计算机辅助照射野验证系统
作者：傅卫华 冯宁远
单位：北京，中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院放射治疗科 100021
关键词：
中华放射肿瘤学杂志000425
放射治疗成功的关键在于每次实施照射时，靶区都能得到准确的剂量，同时邻近周围正常组织和要害器官得到充分的防护。通过分析外照射的照射野验证片和电子照射野成像发现，在整个治疗过程中，每次治疗时患者的摆位位置会有所变化[1-3]。这种摆位误差会导致部分靶区不能得到足够的剂量，从而降低肿瘤的局部控制率，使复发率上升。考虑到摆位误差的存在，为了使靶区得到足够的剂量，就需要加大计划靶区的边界范围，而这样做又会使正常组织的受照范围加大，导致并发症的几率增加[4-6]。
随着放射治疗技术的发展，各种先进的方法、手段，如：三维治疗计划系统、适形放射治疗、立体定向放射手术、体位固定装置等不断地应用于临床治疗，使放射治疗向着“增加肿瘤剂量，提高肿瘤控制率；减少肿瘤周围正常组织的受照体积，降低危及正常组织发生并发症的几率”的目标前进了一步。而要真正实现这一目标，降低摆位误差是实施准确治疗的关键因素之一，所以进行严格的照射野验证是十分必要的。
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1 计算机辅助照射野验证系统的产生过程
目前临床使用的照射野验证方法有传统的照射野照相验证片(portal film)和最新的电子照射野成像系统(electronic portal imaging device, EPID)。 用治疗机拍摄验证片虽然具有价格低廉、易于普及的优点，但是也存在两个主要的缺点：(1)冲洗费时、费事，不可能每次摆位都用；②胶片冲洗之后方可发现误差，才能予以纠正或在下一次摆位时修正。EPID可以即时显示照射过程中的体位和照射野与靶区间的关系，使误差得以及时纠正，并具有记录、再现的功能；但EPID影像的分析使用尚处于临床探索阶段，不但成本高(约10余万美元)，而且还没有证据说明使用EPID比用胶片更准确，况且放射肿瘤医生对EPID影像的分析不会象EPID成像那样及时[7]。
照射野验证片和EPID共同的缺点是：图像对比度低，难以辨别解剖结构。这是由于验证片和EPID都使用高能X射线曝光成像，而高能射线与组织相互作用时以康普顿效应为主，康普顿效应的质能衰减系数和质能转移系数与原子序数近似无关，不同组织结构对高能射线的吸收衰减差别不大，所以得到的影像对比度低、较模糊。
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人工阅片时，将治疗机下的验证片与模拟机下的定位片放在灯箱上，或者将EPID的影像与数字化的模拟机下的定位片或CT模拟的数字重建影像(digital reconstructed radiograph, DRR)同时显示在屏幕上。由于影像的清晰度差异很大，不同人的主观因素会产生不同的结果，因此易导致人为误差，并且难以准确给出布野和摆位误差的量化结果[8,9]。随着三维适形放射治疗技术的应用，治疗设计常采用不规则野、非共面野，由于医生尚不大熟悉照射野方向下的照射野方向视图(beam eye view, BEV)投影影像，所以很难根据解剖结构对影像做出判断。以上这些缺点可以借助于计算机图像处理技术和配准(匹配、对准、登记)技术来改善和克服。图像处理技术虽然不能增加影像的信息，但它能够改善图像的显示，增强对某种信息的辨别能力[10]，便于人眼识别，从而提高判断的准确度。计算机辅助的手动或自动配准技术使图像配准快速、准确，并可报告量化结果，客观评价摆位误差，由此产生了计算机辅助的照射野验证系统[11-15]。
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使用计算机辅助的照射野验证系统进行照射野验证的步骤与传统的灯箱直视法相似，分为放大倍数修正、配准(通过平移、旋转)、报告误差三步，其中放大倍数修正在灯箱直视法中难以进行，而使用计算机软件可以顺利实现。
2 计算机辅助照射野验证系统的分类
