【摘要】 本文給出應(yīng)用于腫瘤放射治療領(lǐng)域的基于CT影像序列的數(shù)字化重建人體立體X線透視圖（three dimensional digitally reconstructed radiograph，3D DRR）研究結(jié)果，包括實現(xiàn)3D DRR技術(shù)的簡要步驟及原理，以及臨床應(yīng)用實例。借助于3D DRR技術(shù)，不僅可以準(zhǔn)確地確定腫瘤及周圍正常組織器官的空間形態(tài)關(guān)系，而且可以準(zhǔn)確地驗證放射治療中各方向射束照射腫瘤靶區(qū)的空間適形度，以及周圍正常組織器官是否受到了不利的照射影響。
【關(guān)鍵詞】 CT； 重建； 影像； 立體； DRR
Three dimensional digitally reconstructed radiograph ba[x]sed
on CT imagesQIU Xuejun1, SHI Rong1, ZHOU Chunwu2, ZHAO Xinming2
（1. Beijing Daheng Medical Equipment Co., Ltd., CAS, Beijing 100080, China；
2. Cancer Hospital of Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100021, China）
Abstract: A research on three dimensional digitally reconstructed radiograph (3D DRR) ba[x]sed on CT images has been accomplished in china. In this article the principle, and a model of 3D DRR and its application were described. With the aid of 3D DRR technique, the degree of spatial conformity of all beams to tumor target may be verified accurately and the degree of influence of all beams on neighboring normal organs may be predicted.
Key words: CT； reconstruction； radiograph； three dimensional； digitally reconstructed radiograph, DRR
自從1895年居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性核素——鐳之后，放射線診斷和治療直到現(xiàn)在都是腫瘤診治領(lǐng)域當(dāng)中主要的技術(shù)手段之一。普通人體X線攝片（radiograph）是由X射線機直接輻射人體所生成的平面透視效果——即早先的黑白透視膠片圖像，或現(xiàn)在的數(shù)字化平面透視黑白圖像。所謂人體立體X線透視圖概念，通常可由兩種方式產(chǎn)生：一是立體X光機，通過X射線機多個機頭或多角度或旋轉(zhuǎn)直接輻照人體而生成的立體透視圖像；二是利用CT掃描影像序列數(shù)字化重建（digital reconstruction)三維人體圖像，并進行X線透視處理而產(chǎn)生的人體立體透視圖像。在腫瘤放射診治中，多采用基于CT影像序列的數(shù)字化重建人體立體X線透視圖（3D DRR）技術(shù)，來實現(xiàn)空間精確定位和放射治療照射野或能束（beam）的定位設(shè)計與驗證。這主要是由于基于CT影像的3D DRR首先具有X射線共性特性，人體斷層解剖學(xué)組織成像清晰、無變形；其次它具有數(shù)字化和三維特點，可以旋轉(zhuǎn)顯示和變密度觀察人體透視效果，組織器官形態(tài)學(xué)顯示更為直觀形象，病灶定位準(zhǔn)確，放射治療計劃設(shè)計的照射病灶的方向和照射野形狀大小也更容易觀察驗證；另外，CT機具有與放射治療機（如醫(yī)用高能直線加速器等）定位系統(tǒng)等同的激光照明定位系統(tǒng)，故CT掃描時的人體體位特征也很容易在治療機上恢復(fù)。由此諸多有利的特點，3D DRR目前已成為三維放射治療計劃系統(tǒng)（3D TPS）中必備的而且評價其是否先進的一個重要的技術(shù)功能［1-5］。
本文主要介紹實現(xiàn)基于CT影像序列的3D DRR技術(shù)的簡要步驟及原理，以及臨床應(yīng)用實例。2 實現(xiàn)基于CT影像序列的數(shù)字化重建人體立體X線透視圖技術(shù)的簡要步驟及原理基于CT影像序列的數(shù)字化重建人體立體X線透視圖技術(shù)，主要由：人體CT斷層影像定位掃描、CT斷層影像三維重建與組織器官形態(tài)學(xué)顯示、3D DRR透視圖生成、放射治療計劃病灶定位與設(shè)計應(yīng)用等四個步驟來完成。
人體CT斷層影像定位掃描：由于是X-射線掃描，CT影像灰度值與電子密度值密切關(guān)聯(lián)，定位準(zhǔn)確、不變形（MRI會在周邊引起畸變約1—2 mm，PET的分辨率相對較低），且正確反映了人體組織密度和空間位置坐標(biāo)，便于計算機數(shù)字化分析診斷與定位治療。臨床上CT圖像分辨率選擇512×512矩陣，掃描間距取頭部3 mm、體部5 mm較為適宜（掃描間距過大會導(dǎo)致斷層之間擬合精度差，組織缺損較多）。掃描前開啟CT照明燈（頂置一個，兩側(cè)各一個）指示定位，并在人體表面（病灶附近）做標(biāo)記，以便在放射治療機上治療對位時方便復(fù)位。目前快速螺旋CT掃描60—80層約需1分鐘左右。
