賀樹(shù)萌，馬善達(dá)，王 偉，付東山*

(1.天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院放射治療科 國(guó)家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心 天津市“腫瘤防治”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津市惡性腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心，天津 300060；2.江蘇瑞爾醫(yī)療科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214192)

雙能減影(dual energy subtraction， DES)成像技術(shù)于1967由Alvarez等首先提出，于1986年首次用于臨床診斷，目前主要用于放射診斷領(lǐng)域，包括檢測(cè)及診斷胸部異常[1-5]及骨密度儀等[6]；其在放射治療領(lǐng)域的研究對(duì)象普遍為模體[7]，臨床研究尚處于起步階段。X線在穿透人體的過(guò)程中主要發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。采用高低能X線分別照射同一種物質(zhì)時(shí)，在高能X線束作用下主要發(fā)生光電效應(yīng)，低能X線束作用下主要發(fā)生康普頓效應(yīng)。采用單次曝光法與雙次曝光法兩種方法可獲得高低能X線圖像。傳統(tǒng)雙次曝光法中高低能X線切換時(shí)間較長(zhǎng)，受患者呼吸、肌肉及心臟運(yùn)動(dòng)影響，所得減影圖像易存在運(yùn)動(dòng)偽影。

本文提出一種雙能X線透視成像方法，以高低能X線對(duì)同一部位進(jìn)行曝光，通過(guò)高低能快速切換方式采集一對(duì)高低能圖像，以最大限度降低減影圖像的運(yùn)動(dòng)偽影。雙能X線透視成像設(shè)備具有C型臂旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可在不同投影方向采集呼吸周期內(nèi)9或10個(gè)時(shí)相的高低能圖像對(duì)序列。通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)對(duì)數(shù)加權(quán)減影算法，本文提出的自動(dòng)雙能減影首先對(duì)高能X線圖像進(jìn)行低通濾波，以降低軟組織減影圖像中的量子噪聲，然后采用CNR值作為圖像評(píng)價(jià)參數(shù)，自動(dòng)搜索對(duì)數(shù)加權(quán)值，獲得最佳質(zhì)量的軟組織減影圖像。本研究采集和分析了20例肺部腫瘤患者的臨床數(shù)據(jù)，并與高低能X線圖像進(jìn)行目視對(duì)比，評(píng)價(jià)其對(duì)軟組織減影圖像中腫瘤可視度的提高程度。

1 設(shè)計(jì)與方法

1.1 成像設(shè)備及圖像采集 雙能X線透視成像設(shè)備主要由C型臂、治療床、X線管、平板探測(cè)器、高壓發(fā)生器和控制計(jì)算機(jī)組成(圖1)，可在不同投影角度采集圖像。

通過(guò)雙次曝光法采集高低能X線圖像對(duì)，采集過(guò)程中高低能X線快速切換。采集雙能圖像時(shí)需要每個(gè)管電壓保持在平穩(wěn)狀態(tài)，若X線能量切換時(shí)間較短，會(huì)造成管電壓在切換瞬間圍繞基準(zhǔn)電壓上下波動(dòng)，產(chǎn)生不穩(wěn)定的高低能X線而影響圖像質(zhì)量。受設(shè)備限制，傳統(tǒng)圖像采集方式采用較長(zhǎng)的能量切換時(shí)間來(lái)保證電壓的穩(wěn)定性。受患者呼吸、肌肉、心臟運(yùn)動(dòng)的影響，如不進(jìn)行高低能X線切換，得到的減影圖像易存在運(yùn)動(dòng)偽影。本研究選用升壓時(shí)間短且穩(wěn)定的定制高壓發(fā)生器，以縮短能量切換時(shí)間，同時(shí)保證管電壓的穩(wěn)定性；高能X線能量在125～135 kVp之間、低能X線能量在70～80 kVp之間選擇。

圖1 雙能X線透視成像設(shè)備 圖2 一組高低能脈沖序列

圖3 連續(xù)高低能脈沖序列

圖2示采集圖像過(guò)程中的一組高低能脈沖序列(130 kVp/75 kVp)，其中If、Ib和kV分別是燈絲電流、脈沖電流和電壓，Trigger指高能觸發(fā)信號(hào)。首先通過(guò)一個(gè)低能長(zhǎng)脈沖(75 kVp, 65 ms)完成低能X線圖像采集，此過(guò)程中脈沖電流由180 mA上升至290 mA；經(jīng)過(guò)33 ms低能到高能的切換時(shí)間；再觸發(fā)一個(gè)高能短脈沖(130 kVp, 5 ms)完成高能X線圖像采集。采集一組高低能X線圖像需103 ms，快速切換可避免呼吸運(yùn)動(dòng)引起的圖像偽影。

