肺部肿瘤会随着人的呼吸运动而运动,为研究肿瘤运动周期内运动时段的不同对锥形束CT (CBCT)确定肿瘤靶区的影响,应用CIRS008胸部运动模体,取直径分别为1 cm和3 cm的球形靶模拟肺部肿瘤的正弦运动,然后在振幅不变的情况下改变靶运动在近呼气端与近吸气端时间的比值(E/I)进行CBCT扫描。提取靶运动方向中心线上每个像素的CT值分析图像中靶区对比度的变化,应用区域生长的方法自动勾画靶区,并与根据小球运动轨迹计算的运动体积进行比较。结果显示随着E/I的增大,近呼气端对比度升高而近吸气端对比度降低。勾画的靶区体积随着E/I的增大而减小,当E/I=4,振幅A=1 cm时,直径分别为1 cm和3 cm的小球,体积分别减小了48.2%和22.7%;研究表明E/I增大时CBCT不能完整的反映靶的运动范围,CBCT可能会低估肺部肿瘤的内靶区。
引用本文： 郭昌, 钟仁明, 李光俊, 冀传仙, 李成强, 全红, 柏森. 呼吸运动对锥形束CT确定靶区的影响. 生物医学工程学杂志, 2014, 31(2): 314-318. doi: 10.7507/1001-5515.20140059 复制
引言
图像引导放射治疗 (image guided radiation therapy，IGRT) 中加速器机载的锥形束 CT (cone beam CT，CBCT) 是获取治疗验证图像的主要方式。IGRT 应用 CBCT 扫描的图像进行计划靶区精度的验证和患者治疗摆位的校准[1]，提高了肿瘤放射治疗的精确性。CBCT 通过在二维方向的投影，应用 FDK 算法重建出一个包含运动信息的三维容积图像[2]，Wang等[3]对正弦运动的靶进行 CBCT 扫描,勾画的靶区与四维 CT 的靶区比较，认为 CBCT 勾画的靶区也可看作个体化肺癌内靶区体积(internal target volume，ITV)[4]，通过 CBCT 来定位运动肿瘤内靶区体积是可行的。在应用主动呼吸控制技术(active breathing coordinator,ABC) 监测患者的自由呼吸曲线时，发现许多呼吸运动吸气相的时间要短于呼气相的时间，这就会引起肿瘤处在近吸气端的时间要短于近呼气端的时间[5-6]，在肿瘤运动曲线中，以肿瘤运动范围的中点为原点，靠近呼气末的一段为近呼气端，靠近吸气末的一段为近吸气端。本研究通过改变靶运动周期内近呼气端运动与近吸气端运动时间的比值(E/I)，分析 CBCT 图像中靶区的变化，为临床提供参考。
1 材料与方法
1.1 一般材料
CIRS008胸部运动模体。该模体模拟了人体胸部的组织结构，在其左肺中间有一模拟肿瘤的小球通过机械杆与电机相连，应用软件控制小球能模拟肺部肿瘤三维方向上的呼吸运动。Matlab (R2009b) 计算编程软件；Elekta Synergy XVI；Pinnacle3 V9.0 治疗计划系统；MIM Vista V5.4 图像处理软件。
1.2 方法
1.2.1 呼吸运动模拟
基于Matlab软件，减小正弦曲线中Y正半轴的角速度，增大Y负半轴的角速度，使E/I分别为1.0、1.2、1.5、2.3、3.0、4.0，得到图 1所示的6条肿瘤运动曲线，将模拟的曲线数据导入模体控制软件，在软件中依次调节振幅分别为 2.5、5.0 和10.0 mm，周期均为 5 s，获得三组共18 条曲线。选取直径为 1 cm 和 3 cm 的小球模拟肿瘤在头脚方向上的运动。
图1
模拟的不同E/I的肿瘤运动曲线
Figure1.
