基于体积变化的四维计算机断层图像重建

doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2010.26.017

中国组织工程研究 ›› 2010, Vol. 14 ›› Issue (26): 4818-4822.doi: 10.3969/j.issn.1673-8225.2010.26.017

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基于体积变化的四维计算机断层图像重建

张书旭¹，余辉¹，杨俊²，周凌宏³，张海南¹，林生趣¹

1广州医学院附属肿瘤医院放疗中心，广东省广州市 510095；
2解放军458医院，广东省广州市510060；
3南方医科大学生物医学工程学院，广东省广州市510515

出版日期:2010-06-25 发布日期:2010-06-25
作者简介:张书旭，男，1968年生，四川省内江市人，汉族，2009年南方医科大学生物医学工程学院毕业，博士，主任技师，硕士生导师，主要从事精确放疗研究。 gthzsx@163. com
基金资助:
广州市属高校科技计划项目(08A008)：
广州医学院博士基金项目(2010-1-11)：

Four-dimensional computerized tomography reconstruction based on body volume change

Zhang Shu-xu¹, Yu Hui¹, Yang Jun², Zhou Ling-hong³, Zhang Hai-nan¹, Lin Sheng-qu¹

1Radiotherapy Center, Affiliated Tumor Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510095, Guangdong Province, China;
2The 458 Hospital of Chinese PLA, Guangzhou 510060, Guangdong Province, China;
3School of Biomedical Engineering, Southern Medical University, Guangzhou 510515, Guangdong Province, China

Online:2010-06-25 Published:2010-06-25
About author:Zhang Shu-xu, Doctor, Chief technician, Master’s supervisor, Radiotherapy Center, Affiliated Tumor Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510095, Guangdong Province, China gthzsx@163.com
Supported by:
the Science and Technology Development Program of Guangzhou Higher Education Institutes, No. 08A008*;
the Doctoral Foundation Program of Guangzhou Medical University, No. 2010-1-11*

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前还没有国产的四维计算机断层图像(4D-CT)机，而进口4D-CT系统要求在图像采集过程中监测呼吸信号，因此4D-CT重建只局限于特定少数品牌的进口CT机。另外，呼吸监测装置及4D-CT重建软件价格高昂，限制了这一先进技术在国内的普及应用。
目的：克服现有4D-CT重建系统的缺陷，在普通多螺旋CT上实现4D-CT重建。
方法：采用VC++程序设计语言和VTK工具包，开发4D-CT图像重建软件系统。对自由呼吸的患者进行多床位电影模式(Cine模式)扫描，每个床位Cine扫描持续时间约为患者的1个呼吸周期加1 s(4~6 s)，在这期间每排CT探测器重建出8~15幅不同时刻(相位)的CT图像。
结果与结论：根据体表轮廓和肺组织的体积变化确定CT图像在呼吸周期中的相位，并按相位不同对所有CT图像进行分组，得到一个完整的呼吸周期中多个相位的CT系列，再分别对各相CT图像序列进行三维(3D)重建，即得到了随时间变化的4D-CT系列，它不但明显地消除了运动伪影，而且反映了胸部和腹部脏器随呼吸运动变化的规律。提示基于体表轮廓和肺体积的周期性变化，能在普通螺旋CT上实现4D-CT重建，其重建过程不依赖于外在的呼吸监测装置、不受CT机本身的软硬件限制，具有普遍适用性。

关键词: 四维计算机断层图像, 运动伪影, 图像重建, 放射治疗, 肺癌

Abstract:

BACKGROUND: There is no domestic four-dimensional computerized tomography (4D-CT). The import 4D-CT system requires respiratory signals during image collection, limiting the reconstruction in only several CT machine. In addition, respiration monitor device and 4D-CT reconstruction software cost high, limiting the wide application in China.
OBJECTIVE: To overcome the shortcoming of present commercial 4D-CT reconstruction system and implement 4D-CT reconstruction based on multi-slices CT scanner.
METHODS: A 4D-CT reconstruction software program (GTH4DIM V2.0) was developed by using VC++ and VTK software tools. The CT data of patient undergoing free breathing were acquired in Cine mode by a GE LightSpeed 16 CT scanner, with the Cine during time equal to the breathing period of the patient plus one second (about 4-6 seconds), and 8 to 15 slices CT images were acquired by a row CT detector in every Cine scan. The phase of each CT slice was determined according to the volume change rule of scanned thoracic cavity and lung tissue during respiration.
RESULTS AND CONCLUSION: All of the CT data with the same phase, which were acquired in Cine mode, were resorted by GTH4DIM V2.0 into a same CT series, and several 3D-CT series with the different phases could be obtained. 3D reconstruction of the CT data was completed by using GTH4DIM V2.0 software. Compared with the unsorted CT data, the motion artifacts in the 3D reconstruction of sorted CT data were significantly reduced, and all of the resorted multi-phase CT series result in a 4D-CT, which reflected the characteristics of the periodical motion viscera contained within the abdominal and thoracic cavities. The results suggest that time-resolved 4D-CT reconstruction of periodical motion viscera could be implemented with any general multi-slice CT scanners based on the volume change rule of scanned thoracic cavity and lung tissue during respiration, and the process of the 4D-CT data acquisition and reconstruction were independent on the respiration monitoring system and not restricted to the hardware or software of the CT scanner. Therefore, it is a universal 4D-CT reconstruction method.