(1)根据空间维数分为二维(2D)和三维(3D)：2D系统在进行摆位误差的分析时，默认误差只发生在XY平面之内，即存在3个误差变量：Tx(X方向的平移误差)，Ty(Y方向的平移误差)，Rz(XY平面内，绕Z轴的旋转误差)。2D系统不考虑XY平面之外的摆位误差，而实际有可能发生平面外的旋转，此时2D系统不能对其进行判断，进而也会影响2D分析的可靠性。因此，2D信息不完整，不能纠正3D空间的实际误差。3D系统考虑3D空间中的各种平移和旋转，对Tx、Ty、Tz(即X、Y、Z 3个方向的平移误差)、Rx、Ry、Rz(即绕X、Y、Z 3个轴的旋转误差)6个变量进行定量分析[12]。通常采用一套3D的CT数据与两幅不同角度的2D投射影像进行配准。它不仅能纠正3D空间的摆位误差，而且通过对平面外旋转的发生频率、范围及影响的分析，可以为比较计划剂量和实际获得的剂量提供必要的信息，并可以分析固定装置的效果及发现系统误差。
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(2)根据配准的自动化程度划分为3种类型[16]：①交互式算法(interactive algorithm)：用户首先在参考影像(模拟机下的定位影像或计划系统的DRR)上定义一解剖模板[17](图1a)，将其重叠在照射野验证影像上(图1b)，用鼠标反复调整模板的位置和角度，主观判断模板上的解剖结构与验证影像上相应的解剖结构是否获得最佳的重叠(图1c)。如用户认为已匹配好，则系统可计算出摆位的平移和旋转误差。②以标记为基础的算法(landmark-based algorithm)：计算机自动或用户手动在参考图像和照射野影像上找出一些对应的特征点和(或)线(图2a、2b中的圆点)，计算机应用一定的算法(如最小二乘法)自动计算出最优匹配这些点对和(或)线对所需的空间变换(图2c)。这些特征点、线可以是人体解剖特征，也可以是外部植入的高密度生物兼容性材料制作的微小标记物。③互相关算法(cross-correlation algorithm)：这种算法要求以手动或自动方式在参考图像中选取一些具有解剖特征的图像区域，这些区域称为参考窗。然后计算机自动在照射野图像中为每一个参考窗划出一个包括它的较大图像范围，这个图像范围称为搜索窗，并自动在搜索窗内不断调整参考窗位置，计算相应位置的照射野图像区和参考窗的相关系数，最终找出相关系数最大的位置并计算出患者摆位误差。第3种算法虽然较前两种算法自动化程度高，但计算复杂，且其速度受计算机运算速度的制约。
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3 计算机辅助照射野验证系统的功能
(1)图像获取、显示功能：根据医生(或病种)、患者的名字、照射野号等分级选择数字化的影像，屏幕上并列显示放大倍数相同的参考图像和照射野影像。图像处于各自的窗口中，有独立的图像分析工具，可进行独立的控制。
(2)图像分析工具：①尺度变换和图像旋转：可以对图像中的某个区域进行放大、缩小及整幅图像的旋转。②尺子和量角器：模拟实际的尺子和量角器，用于在屏幕上测量距离与角度。③对比度增强：常用的方法有：a.强度窗(intensity window)：可以连续调节窗位、窗宽，以提高某一灰度区间的对比度；b.直方图修改技术：直方图均衡化、直方图双曲线、 指定直方图均衡化(contrast limited adaptive histogram equalization，CLAHE)、 锐化直方图均衡化(sharpened adaptive histogram equalization， SHAHE)； c.适应增强变换(adaptive enhancement mapping):根据人的视觉系统对局部对比度很敏感，而对绝对亮度不够敏感的特点，增强局部的对比度[如使用平滑掩膜(unsharp masking)与CLAHE相结合，不仅能增强低对比度的细节，而且不会使高对比度的照射野边界变模糊[18]]。④边界勾画：包括照射野边界、标记点及解剖结构的勾画，可以用鼠标手工勾画，也可以用边缘追踪算法进行自动的轮廓描迹(常用的算法有梯度法、高通滤波法、高斯微分法[19,20])。⑤图像配准：提供不同的配准方法(如模板法、标记点法)和算法(如迭代距离最小化、斜面匹配法)。⑥整合显示：观察重叠在一起的融合图像有开窗、卷帘、透视3种方法：a.开窗法是指定义一个窗口，其位置可移动、大小可调整。窗口内区域的象素值为重叠在下面图像的对应象素的强度值，窗口之外区域的象素值为重叠在上面图像的对应象素的强度值，移动此窗口，则可观察两幅图像的对准情况；b.卷帘法与开窗法相近，只是将图像分为上下或左右两个区域(区域的大小动态可调)，一边以重叠在上面图像的象素值为当前显示值，另一边以重叠在下面图像的象素值为当前显示值；c.透视法是基于α混色技术(α-blending technique)[21]，对于每一个象素，其象素强度If为If=αI1+(1-α)I2，α 为混合系数，可以调整；I1、I2为两幅图像对应象素的强度；可以利用伪彩色技术将两幅图像的灰度值变换成不同颜色的色度梯度，再使用透视法就更直观了。