Simulated tumor movement profiles with six different E/I ratios
1.2.2 图像获取
应用 Elekta Synergy XVI 系统，对每种运动方式下直径为 1 cm 和 3 cm的靶，采用相同的扫描条件进行 CBCT 扫描，共获得 36 组 CBCT 图像。CBCT 的扫描条件为：管电压 120 kV，管电流 25 mA，曝光时间 40 ms，采用 S20 准直器，加 bowtie 滤线器，扫描旋转速度 3°/s，采集速率为 5.5 frams/s，在 2 min左右完成 359°扫描，共采集到的图像帧数为 681 帧，采用 M 分辨率 1 mm 层厚进行图像重建。
1.2.3 中心线上 CT 值的获得及对比度的计算
将获得的 36 组 CBCT 图像导入到Pinnacle治疗计划系统，根据模体自带的铅点选择到中心层面，应用计划系统的 Profile 工具在矢状面上提取靶区头脚方向中心线上每个像素的CT值并导出，同时在这一层面靠近靶区的肺组织部位做一个直径为 30 mm 的感兴趣区(region of interest，ROI)，取 ROI 的平均 CT 值作为图像的本底，求出靶区中心线上的每个像素相对于本底的对比度。对所有的 CBCT 图像均采用相同的方法求得中心线上像素的对比度。对比度定义为
| $\text{Contrast}=\frac{\left| {{I}_{i}}-{{I}_{b}} \right|}{{{I}_{b}}}\times 100%,$ |
其中Ii为 Pinnacle 导出中心线上像素的CT值，Ib为每幅图像的本底CT值。
1.2.4 靶区的勾画与比较
将 36 组 CBCT 图像导入到在 MIM Vista 中，采用区域生长方法勾画靶区。区域生长是通过设定CT 图像中 CT 值的上限和下限，将处于这个阈值区间内的体素勾画出来的方法。对于 E/I＝1 的6个 CBCT 图像，在肺窗下分别进行靶区的手动勾画，根据手动勾画的体积依次验证出自动勾画所需的阈值区间，根据得到的6个阈值区间，取中位阈值区间 [-740 HU,0 HU) 自动勾画所有 CBCT 图像的靶区。
采用的靶体为球形，根据运动轨迹可以计算出靶的运动体积，即标准体积(standard volume，SV)，这一标准体积可看做是肿瘤内靶区体积。计算标准体积时，我们将标准体积分解为上下两个半球体积和一个圆柱体体积求和，得到公式(2) ，即
| $\text{SV}=2\times \frac{2}{3}\pi {{r}^{3}}+2A\pi {{r}^{2}},$ |
其中r为球的半径，A为球的振幅。
将勾画靶区体积与标准体积进行比较，通过公式 (3) 求出勾画靶区体积相对于标准体积的变化 (volume change，VC)，VC 定义为
| $\text{VC}=\frac{{{V}_{i}}-\text{SV}}{\text{SV}}\times 100%,$ |
其中Vi为勾画靶区的体积。
2 结果
2.1 获取的 CBCT 图像
图 2所示为靶直径T为 3 cm ,振幅A为10 mm 组(T3A10组)在矢状面中心层面的 CBCT 图像。在图 2中可看到随着 E/I 的增大，近呼气端变得清晰而近吸气端变得模糊。
图2
T3A10组的图像
(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 靶区中心线上对比度变化
由图 3所示的对比度曲线我们也可以看到靶运动边缘的对比度降低，并且随着振幅A的增大，靶区对比度下降的区域越大，其中直径T为 1 cm 的靶受振幅的影响较大，随着振幅的增大，整体的对比度降低，特别是 T1A10 组，由于振幅与小球的直径相等，引起整个靶区明显的对比度降低。分析每组图中6条曲线，图中负半轴为近呼气端部分，正半轴为近吸气端部分，对每组图像中 E/I＝1 时的曲线，这两部分近似对称，但是随着 E/I 的增大，近呼气端部分对比度逐渐升高，近吸气端部分的对比度逐渐降低，对称性降低，并且振幅越大的组，这种变化越明显。
图3
中心线上对比度曲线图
Figure3.