中图分类号:

R318

张书旭，余辉，杨俊，周凌宏，张海南，林生趣. 基于体积变化的四维计算机断层图像重建[J]. 中国组织工程研究, 2010, 14(26): 4818-4822.

Zhang Shu-xu, Yu Hui, Yang Jun, Zhou Ling-hong, Zhang Hai-nan, Lin Sheng-qu. Four-dimensional computerized tomography reconstruction based on body volume change [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2010, 14(26): 4818-4822.

参考文献

引言

材料方法

讨论

3.1 4D-CT的作用 在CT扫描过程中，若被扫描对象处于运动状态，则扫描所得图像中不可避免地会出现运动伪影^[1-2]，给临床诊断和应用带来错误信息。为了消除或减少进行胸腹部CT扫描时运动伪影的影响，通常让患者在屏气或轻微呼吸状态下进行扫描。这样虽然可较好地消除运动伪影，但这些图像不能反映胸腹脏器随时间运动变化的规律，给临床应用带来不利影响。例如，对胸腹肿瘤进行精确的三维适形放疗或调强放疗时，这种影响特别显著。因为依据静态CT图像设计的三维适形放疗计划，如果不扩大照射范围，就难以确保在自由呼吸状态下准确地照射靶区，而扩大照射范围则会增加对正常组织的损伤、并限制靶区剂量的提高。因此，利用包含了显著运动伪影的CT图像进行疾病诊疗时，无疑有可能导致误诊、误判、误治，给患者身心健康带来不可估量的危害。为了既减少或消除运动伪影的影响，又能反映胸腹脏器随呼吸运动的变化规律，实现准确诊疗的目的，早在2000年Ichikawa等^[3]就把时间纳入了CT图像的三维扫描和重建中，提出了4D-CT的概念。随后，有多种方法实现了4D-CT重建^[4-12]。与未考虑呼吸运动的普通CT相比，4D-CT由于包含了被扫描对象随时间运动变化的信息，不仅较好地消除了呼吸运动伪影，真实地再现了胸腹脏器的形态，而且能反映了胸腹脏器的运动特征，在医疗和科研上具有广阔的应用前景。例如，4D-CT与放疗技术相结合，可以精确地勾画肿瘤靶区^[13-14]，分析器官运动^[15]，确定肿瘤运动范围，评判器官运动的影响^[16-17]，实现精确的四维图像引导放疗^[18-20]。 3.2 呼吸训练的作用 所有基于Cine扫描模式的4D-CT重建方法都有一个默认的假设：被扫描对象进行有规律的周期性往返重复运动。离开了这一点，则不能基于Cine扫描模式正常重建4D-CT。而且，4D-CT在放疗中的应用也默认了“被扫描对象进行有规律的周期性往返重复运动”这一假设。因此，确保患者呼吸运动的周期性重复是4D-CT重建及其应用的关键。当患者经过呼吸训练后，在扫描的短暂过程中 (1 min左右)呼吸平稳，每次呼吸的幅度和持续时间等都“相同”，那么，把处于某一相位的所有CT图像分到一组，就相当于得到了全部扫描范围在“同一时刻”的静态影像，进而可得到多个不同呼吸相位、覆盖全部扫描范围的CT系列，即4D-CT。本实验发现，当患者在扫描过程中出现胸式呼吸和腹式呼吸交替变化时，重建后的4D-CT中体表错层和残余运动伪影更加明显，严重时甚至会导致难以正常重建4D-CT。因此，改善4D-CT重建质量，扫描前对被扫描患者进行呼吸训练至关重要。 3.3 基于体积变化重建4D-CT的优势 本文所采用的基于体积变化重建4D-CT的方法，不再受体表起伏的限制，对使用了热塑成型体模固定装置的患者也一样能正常进行4D-CT重建。基于体积变化重建4D-CT的方法还具有简单、快速的优势。例如，在配置为1GB内存的Dell Latitude D620笔记本电脑上，读入1 200幅CT图像(512×512)，仅需要约40 s，图像分组、排序时间少于10 s，重建任意矢状面、冠状面和任意斜切面4D-CT的时间少于2 s；而在台式电脑上(2GB内存)，读入2 000幅CT图像后，也能在10 s内完成4D-CT重建过程，这与既往需要数小时的迭代计算模型重建相比^[10-12]，在效率上具有极大优势。基于体积变化重建4D-CT完全克服了对呼吸监测系(如RPM、压力传感器、肺活量计)的依赖，能在所有多螺旋CT上实现4D-CT重建，重建的时间和空间分辨率由CT机本身的扫描速度决定。研究中开发的4D-CT重建系统(GTH4DIMG V2.0)对CT图像进行相位排序后，可输出任意相位的4D-CT系列、或任意矢状位、冠状位、斜切面以及3D图像，方便了4D-CT在后续临床、科研中的应用。既往关于4D-CT重建的文献中，只报道了矢状面、冠状面4D-CT图像^[5-12]。本文不仅完成了矢状面、冠状面4D-CT图像重建，而且完成了4D-CT的横断面、矢状面、冠状面的3D视图重建，见图7，更逼真的反映了运动器官随时间变化的规律。