圖3示本成像設(shè)備通過(guò)觸發(fā)連續(xù)高低能脈沖序列，每對(duì)高低能脈沖之間間隔0.4 s，在一個(gè)呼吸周期內(nèi)(4～5 s)可采集9或10個(gè)呼吸時(shí)相的圖像，形成呼吸周期運(yùn)動(dòng)圖像序列。采集20例接受放射治療的肺部腫瘤患者的圖像，每例分別在0°、45°、90°和135°投影方向采集9或10個(gè)時(shí)相的高低能X線圖像對(duì)序列，高低能脈沖電壓范圍選擇分別為120～130 kVp和70～80 kVp。

1.2 自動(dòng)減影算法 通過(guò)對(duì)數(shù)加權(quán)減影公式獲得軟組織減影圖像：

(1)

研究[8]指出減影會(huì)造成圖像中量子噪聲擴(kuò)大，降低圖像質(zhì)量，使組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)模糊。由于軟組織減影圖像中的絕大部分量子噪聲由高能X線圖像引入[9]，對(duì)高能X線圖像通過(guò)低通濾波，去除量子噪聲，軟組織減影圖像中的高頻信息由未經(jīng)低通濾波的低能X線圖像提供。改進(jìn)后的對(duì)數(shù)加權(quán)減影公式為：

(2)

自動(dòng)減影算法采用CNR值作為圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)，自動(dòng)獲取最佳軟組織減影圖像。CNR指兩種組織信號(hào)強(qiáng)度差異與背景噪聲強(qiáng)度之比，在減影過(guò)程中以之作為衡量骨骼與軟組織區(qū)域之間對(duì)比度的評(píng)價(jià)參數(shù)。對(duì)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行固定步長(zhǎng)迭代，精確計(jì)算迭代過(guò)程中每個(gè)權(quán)重系數(shù)對(duì)應(yīng)的CNR值。CNR值最小時(shí)，骨骼與軟組織間的對(duì)比度小，骨骼被充分減去，減影效果最佳，此時(shí)對(duì)應(yīng)最佳權(quán)重系數(shù)和最優(yōu)軟組織減影圖像。CNR值計(jì)算公式：

(3)

其中Mbone，Msoft分別代表骨骼與肺部軟組織的像素平均值，σbone和σsoft分別代表骨骼和肺部軟組織的像素標(biāo)準(zhǔn)偏差。

在有明顯骨骼與軟組織對(duì)比度的肺實(shí)質(zhì)區(qū)域計(jì)算CNR值，選擇圖像對(duì)比度較高的低能X線圖像確定肺實(shí)質(zhì)區(qū)域，提取肺實(shí)質(zhì)，并進(jìn)行骨骼與軟組織圖像分割。肺部組織密度低，在X線圖像中呈現(xiàn)為2個(gè)獨(dú)立的亮區(qū)域。根據(jù)此灰度特征，計(jì)算整幅圖像在水平方向與垂直方向的平均投影灰度值，劃分出左右2個(gè)肺實(shí)質(zhì)區(qū)域[10]，見(jiàn)圖4A。在面積較大的肺實(shí)質(zhì)區(qū)內(nèi)使用形態(tài)學(xué)濾波與最小誤差閾值分割法[11]，分割出肺實(shí)質(zhì)的主要部分，見(jiàn)圖4B，肺實(shí)質(zhì)圖像僅包含肺部軟組織與骨骼。然后采用王鑫等[12]的基于Hough變換的肋骨邊緣檢測(cè)法確定骨骼邊界，分割出骨骼和軟組織(圖4C、4D)。

2 結(jié)果

采用雙能X線透視成像系統(tǒng)對(duì)20例患者在0°、45°、90°、135°投影方向采集呼吸周期9或10個(gè)時(shí)相的高低能圖像對(duì)序列，分別獲得198、196、198和198個(gè)高低能圖像對(duì)，共790組，分析790個(gè)高低能圖像對(duì)，獲得790幅軟組織減影圖像；通過(guò)與高低能X線圖像的目視對(duì)比，評(píng)價(jià)軟組織減影圖像中腫瘤可視度的提高程度。

2.1 自動(dòng)減影算法結(jié)果 圖5A和5B為一對(duì)高能X線圖像(125 kVp)和低能X線圖像(70 kVp)，圖5C為通過(guò)本文減影算法獲得的軟組織減影圖像。在減影圖像計(jì)算過(guò)程中，對(duì)ωs在0～1范圍內(nèi)進(jìn)行迭代，迭代步長(zhǎng)0.001。圖6為減影迭代過(guò)程中權(quán)重系數(shù)ωs與CNR值的關(guān)系曲線，圖7為不同ωs取值時(shí)對(duì)應(yīng)的減影圖像結(jié)果。如圖6和圖7所示，隨ωs值增大，CNR值變小，當(dāng)ωs值達(dá)到0.635時(shí)，CNR值最小，減影圖像質(zhì)量最好，骨骼被充分消除(圖7F)；當(dāng)ωs取值過(guò)大時(shí)，骨骼邊界重現(xiàn)，減影圖像出現(xiàn)失真(圖7G、7H)。