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图1 交互式算法示意图
图2 标记为基础算法示意图
(3)结果报告：定量结果中对于二维系统汇报Tx、Ty、Rz，三维系统还要汇报Tz、Rx、Ry。定性结果中根据临床的实际情况，判断出当前的摆位误差是否是在临床的允许范围之内，还是需要进行摆位的调整。
4 评估方法和评估指标
(1)评估方法：对于一个计算机辅助的照射野验证系统，其应用的准确性和可靠性需经实验证实才能用于临床的实际工作。根据影像数据的来源可分为3种方法：①临床方法：使用实际患者的参考影像和照射野影像[22,23]。这种情况下，是以临床专家的判断为标准来衡量计算机辅助照射野验证系统的验证是否准确和可接受。这种方法虽然符合临床的实际情况，但由于无法确定真值(true value)，就不能得出绝对准确度，而且不能被其它的研究人员所重复。②体模(phantom)方法：应用体模获得参考图像和已知误差的照射野影像[17]。方法是将固定的体模在模拟机下进行定位照相，将此影像作为标准参考图像；然后将体模以相同的摆位置于治疗机的治疗床上，通过在床面上移动体模获得明确的平移误差Tx、Ty，通过将床旋转一定的角度来获得明确的旋转误差Rθ，进行照相，得到一套已知误差的照射野影像。将这些影像用验证系统来分析，得到的误差数据与实际误差比较，从而得出系统的准确性。虽然这种方法与方法①相比，比较客观；但由于模拟机、治疗机存在系统误差，所设置的摆位误差仍不是真值，会对系统的评价有一定的影响。③仿真体模(software phantom)方法：此方法以软件为基础，使用DRR与数字重建照射野影像(digital reconstructed portal radiography，DRPR)[12,14,24,25]。方法为使用一套CT影像数据，用虚拟模拟的方法设置一个具有一定形状的参考照射野，利用计算机工具生成DRR图像，将其作为标准参考影像(gold standard)；然后相对此照射野进行照射野的平移和机头的旋转以产生模拟的摆位误差，计算机重建生成有误差的一系列DRPR[计算DRR时，将CT的HV值转换成高能射线的线性衰减系数。可以使用国家标准与技术研究院(National Institute of Standard and Technology)发表的CT—线性衰减系数转换曲线[26]]。为了与实际的照射野影像更接近，对DRPR进行以下处理：a.使用与剂量计算相似的扩展源(extended source)方法产生模拟的半影。b.加入随机噪声和结构噪声。C.将图像与高斯函数卷积，以模拟几何模糊；也可以与典型的照射野影像进行直方图匹配(histogram matching)得到与照射野影像一致的图像对比度。经过上述的步骤后，于是便生成了一套标准的检测影像数据。这套数据来源于同一套CT影像数据，经同一软件处理。虽然在设定照射野中心时，较大的CT层间距会引入不确定性，导致DRR、DRPR影像的系统误差[26]，但这种误差可以通过减小层间距来使其降至最小。如美国国家医学图书馆(National Library of Medicine)提供的 Visible Human CT图像的层间距为1mm，所以可以认为模拟的摆位误差即为真值。这种标准的检测影像数据，不仅可以用来正确评价系统的准确性，还可以用它进行重要的质量保证(QA)检查。
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以上3种方法实际上构成了系统由实验到临床使用的3个阶段。
(2)评估指标[23,24,27]：①精密度(precision): 在相同条件下，对同一输入重复测试得到相同输出的可能性; ②准确度(accuracy) ：真值(或参考值)与测量值之差除以真值(或参考值)的结果；③重复性(repeatability) ：在一段时间内，对同一输入重复测试得到相同输出的可能性；④敏感性和特异性(sensitivity and specificity)：敏感性=正确识别的阳性病例数量/实际的阳性病例数量，特异性=正确识别的阴性病例数量/实际的阴性病例数量，这两个指标接近或等于1，说明敏感性和特异性好；⑤平移探测误差(Ierror)、旋转探测误差(θerror)与照射野覆盖率(Fcoverage)：这3个指标用来评价单次验证的结果，即： Ierror=(Txd-TxT)2+(Tyd-TyT)2， 其中Txd、Tyd为检测的X、Y方向的平移摆位误差；TxT、TyT为实际的X、Y方向的平移摆位误差。θerror=｜Rd-RT｜，其中Rd为检测的旋转摆位误差；RT为实际的旋转摆位误差。Fcoverage为纠正摆位误差后治疗照射野与参考照射野的重合度。