Contrast curves on the center line
2.3 体积的变化
表 1可以看出，除 T3A2.5 组外,勾画靶区体积均小于标准体积，并且随着 E/I的增大，勾画靶区体积相比于标准体积的减小逐渐增大；T3A2.5组勾画靶区体积大于标准体积，这是由 CBCT 图像的边缘伪影较大引起的［7]，但是随着 E/I的增大，勾画靶区体积相比于标准体积的增大在减小，当 E/I＝3 时，勾画靶区体积小于标准体积；振幅也会对勾画体积产生影响，相同大小的靶在振幅增大时，勾画靶区体积相比于标准体积的减小也增大。E/I 和振幅的变化均会对勾画靶区体积产生影响。
表1
勾画靶区体积与标准体积的比较
Table1.
Comparison between contoured target volume and standard volume
3 讨论
本文研究了肺部的靶在运动周期内近呼气端与近吸气端运动时间的不同对 CBCT 图像靶区的影响。在图 3 中心线上像素的对比度曲线中我们可以清晰地看到随着 E/I 的增大，近呼气端对比度的升高和近吸气端对比度的降低，原因是运动周期内近呼气端时间比重的增大，引起 CBCT 扫描时在近呼气端获得的投影数增多，造成了在应用 FDK 算法重建时这部分的对比度增高[8-9]，反之造成了近吸气端的对比度降低，引起如图 2 所示的图像变化。另外随着振幅的增大，对比度下降的区域也越大，特别是 T1A10 组，由于振幅与小球的直径相等，引起整个靶区的对比度降低。在图 3所示对比度曲线中，如果将对比度等于1 的点作为靶区的边界，在近呼吸气端被忽略的部分变化不大，而近呼气端被忽略的部分却逐渐增多，直接影响了我们在 CBCT 图像上确定靶区的准确性。
对靶区应用区域生长的方法进行自动勾画,应用自动勾画主要考虑到模体的结构较为简单，只有空气、软组织和骨骼三种密度，区域生长的方法精度高，而手工勾画时由于图像边缘对比度低，勾画误差大，难以客观反映靶区的变化。勾画的结果表明E/I和振幅的增大，会引起勾画体积的减小。Wang等[3]对 CBCT 与 4D-CT 勾画内靶区的比较研究中发现两种方式勾画的靶区体积差异小于 8%，我们通过与计算的标准体积比较,对于E/I 和振幅均较小的靶得到相似的结果，但随着 E/I 值和振幅的增大，勾画体积与标准体积的差异增大，如果以 CBCT 勾画的靶区作为内靶区体积,这个内靶区体积将会被低估，其中对直径 1 cm 和 3 cm 的靶，在 E/I＝4，振幅 A＝10 mm 时体积分别减小了 48.2% 和 22.7%。另外勾画的靶区可看作是在 CBCT 上可视的肿瘤范围，在勾画中减小的部分主要位于近吸气端，而近呼气端则由于对比度的增加而更容易勾画，如果我们将勾画图像的中心作为靶的运动中点，这个运动中点将是错误的，可能会对 IGRT 手动配准的准确性产生影响。
