的規律運動做了研究，在臨床治療中患者的自主呼吸運動有一定的不規律性，運動時腫瘤組織還會形變，因此本研究的結果還有待于臨床的進一步驗證。另外，本文未研究 E/I 小于 1 的情況，主要原因為根據對患者在自由呼吸狀態下進行觀察及相關文獻報道 E/I 小于 1 的案例非常少[5-6]。4D-CBCT[10]通過慢機架掃描的方式，獲得更多的二維投影并將數據分組，分別進行重建得到每個時相的圖像，可以較準確地描述靶區運動，在 4D-CBCT 應用于肺癌的 SBRT 治療時發現 4D-CBCT 對于運動范圍較大的靶區的定位準確性要好于 CBCT[8, 11]。Wang等[12]在 IGRT 中配合使用 ABC 系統降低患者的呼吸運動進行 CBCT 掃描，這種方式也可提高 CBCT 對肺部腫瘤靶區的定位精度。
基于模體的研究表明對于 E/I 較大的靶的運動，近吸氣端圖像對比度的降低會引起 CBCT 不能完整地反映靶的運動范圍，如果將 CBCT 定位的靶區作為內靶區體積，這個內靶區體積將會被低估,同時由于近呼氣端和近吸氣端對比度的不對稱性引起的對靶運動中點的誤判，可能會影響手動配準的準確性。