CT斷層影像三維重建與組織器官形態(tài)學(xué)顯示：經(jīng)CT掃描形成的圖像數(shù)據(jù)集（image dataset）或圖像序列（image series），經(jīng)DICOM（醫(yī)學(xué)影像傳輸協(xié)議）專用網(wǎng)絡(luò)，無損傳輸并轉(zhuǎn)換到三維放射治療計劃工作站上，并逐張顯示檢查，確認(rèn)無誤。然后將斷層圖像按序列進行三維重建。值得注意的是，一般三維重建分：面繪制（surface rendering）和體繪制（volume rendering）兩種。3D DRR必須在體繪制的基礎(chǔ)上才能實現(xiàn)。為了提高速度，可以把人體外輪廓自動提取出來，以作為顯示處理的邊界定義。目前本課題組可以不用提取人體外輪廓也能快速識別人體組織邊界并實現(xiàn)3D DRR重建技術(shù)。
3D DRR透視圖生成：此部分工作涉及到3D DRR透視圖生成建模的研究工作， 故為專業(yè)、 核心。主要是要依據(jù)X線放射治療機的工作原理（如射線治療機放射源距離人體部位的垂直高度、出束方位和姿態(tài)、視界范圍等），模擬計算X射線穿透人體的透射效果（要注意的是射線呈一定錐形角放射和散射的）。組織透射顯示灰度值可加權(quán)計算獲得，考慮到較高的重建網(wǎng)格密度和計算數(shù)據(jù)量，為了達(dá)到實時效果（旋轉(zhuǎn)圖像達(dá)25楨/秒以上），通常在計算機硬件選擇上采用新32/64位CPU、3 GHz主頻或以上，或多CPU圖形工作站，內(nèi)存1—4 GB或以上，增加圖形加速卡。
放射治療計劃病灶定位與設(shè)計應(yīng)用：在3D DRR重構(gòu)顯示的基礎(chǔ)上，進行實際放射治療計劃設(shè)計應(yīng)用，主要是病灶定位和放射治療照射野設(shè)計的驗證（包括其照射方位和形狀大小）。需要指出的是，3D DRR中涉及到的病灶器官和其他正常組織器官的邊界，無論何種情況，均需由醫(yī)生來確認(rèn)（這是醫(yī)療法規(guī)明確的），盡管有時軟件已能自動區(qū)分和識別。 3 基于CT影像序列的數(shù)字化重建人體立體X線透視圖技術(shù)的臨床應(yīng)用實例上述基于CT影像序列的數(shù)字化重建人體立體X線透視圖（3D DRR）技術(shù)，已在國內(nèi)如：中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院、衛(wèi)生部北京醫(yī)院、解放軍301總醫(yī)院、山東大學(xué)齊魯醫(yī)院、中山大學(xué)附屬第五醫(yī)院、天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院、第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院等多家大中型醫(yī)院臨床使用，效果很好。
以下是幾個基于CT影像序列的數(shù)字化重建人體立體X線透視圖（3D DRR）技術(shù)的實際臨床應(yīng)用圖例：
4 討論
基于CT影像的3D DRR技術(shù)，目前在國內(nèi)研究單位自主開發(fā)完成的僅少數(shù)幾家，主要應(yīng)用集中在放射診治領(lǐng)域。1996年12月中科院北京大恒醫(yī)療設(shè)備有限公司研發(fā)出STAR-2000立體定向（X-刀）放射治療計劃系統(tǒng)，并實現(xiàn)了基于CT影像序列的平面（2D）DRR圖像功能。由于醫(yī)生和物理師不斷總結(jié)臨床放射診療經(jīng)驗，越來越不滿足平面2D信息，而對組織器官及照射野的三維形態(tài)學(xué)的觀視要求越來越高，本文作者所在課題組先后于1999年和2001年申請設(shè)立對先進3D TPS及其數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像處理的課題研究，特別加強了對3D DRR的研究開發(fā)，得到了國家863計劃及計算機技術(shù)主題專家組的支持，并在2000年10月開始在國內(nèi)進行實際演示與臨床應(yīng)用，2005年底進行了定型完善。目前國際上關(guān)于這3D DRR方面的研究開發(fā)單位，主要有美國ADAC公司等為代表的約數(shù)家計算醫(yī)學(xué)研究機構(gòu)和研發(fā)企業(yè)。
5 結(jié)束語
上述基于CT影像的3D DRR技術(shù)研究和應(yīng)用，是整個數(shù)字化診治研究工作中的一部分，也是實現(xiàn)未來人體醫(yī)學(xué)模擬（包括組織模擬）［1，2］的重要基礎(chǔ)技術(shù)。此類研究綜合性協(xié)作性很強，涉及到計算醫(yī)學(xué)及醫(yī)學(xué)圖像處理、放射診治學(xué)、醫(yī)學(xué)物理學(xué)等多學(xué)科知識，需要圖形學(xué)和放射診治學(xué)的多學(xué)科結(jié)合。致謝 本文工作是在多方協(xié)作下研究完成的，在此向?qū)Ρ狙芯刻岢鲞^指導(dǎo)意見的美國國家癌癥研究所謝虎臣教授，以及參與本課題研究的醫(yī)院單位和專家們表示衷心的感謝！
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