本文针对肿瘤的规律运动做了研究，在临床治疗中患者的自主呼吸运动有一定的不规律性，运动时肿瘤组织还会形变，因此本研究的结果还有待于临床的进一步验证。另外，本文未研究 E/I 小于 1 的情况，主要原因为根据对患者在自由呼吸状态下进行观察及相关文献报道 E/I 小于 1 的案例非常少[5-6]。4D-CBCT[10]通过慢机架扫描的方式，获得更多的二维投影并将数据分组，分别进行重建得到每个时相的图像，可以较准确地描述靶区运动，在 4D-CBCT 应用于肺癌的 SBRT 治疗时发现 4D-CBCT 对于运动范围较大的靶区的定位准确性要好于 CBCT[8, 11]。Wang等[12]在 IGRT 中配合使用 ABC 系统降低患者的呼吸运动进行 CBCT 扫描，这种方式也可提高 CBCT 对肺部肿瘤靶区的定位精度。
基于模体的研究表明对于 E/I 较大的靶的运动，近吸气端图像对比度的降低会引起 CBCT 不能完整地反映靶的运动范围，如果将 CBCT 定位的靶区作为内靶区体积，这个内靶区体积将会被低估,同时由于近呼气端和近吸气端对比度的不对称性引起的对靶运动中点的误判，可能会影响手动配准的准确性。
引言
图像引导放射治疗 (image guided radiation therapy，IGRT) 中加速器机载的锥形束 CT (cone beam CT，CBCT) 是获取治疗验证图像的主要方式。IGRT 应用 CBCT 扫描的图像进行计划靶区精度的验证和患者治疗摆位的校准[1]，提高了肿瘤放射治疗的精确性。CBCT 通过在二维方向的投影，应用 FDK 算法重建出一个包含运动信息的三维容积图像[2]，Wang等[3]对正弦运动的靶进行 CBCT 扫描,勾画的靶区与四维 CT 的靶区比较，认为 CBCT 勾画的靶区也可看作个体化肺癌内靶区体积(internal target volume，ITV)[4]，通过 CBCT 来定位运动肿瘤内靶区体积是可行的。在应用主动呼吸控制技术(active breathing coordinator,ABC) 监测患者的自由呼吸曲线时，发现许多呼吸运动吸气相的时间要短于呼气相的时间，这就会引起肿瘤处在近吸气端的时间要短于近呼气端的时间[5-6]，在肿瘤运动曲线中，以肿瘤运动范围的中点为原点，靠近呼气末的一段为近呼气端，靠近吸气末的一段为近吸气端。本研究通过改变靶运动周期内近呼气端运动与近吸气端运动时间的比值(E/I)，分析 CBCT 图像中靶区的变化，为临床提供参考。
1 材料与方法
1.1 一般材料
CIRS008胸部运动模体。该模体模拟了人体胸部的组织结构，在其左肺中间有一模拟肿瘤的小球通过机械杆与电机相连，应用软件控制小球能模拟肺部肿瘤三维方向上的呼吸运动。Matlab (R2009b) 计算编程软件；Elekta Synergy XVI；Pinnacle3 V9.0 治疗计划系统；MIM Vista V5.4 图像处理软件。
1.2 方法
1.2.1 呼吸运动模拟
基于Matlab软件，减小正弦曲线中Y正半轴的角速度，增大Y负半轴的角速度，使E/I分别为1.0、1.2、1.5、2.3、3.0、4.0，得到图 1所示的6条肿瘤运动曲线，将模拟的曲线数据导入模体控制软件，在软件中依次调节振幅分别为 2.5、5.0 和10.0 mm，周期均为 5 s，获得三组共18 条曲线。选取直径为 1 cm 和 3 cm 的小球模拟肿瘤在头脚方向上的运动。
图1
模拟的不同E/I的肿瘤运动曲线
Figure1.