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计算机辅助照射野验证系统的使用与传统的灯箱直视法相比(见表1)，处理分析的手段多，具有灵活性高的特点。
表1 常规验证方法与计算机辅助验证方法的比较 内容
常规验证
计算机辅助验证
显示
胶片并放在灯箱上
多个数字化的影像在屏幕上同时显示
存储方式
胶片
磁盘、磁带、光盘
灰度控制
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极有限
每幅图像都有各自的灰度控制
配准
手动，胶片重叠
手动、半自动或自动
放大倍数控制
无
图象在相同的放大倍数下显示
尺度变换
无
放大、缩小多幅图像的对应区域
描迹
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用记号笔在胶片上描画
自动描迹，或使用鼠标手动画
测量
尺、量角器，手工计算
自动计算，或模拟手工计算
在其临床应用中，已证实系统所提供的影像分析工具(对比度增强、配准、可视化)对分析摆位误差是十分有效的。使用这些工具可以探测传统灯箱直视方法很难分辨的较小的(<5mm)摆位误差，使摆位误差的分析更加准确[8,14,18]。通过控制摆位误差，使得缩小照射边界、提高肿瘤剂量成为可能。应用软件探测误差的准确性与使用者是否熟悉这种软件工具无关，所以，计算机辅助照射野验证系统是可以在临床推广的。
高精度放射治疗是放射治疗的发展目标，而要实现高精度放射治疗就必须严格执行质量保证和质量控制，控制摆位误差是其重要内容之一。计算机辅助照射野验证可以提高验证的准确度，国外已有此类应用软件，但价格贵。开发国产低成本的计算机辅助照射野验证应用软件对于提高我国质量保证和质量控制水平是十分有意义的，它将成为放射治疗中的重要工具。 参考文献
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27，罗述谦.医学图像处理评估方法.世界医疗器械,1999,5:27-31.
收稿日期：2000-03-22, http://www.100md.com
单位：北京，中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院放射治疗科 100021
关键词：
中华放射肿瘤学杂志000425
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随着放射治疗技术的发展，各种先进的方法、手段，如：三维治疗计划系统、适形放射治疗、立体定向放射手术、体位固定装置等不断地应用于临床治疗，使放射治疗向着“增加肿瘤剂量，提高肿瘤控制率；减少肿瘤周围正常组织的受照体积，降低危及正常组织发生并发症的几率”的目标前进了一步。而要真正实现这一目标，降低摆位误差是实施准确治疗的关键因素之一，所以进行严格的照射野验证是十分必要的。
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1 计算机辅助照射野验证系统的产生过程
目前临床使用的照射野验证方法有传统的照射野照相验证片(portal film)和最新的电子照射野成像系统(electronic portal imaging device, EPID)。 用治疗机拍摄验证片虽然具有价格低廉、易于普及的优点，但是也存在两个主要的缺点：(1)冲洗费时、费事，不可能每次摆位都用；②胶片冲洗之后方可发现误差，才能予以纠正或在下一次摆位时修正。EPID可以即时显示照射过程中的体位和照射野与靶区间的关系，使误差得以及时纠正，并具有记录、再现的功能；但EPID影像的分析使用尚处于临床探索阶段，不但成本高(约10余万美元)，而且还没有证据说明使用EPID比用胶片更准确，况且放射肿瘤医生对EPID影像的分析不会象EPID成像那样及时[7]。
照射野验证片和EPID共同的缺点是：图像对比度低，难以辨别解剖结构。这是由于验证片和EPID都使用高能X射线曝光成像，而高能射线与组织相互作用时以康普顿效应为主，康普顿效应的质能衰减系数和质能转移系数与原子序数近似无关，不同组织结构对高能射线的吸收衰减差别不大，所以得到的影像对比度低、较模糊。