圖8A和8B分別為經(jīng)傳統(tǒng)減影算法和自動(dòng)減影算法處理得到的軟組織減影圖像，白色矩形內(nèi)為腫瘤區(qū)域;圖8C和8D分別為圖8A和8B白色矩形內(nèi)放大的腫瘤區(qū)域。目視對(duì)比可見(jiàn)自動(dòng)減影算法得到的圖像噪聲小，腫瘤細(xì)節(jié)更加清晰。

2.2 腫瘤可視度評(píng)價(jià) 2名影像科醫(yī)師通過(guò)目視判斷高低能X線圖像與減影圖像中腫瘤的可視度和清晰度，發(fā)現(xiàn)高低能圖像中，受骨骼遮擋，腫瘤可見(jiàn)度很低，而經(jīng)自動(dòng)減影算法處理得到的軟組織減影圖像中腫瘤清晰可見(jiàn)(圖9)。

在0°、45°、90°和135°方向分別采集的198、196、198和198個(gè)高低能X線圖像對(duì)中，腫瘤可視圖像分別為198、38、69和49對(duì)，可視比例分別為100%(198/198)、19.39%(38/196)、34.85%(69/198)和24.75%(49/198)。骨骼遮擋是造成腫瘤不可視或可視度低的主要原因。軟組織減影圖像中腫瘤可視圖像分別為198、108、149和159幅，可視比例提升至100%(198/198)、55.10%(108/196)、75.25%(149/198)和80.30%(159/198)，肺部腫瘤可視度得到顯著提高。

圖4 軟組織區(qū)域與骨骼位置確定過(guò)程圖 A.肺實(shí)質(zhì)區(qū)域; B.肺實(shí)質(zhì); C.骨骼; D.軟組織

圖5 患者男，60歲，肺癌，軟組織減影圖像的效果圖 A.高能X線圖像； B.低能X線圖像； C.軟組織減影圖像

圖6 ωs-CNR值曲線

3 討論

本研究提出的雙能X線透視成像方法包含圖像采集系統(tǒng)與自動(dòng)減影算法兩部分。圖像采集系統(tǒng)采用C臂旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和高低能快速切換采圖機(jī)制，可在任意投影角度采集圖像，高低能快速切換可避免運(yùn)動(dòng)偽影產(chǎn)生。以自動(dòng)減影算法對(duì)高能X線圖像進(jìn)行去噪處理，可減少軟組織減影圖像中的量子噪聲，保留腫瘤

部位細(xì)節(jié)清晰度，提高軟組織減影圖像的圖像質(zhì)量；采用CNR值作為減影過(guò)程中的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)，自動(dòng)獲取最佳軟組織減影圖像，無(wú)需人工干預(yù)，可避免人工操作帶來(lái)的不確定性。自動(dòng)減影算法在Matlab中實(shí)現(xiàn)，計(jì)算耗時(shí)<0.8 s，后續(xù)將采用C++實(shí)現(xiàn)本算法，并使用GPU加速和并行運(yùn)算，以提高實(shí)時(shí)性。此法具有偽影低、圖像質(zhì)量高、全自動(dòng)無(wú)需人工干預(yù)的優(yōu)點(diǎn)，可顯著提高肺部腫瘤可視度，提供完整腫瘤信息。

目前常用的腫瘤動(dòng)態(tài)跟蹤方式主要為kV級(jí)X線立體平面成像系統(tǒng)[13-14]，受骨骼遮擋難以直接對(duì)腫瘤進(jìn)行定位跟蹤，通常在腫瘤內(nèi)部或附近植入一個(gè)或多個(gè)金屬標(biāo)記，通過(guò)跟蹤金屬標(biāo)記間接估算腫瘤位移，且金屬標(biāo)記植入可能引發(fā)氣胸等并發(fā)癥。本文方法為無(wú)標(biāo)記腫瘤運(yùn)動(dòng)跟蹤提供了新的途徑：通過(guò)自動(dòng)雙能減影算法獲得呼吸周期所有時(shí)相的軟組織減影圖像序列，以圖像間平均像素差值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，自適應(yīng)選擇匹配所需的參考圖像，采用基于歸一化互信息的軟組織圖像匹配算法，獲取呼吸周期所有時(shí)相的腫瘤位置，實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)記定位跟蹤運(yùn)動(dòng)腫瘤。

圖7 ωs不同取值時(shí)減影結(jié)果圖 A.ωs=0.2; B.ωs=0.3; C.ωs=0.4; D.ωs=0.5; E.ωs=0.6; F.ωs=0.635; G.ωs=0.7; H.ωs=0.8

圖8 減影結(jié)果對(duì)比圖 A.傳統(tǒng)減影算法結(jié)果; B.自動(dòng)減影算法結(jié)果； C.傳統(tǒng)減影算法結(jié)果腫瘤區(qū)域放大圖; D.自動(dòng)減影算法結(jié)果腫瘤區(qū)域放大圖

圖9 腫瘤可視度目視比較 A.高能圖像(130 kVp)及腫瘤區(qū)域; B.低能圖像(70 kVp)及腫瘤區(qū)域; C.軟組織減影圖及腫瘤區(qū)域