Simulated tumor movement profiles with six different E/I ratios
1.2.2 图像获取
应用 Elekta Synergy XVI 系统，对每种运动方式下直径为 1 cm 和 3 cm的靶，采用相同的扫描条件进行 CBCT 扫描，共获得 36 组 CBCT 图像。CBCT 的扫描条件为：管电压 120 kV，管电流 25 mA，曝光时间 40 ms，采用 S20 准直器，加 bowtie 滤线器，扫描旋转速度 3°/s，采集速率为 5.5 frams/s，在 2 min左右完成 359°扫描，共采集到的图像帧数为 681 帧，采用 M 分辨率 1 mm 层厚进行图像重建。
1.2.3 中心线上 CT 值的获得及对比度的计算
将获得的 36 组 CBCT 图像导入到Pinnacle治疗计划系统，根据模体自带的铅点选择到中心层面，应用计划系统的 Profile 工具在矢状面上提取靶区头脚方向中心线上每个像素的CT值并导出，同时在这一层面靠近靶区的肺组织部位做一个直径为 30 mm 的感兴趣区(region of interest，ROI)，取 ROI 的平均 CT 值作为图像的本底，求出靶区中心线上的每个像素相对于本底的对比度。对所有的 CBCT 图像均采用相同的方法求得中心线上像素的对比度。对比度定义为
| $\text{Contrast}=\frac{\left| {{I}_{i}}-{{I}_{b}} \right|}{{{I}_{b}}}\times 100%,$ |
其中Ii为 Pinnacle 导出中心线上像素的CT值，Ib为每幅图像的本底CT值。
1.2.4 靶区的勾画与比较
将 36 组 CBCT 图像导入到在 MIM Vista 中，采用区域生长方法勾画靶区。区域生长是通过设定CT 图像中 CT 值的上限和下限，将处于这个阈值区间内的体素勾画出来的方法。对于 E/I＝1 的6个 CBCT 图像，在肺窗下分别进行靶区的手动勾画，根据手动勾画的体积依次验证出自动勾画所需的阈值区间，根据得到的6个阈值区间，取中位阈值区间 [-740 HU,0 HU) 自动勾画所有 CBCT 图像的靶区。
采用的靶体为球形，根据运动轨迹可以计算出靶的运动体积，即标准体积(standard volume，SV)，这一标准体积可看做是肿瘤内靶区体积。计算标准体积时，我们将标准体积分解为上下两个半球体积和一个圆柱体体积求和，得到公式(2) ，即
| $\text{SV}=2\times \frac{2}{3}\pi {{r}^{3}}+2A\pi {{r}^{2}},$ |
其中r为球的半径，A为球的振幅。
将勾画靶区体积与标准体积进行比较，通过公式 (3) 求出勾画靶区体积相对于标准体积的变化 (volume change，VC)，VC 定义为
| $\text{VC}=\frac{{{V}_{i}}-\text{SV}}{\text{SV}}\times 100%,$ |
其中Vi为勾画靶区的体积。
2 结果
2.1 获取的 CBCT 图像
图 2所示为靶直径T为 3 cm ,振幅A为10 mm 组(T3A10组)在矢状面中心层面的 CBCT 图像。在图 2中可看到随着 E/I 的增大，近呼气端变得清晰而近吸气端变得模糊。
图2
T3A10组的图像
(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 靶区中心线上对比度变化
由图 3所示的对比度曲线我们也可以看到靶运动边缘的对比度降低，并且随着振幅A的增大，靶区对比度下降的区域越大，其中直径T为 1 cm 的靶受振幅的影响较大，随着振幅的增大，整体的对比度降低，特别是 T1A10 组，由于振幅与小球的直径相等，引起整个靶区明显的对比度降低。分析每组图中6条曲线，图中负半轴为近呼气端部分，正半轴为近吸气端部分，对每组图像中 E/I＝1 时的曲线，这两部分近似对称，但是随着 E/I 的增大，近呼气端部分对比度逐渐升高，近吸气端部分的对比度逐渐降低，对称性降低，并且振幅越大的组，这种变化越明显。
图3
中心线上对比度曲线图
Figure3.
Contrast curves on the center line
2.3 体积的变化
表 1可以看出，除 T3A2.5 组外,勾画靶区体积均小于标准体积，并且随着 E/I的增大，勾画靶区体积相比于标准体积的减小逐渐增大；T3A2.5组勾画靶区体积大于标准体积，这是由 CBCT 图像的边缘伪影较大引起的［7]，但是随着 E/I的增大，勾画靶区体积相比于标准体积的增大在减小，当 E/I＝3 时，勾画靶区体积小于标准体积；振幅也会对勾画体积产生影响，相同大小的靶在振幅增大时，勾画靶区体积相比于标准体积的减小也增大。E/I 和振幅的变化均会对勾画靶区体积产生影响。
表1
勾画靶区体积与标准体积的比较
Table1.