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人工阅片时，将治疗机下的验证片与模拟机下的定位片放在灯箱上，或者将EPID的影像与数字化的模拟机下的定位片或CT模拟的数字重建影像(digital reconstructed radiograph, DRR)同时显示在屏幕上。由于影像的清晰度差异很大，不同人的主观因素会产生不同的结果，因此易导致人为误差，并且难以准确给出布野和摆位误差的量化结果[8,9]。随着三维适形放射治疗技术的应用，治疗设计常采用不规则野、非共面野，由于医生尚不大熟悉照射野方向下的照射野方向视图(beam eye view, BEV)投影影像，所以很难根据解剖结构对影像做出判断。以上这些缺点可以借助于计算机图像处理技术和配准(匹配、对准、登记)技术来改善和克服。图像处理技术虽然不能增加影像的信息，但它能够改善图像的显示，增强对某种信息的辨别能力[10]，便于人眼识别，从而提高判断的准确度。计算机辅助的手动或自动配准技术使图像配准快速、准确，并可报告量化结果，客观评价摆位误差，由此产生了计算机辅助的照射野验证系统[11-15]。
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使用计算机辅助的照射野验证系统进行照射野验证的步骤与传统的灯箱直视法相似，分为放大倍数修正、配准(通过平移、旋转)、报告误差三步，其中放大倍数修正在灯箱直视法中难以进行，而使用计算机软件可以顺利实现。
2 计算机辅助照射野验证系统的分类
(1)根据空间维数分为二维(2D)和三维(3D)：2D系统在进行摆位误差的分析时，默认误差只发生在XY平面之内，即存在3个误差变量：Tx(X方向的平移误差)，Ty(Y方向的平移误差)，Rz(XY平面内，绕Z轴的旋转误差)。2D系统不考虑XY平面之外的摆位误差，而实际有可能发生平面外的旋转，此时2D系统不能对其进行判断，进而也会影响2D分析的可靠性。因此，2D信息不完整，不能纠正3D空间的实际误差。3D系统考虑3D空间中的各种平移和旋转，对Tx、Ty、Tz(即X、Y、Z 3个方向的平移误差)、Rx、Ry、Rz(即绕X、Y、Z 3个轴的旋转误差)6个变量进行定量分析[12]。通常采用一套3D的CT数据与两幅不同角度的2D投射影像进行配准。它不仅能纠正3D空间的摆位误差，而且通过对平面外旋转的发生频率、范围及影响的分析，可以为比较计划剂量和实际获得的剂量提供必要的信息，并可以分析固定装置的效果及发现系统误差。
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(2)根据配准的自动化程度划分为3种类型[16]：①交互式算法(interactive algorithm)：用户首先在参考影像(模拟机下的定位影像或计划系统的DRR)上定义一解剖模板[17](图1a)，将其重叠在照射野验证影像上(图1b)，用鼠标反复调整模板的位置和角度，主观判断模板上的解剖结构与验证影像上相应的解剖结构是否获得最佳的重叠(图1c)。如用户认为已匹配好，则系统可计算出摆位的平移和旋转误差。②以标记为基础的算法(landmark-based algorithm)：计算机自动或用户手动在参考图像和照射野影像上找出一些对应的特征点和(或)线(图2a、2b中的圆点)，计算机应用一定的算法(如最小二乘法)自动计算出最优匹配这些点对和(或)线对所需的空间变换(图2c)。这些特征点、线可以是人体解剖特征，也可以是外部植入的高密度生物兼容性材料制作的微小标记物。③互相关算法(cross-correlation algorithm)：这种算法要求以手动或自动方式在参考图像中选取一些具有解剖特征的图像区域，这些区域称为参考窗。然后计算机自动在照射野图像中为每一个参考窗划出一个包括它的较大图像范围，这个图像范围称为搜索窗，并自动在搜索窗内不断调整参考窗位置，计算相应位置的照射野图像区和参考窗的相关系数，最终找出相关系数最大的位置并计算出患者摆位误差。第3种算法虽然较前两种算法自动化程度高，但计算复杂，且其速度受计算机运算速度的制约。
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3 计算机辅助照射野验证系统的功能
(1)图像获取、显示功能：根据医生(或病种)、患者的名字、照射野号等分级选择数字化的影像，屏幕上并列显示放大倍数相同的参考图像和照射野影像。图像处于各自的窗口中，有独立的图像分析工具，可进行独立的控制。