虽然，从图7中所见各器官随时间(即呼吸相位)的变化似乎不太明显，其根本原因在于呼吸周期长达4 s左右，而呼吸幅度约1 cm，实验中每个相位重建时间仅0.3~0.5 s，因此，相邻相位之间似乎难以察觉各器官的运动变化，但1个周期中的两极限相位中的差距仍清晰可见，而在GTH4DIMG V2.0软件中进行动态连续显示时，各器官位置和形态的变化则纤毫毕现。 3.4 噪声对4D-CT重的影响 为了减少患者在扫描过程中的受照射剂量，探讨4D-CT重建的最佳条件，研究中设置了不同的扫描条件，例如毫安数分别设为20，50，100，200 mA。研究发现当采用低毫安扫描时，CT图像中包含的噪声明显较多、图像粗糙。对低毫安扫描CT图像进行阈值分割时，噪声使肺组织、肌肉组织、皮肤、床单和衣物等的CT值没有明显的分界线，此时难以根据CT值正确计算出体表轮廓和肺组织体积，使体积-时间曲线不再类似于有规律的“正弦”变化，而是锯齿状曲线，从而不能正确地计算各层CT图像对应的相位，导致4D-CT重建失败。研究发现，要确保4D-CT重建的正常进行，并保证4D-CT重建质量，在图像采集时需要尽可能提高信噪比，CT机的毫安数设置不宜低于100 mA，最好能达到200 mA左右，同时扫描层厚也以2.5 mm为宜。当层厚小于1.25 mm，图像质量较差，当层厚大于5 mm时，空间分辨率较差。 3.5 4D-CT重建后的残余伪影 4D-CT显著地减少了伪影，但并未完全消除伪影。仔细浏览4D-CT图像，可以看到4D-CT中残余的运动伪影有以下4种情况，即模糊、双影、重叠、削顶伪影。由于目前一般多排螺旋CT扫描速度较低，如GE LightSpeed 16排螺旋CT机架旋转最快速度只能达到0.5 s，CT图像重建最小间隔时间0.3 s，因此，CT图像不可能达到X射线透视一样的实时效果，总是包含了一定时间间隔的多角度投影数据。当被扫描对像处于运动状态，则不可避免地会出现运动伪影。实验中发现在膈顶右后侧出现的运动伪影较左后侧的多，且偏离正常位置的幅度较大，这可能是由于膈顶右后侧的运动幅度较其他区域的运动幅度更大的原因所引起。对运动幅度和速度与运动伪影的关系，可以直观地分析如下：由于一幅CT图像总是一个时间段的投影数据组成，当运动幅度越大、运动速度越快时，同样时间段所包含的投影区域越多，那么，4D-CT重建后残余伪影就会更明显，Vedam等^[21]的研究也说明了这一点。同时，研究中还发现，当患者的呼吸重复性越差，残余运动伪影也会越明显，甚至可能会无法通过Cine模式扫描正常重建4D-CT，这与文献报道的研究结果相同^[22-24]。 Yamamoto等^[25]研究发现，运动除了导致影像模糊之外，还使90%的患者在膈顶和心脏等部位至少出现一次以上的残余运动伪影，这些部位的残余伪影偏离正常位置的平均幅度11.6 mm(4.4~56.0 mm)，也有30%的患者在肺和纵膈处出现残余运动伪影。另外，统计分析还发现呼吸周期、呼吸的重复性与残余运动伪影的出现与否强相关，尽管腹部随呼吸起伏幅度与残余运动伪影的出现与否弱相关，但腹部随呼吸起伏幅度与重建后4D-CT中腹部体表的错位程度有关。

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