Comparison between contoured target volume and standard volume
3 讨论
本文研究了肺部的靶在运动周期内近呼气端与近吸气端运动时间的不同对 CBCT 图像靶区的影响。在图 3 中心线上像素的对比度曲线中我们可以清晰地看到随着 E/I 的增大，近呼气端对比度的升高和近吸气端对比度的降低，原因是运动周期内近呼气端时间比重的增大，引起 CBCT 扫描时在近呼气端获得的投影数增多，造成了在应用 FDK 算法重建时这部分的对比度增高[8-9]，反之造成了近吸气端的对比度降低，引起如图 2 所示的图像变化。另外随着振幅的增大，对比度下降的区域也越大，特别是 T1A10 组，由于振幅与小球的直径相等，引起整个靶区的对比度降低。在图 3所示对比度曲线中，如果将对比度等于1 的点作为靶区的边界，在近呼吸气端被忽略的部分变化不大，而近呼气端被忽略的部分却逐渐增多，直接影响了我们在 CBCT 图像上确定靶区的准确性。
对靶区应用区域生长的方法进行自动勾画,应用自动勾画主要考虑到模体的结构较为简单，只有空气、软组织和骨骼三种密度，区域生长的方法精度高，而手工勾画时由于图像边缘对比度低，勾画误差大，难以客观反映靶区的变化。勾画的结果表明E/I和振幅的增大，会引起勾画体积的减小。Wang等[3]对 CBCT 与 4D-CT 勾画内靶区的比较研究中发现两种方式勾画的靶区体积差异小于 8%，我们通过与计算的标准体积比较,对于E/I 和振幅均较小的靶得到相似的结果，但随着 E/I 值和振幅的增大，勾画体积与标准体积的差异增大，如果以 CBCT 勾画的靶区作为内靶区体积,这个内靶区体积将会被低估，其中对直径 1 cm 和 3 cm 的靶，在 E/I＝4，振幅 A＝10 mm 时体积分别减小了 48.2% 和 22.7%。另外勾画的靶区可看作是在 CBCT 上可视的肿瘤范围，在勾画中减小的部分主要位于近吸气端，而近呼气端则由于对比度的增加而更容易勾画，如果我们将勾画图像的中心作为靶的运动中点，这个运动中点将是错误的，可能会对 IGRT 手动配准的准确性产生影响。
本文针对肿瘤的规律运动做了研究，在临床治疗中患者的自主呼吸运动有一定的不规律性，运动时肿瘤组织还会形变，因此本研究的结果还有待于临床的进一步验证。另外，本文未研究 E/I 小于 1 的情况，主要原因为根据对患者在自由呼吸状态下进行观察及相关文献报道 E/I 小于 1 的案例非常少[5-6]。4D-CBCT[10]通过慢机架扫描的方式，获得更多的二维投影并将数据分组，分别进行重建得到每个时相的图像，可以较准确地描述靶区运动，在 4D-CBCT 应用于肺癌的 SBRT 治疗时发现 4D-CBCT 对于运动范围较大的靶区的定位准确性要好于 CBCT[8, 11]。Wang等[12]在 IGRT 中配合使用 ABC 系统降低患者的呼吸运动进行 CBCT 扫描，这种方式也可提高 CBCT 对肺部肿瘤靶区的定位精度。
基于模体的研究表明对于 E/I 较大的靶的运动，近吸气端图像对比度的降低会引起 CBCT 不能完整地反映靶的运动范围，如果将 CBCT 定位的靶区作为内靶区体积，这个内靶区体积将会被低估,同时由于近呼气端和近吸气端对比度的不对称性引起的对靶运动中点的误判，可能会影响手动配准的准确性。