(2)图像分析工具：①尺度变换和图像旋转：可以对图像中的某个区域进行放大、缩小及整幅图像的旋转。②尺子和量角器：模拟实际的尺子和量角器，用于在屏幕上测量距离与角度。③对比度增强：常用的方法有：a.强度窗(intensity window)：可以连续调节窗位、窗宽，以提高某一灰度区间的对比度；b.直方图修改技术：直方图均衡化、直方图双曲线、 指定直方图均衡化(contrast limited adaptive histogram equalization，CLAHE)、 锐化直方图均衡化(sharpened adaptive histogram equalization， SHAHE)； c.适应增强变换(adaptive enhancement mapping):根据人的视觉系统对局部对比度很敏感，而对绝对亮度不够敏感的特点，增强局部的对比度[如使用平滑掩膜(unsharp masking)与CLAHE相结合，不仅能增强低对比度的细节，而且不会使高对比度的照射野边界变模糊[18]]。④边界勾画：包括照射野边界、标记点及解剖结构的勾画，可以用鼠标手工勾画，也可以用边缘追踪算法进行自动的轮廓描迹(常用的算法有梯度法、高通滤波法、高斯微分法[19,20])。⑤图像配准：提供不同的配准方法(如模板法、标记点法)和算法(如迭代距离最小化、斜面匹配法)。⑥整合显示：观察重叠在一起的融合图像有开窗、卷帘、透视3种方法：a.开窗法是指定义一个窗口，其位置可移动、大小可调整。窗口内区域的象素值为重叠在下面图像的对应象素的强度值，窗口之外区域的象素值为重叠在上面图像的对应象素的强度值，移动此窗口，则可观察两幅图像的对准情况；b.卷帘法与开窗法相近，只是将图像分为上下或左右两个区域(区域的大小动态可调)，一边以重叠在上面图像的象素值为当前显示值，另一边以重叠在下面图像的象素值为当前显示值；c.透视法是基于α混色技术(α-blending technique)[21]，对于每一个象素，其象素强度If为If=αI1+(1-α)I2，α 为混合系数，可以调整；I1、I2为两幅图像对应象素的强度；可以利用伪彩色技术将两幅图像的灰度值变换成不同颜色的色度梯度，再使用透视法就更直观了。
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图1 交互式算法示意图
图2 标记为基础算法示意图
(3)结果报告：定量结果中对于二维系统汇报Tx、Ty、Rz，三维系统还要汇报Tz、Rx、Ry。定性结果中根据临床的实际情况，判断出当前的摆位误差是否是在临床的允许范围之内，还是需要进行摆位的调整。
4 评估方法和评估指标
(1)评估方法：对于一个计算机辅助的照射野验证系统，其应用的准确性和可靠性需经实验证实才能用于临床的实际工作。根据影像数据的来源可分为3种方法：①临床方法：使用实际患者的参考影像和照射野影像[22,23]。这种情况下，是以临床专家的判断为标准来衡量计算机辅助照射野验证系统的验证是否准确和可接受。这种方法虽然符合临床的实际情况，但由于无法确定真值(true value)，就不能得出绝对准确度，而且不能被其它的研究人员所重复。②体模(phantom)方法：应用体模获得参考图像和已知误差的照射野影像[17]。方法是将固定的体模在模拟机下进行定位照相，将此影像作为标准参考图像；然后将体模以相同的摆位置于治疗机的治疗床上，通过在床面上移动体模获得明确的平移误差Tx、Ty，通过将床旋转一定的角度来获得明确的旋转误差Rθ，进行照相，得到一套已知误差的照射野影像。将这些影像用验证系统来分析，得到的误差数据与实际误差比较，从而得出系统的准确性。虽然这种方法与方法①相比，比较客观；但由于模拟机、治疗机存在系统误差，所设置的摆位误差仍不是真值，会对系统的评价有一定的影响。③仿真体模(software phantom)方法：此方法以软件为基础，使用DRR与数字重建照射野影像(digital reconstructed portal radiography，DRPR)[12,14,24,25]。方法为使用一套CT影像数据，用虚拟模拟的方法设置一个具有一定形状的参考照射野，利用计算机工具生成DRR图像，将其作为标准参考影像(gold standard)；然后相对此照射野进行照射野的平移和机头的旋转以产生模拟的摆位误差，计算机重建生成有误差的一系列DRPR[计算DRR时，将CT的HV值转换成高能射线的线性衰减系数。可以使用国家标准与技术研究院(National Institute of Standard and Technology)发表的CT—线性衰减系数转换曲线[26]]。为了与实际的照射野影像更接近，对DRPR进行以下处理：a.使用与剂量计算相似的扩展源(extended source)方法产生模拟的半影。b.加入随机噪声和结构噪声。C.将图像与高斯函数卷积，以模拟几何模糊；也可以与典型的照射野影像进行直方图匹配(histogram matching)得到与照射野影像一致的图像对比度。经过上述的步骤后，于是便生成了一套标准的检测影像数据。这套数据来源于同一套CT影像数据，经同一软件处理。虽然在设定照射野中心时，较大的CT层间距会引入不确定性，导致DRR、DRPR影像的系统误差[26]，但这种误差可以通过减小层间距来使其降至最小。如美国国家医学图书馆(National Library of Medicine)提供的 Visible Human CT图像的层间距为1mm，所以可以认为模拟的摆位误差即为真值。这种标准的检测影像数据，不仅可以用来正确评价系统的准确性，还可以用它进行重要的质量保证(QA)检查。
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以上3种方法实际上构成了系统由实验到临床使用的3个阶段。
(2)评估指标[23,24,27]：①精密度(precision): 在相同条件下，对同一输入重复测试得到相同输出的可能性; ②准确度(accuracy) ：真值(或参考值)与测量值之差除以真值(或参考值)的结果；③重复性(repeatability) ：在一段时间内，对同一输入重复测试得到相同输出的可能性；④敏感性和特异性(sensitivity and specificity)：敏感性=正确识别的阳性病例数量/实际的阳性病例数量，特异性=正确识别的阴性病例数量/实际的阴性病例数量，这两个指标接近或等于1，说明敏感性和特异性好；⑤平移探测误差(Ierror)、旋转探测误差(θerror)与照射野覆盖率(Fcoverage)：这3个指标用来评价单次验证的结果，即： Ierror=(Txd-TxT)2+(Tyd-TyT)2， 其中Txd、Tyd为检测的X、Y方向的平移摆位误差；TxT、TyT为实际的X、Y方向的平移摆位误差。θerror=｜Rd-RT｜，其中Rd为检测的旋转摆位误差；RT为实际的旋转摆位误差。Fcoverage为纠正摆位误差后治疗照射野与参考照射野的重合度。
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计算机辅助照射野验证系统的使用与传统的灯箱直视法相比(见表1)，处理分析的手段多，具有灵活性高的特点。
表1 常规验证方法与计算机辅助验证方法的比较 内容
常规验证
计算机辅助验证
显示
胶片并放在灯箱上
多个数字化的影像在屏幕上同时显示
存储方式
胶片
磁盘、磁带、光盘
灰度控制
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极有限
每幅图像都有各自的灰度控制
配准
手动，胶片重叠
手动、半自动或自动
放大倍数控制
无
图象在相同的放大倍数下显示
尺度变换
无
放大、缩小多幅图像的对应区域
描迹
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用记号笔在胶片上描画
自动描迹，或使用鼠标手动画
测量
尺、量角器，手工计算
自动计算，或模拟手工计算
在其临床应用中，已证实系统所提供的影像分析工具(对比度增强、配准、可视化)对分析摆位误差是十分有效的。使用这些工具可以探测传统灯箱直视方法很难分辨的较小的(<5mm)摆位误差，使摆位误差的分析更加准确[8,14,18]。通过控制摆位误差，使得缩小照射边界、提高肿瘤剂量成为可能。应用软件探测误差的准确性与使用者是否熟悉这种软件工具无关，所以，计算机辅助照射野验证系统是可以在临床推广的。
高精度放射治疗是放射治疗的发展目标，而要实现高精度放射治疗就必须严格执行质量保证和质量控制，控制摆位误差是其重要内容之一。计算机辅助照射野验证可以提高验证的准确度，国外已有此类应用软件，但价格贵。开发国产低成本的计算机辅助照射野验证应用软件对于提高我国质量保证和质量控制水平是十分有意义的，它将成为放射治疗中的重要工具。 参考文献
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收稿日期：2000-03-22, http://www.100md.com