形态学处理在肿瘤体积测量中的可行性分析

陈仰纯 陈 萍

广州医学院第一附属医院PET－CT中心，广东省广州市 510230

三维适形肿瘤放射治疗是建立在CT影像的基础上。临床医生根据CT图像逐层勾画肿瘤的边界，费时费力，而且同一病灶不同医生指定的靶区范围存在较 大 的 差 异［1，2］。 计 算 机 辅 助 诊 断［3］协 助 医生确定肿瘤靶区是克服这个问题的有效方法。衡量一种计算机辅助诊断方法的准确性与误差，经常是以肿瘤的手术标本作为标准。不过，由于手术标本存在经福尔马林固定后弹性回缩的问题，病理检查时标本的空间位置与在体的位置往往不一致［4］，以手术标本作为判断计算机辅助诊断方法的标准存在一定的局限性。模型实验能够克服手术标本的不足，是探讨某种算法准确性与误差的有效方法。本研究拟根据模型CT图像，应用形态学运算方法求模型的容积并与模型的真实容积比较，探讨该算法协助医生确定肿瘤靶区的可行性与参数选择。

1 材料与方法

1.1 仪器与装置条件 PET/CT仪，CT部分是8排螺旋CT（Discovery ST，GE company，USA）。分析天平（CP224S，Sartorius AG，Germany），最大量程220g，精度0.1mg。自制三维滑台1台。圆柱形水桶1个，容积6 750ml，内高186mm，内径216mm，壁厚3.2mm。

1.2 肿瘤模型 自制空心肿瘤模型7个，1号模型是球体，设计内径50.0mm；2号及3号模型是心脏体，设计内径参数a［5］分别是6.0mm、13.0mm；4号模型是椭球体，设计内径11.0mm×21.0mm×31.0mm；5号模型是联球体，设计内径分别是10.0mm×12.0mm×15.0mm、15.0mm×20.0mm×30.0mm；6号及7号模型是空洞体：6号是由内径34.4mm的球体内嵌入外径是16.1mm的空心球，7号是由内径26.0mm×33.5mm×46.0mm的椭球内嵌入外径是12.0mm×15.0mm×20.0mm的空心椭球体。

1.3 测量模型容积 在常温下，用天平先测量某个模型的质量，质量归零后，再测量注满水后（模型＋水）的质量，即认为是该模型的容积。

1.4 灌制“肿瘤”模型 取20%甘露醇溶液250ml加水至300ml，混匀，依次灌满上述7个模型。用丝杆把这些模型固定在装满水的水桶底部。再把水桶固定在三维滑台上，水桶轴向与CT仪的Z轴方向平行，令滑台处于静止状态。

1.5 CT扫描的条件 球管管电压140kV，管电流150mA，球管转速0.8s/周，螺距0.875，标准算法重建CT图像，图像视野50cm，矩阵512×512，像素宽0.98mm，层厚3.75mm。

1.6 CT值及模型壁厚度测量 在Matlab 2007b（Mathworks Ins.USA）环境［6］里，读取某体素值，减1 024的差即得到该体素的CT值。随机选择某一层CT图像，用一个矩形感兴趣区（包括400个体素）选取某局部水的CT图像，求水的CT值，用同样的方法测量空气的CT值。选择1号模型最大截面的CT图像，用一个矩形感兴趣区（包括400个体素）选取某局部模型溶液的CT图像（避开模型壁），求模型溶液的CT值。为了避免部分容积效应，测量肿瘤模型壁CT值时仅取壁所在区域中体素值最高的，沿着壁走向方向连续读取20个体素值，其平均值就为壁的CT值。用双3次内插值法［7］，把体素宽度调整为原来的1/2，选取模型最大截面，在该层面测量模型壁厚度［图像窗位50亨氏单位（Hounsfield units，HU），窗宽100HU］。

1.7 形态学处理求模型容积 设空气/水，水/模型壁，空气/模型壁界面的CT值阈值分别是－20HU，16HU，－900HU。根据模型壁厚度自适应选择形态学腐蚀运算的球形结构单元半径，并记录软件C测量模型容积结果。

1.8 统计分析 结果用均值±标准差表示。计算每个模型容积测量值的相对误差，即该测量值与真实值的差除以真实值［8］。容积测量值与真实值的显著性检验用配对t检验，P值＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 模型特征与水、溶液CT值 天平测得1～7号模型容积1.93～64.75ml；CT测量模型壁厚度介于0.6～3.5mm 之间，壁 CT 值（58.1±5.2）～（116.8±4.7）HU（见表1）。模型内16.6%甘露醇溶液CT值（47.8±4.6）HU，水桶内水 CT 值为（－2.6±4.2）HU，空气CT值（－1 002.4±2.4）HU。

2.2 模型容积测量值与相对误差 软件C测量1～7号模型容积，结果2.15～68.40ml，相对误差（－2.0±9.0）%，范围（－16.4～11.4）%，见表1。模型容积测量值与真实值行配对t检验，t＝0.097，P＝0.926＞0.05，提示两者无统计学差异。

3 讨论

医学数字图像自动处理经常应用CT值阈值法、梯度法以及形态学运算对病灶或感兴趣组织器官进行分割［6，7，9］，手 动 处 理 时 需 要 根 据 不 同 的 组 织界面选择不同的窗宽窗位显示图像［2，10］，得到它们的边界，进而求得它们的体积。由于部分容积效应［9，11］，在CT图像上病灶或感兴趣组织器官的边界模糊化，加上图像噪声，使得单独用阈值法和梯度法求模型CT图像容积存在一定的误差。笔者设计的形态学处理软件C，综合应用CT值阈值法与腐蚀运算，求模型CT容积；并用模型实测容积作为评价标准。

根据常温下水的密度是1g/ml，本研究通过测量注满水前后的模型的质量差，即得模型容积，这种测量方法是恰当的，精度达到0.1μL。

软件C的测量精度明显受到CT图像空间分辨率的限制［12，13］。本实验中7个肿瘤模型制作时各内径的精度是亚毫米级的，而实验中CT图像在横断面上的空间分辨率是1个像素宽（0.98mm），在轴向上的是3.75mm，比加工制作时降低了1个数量级。由此，即使是形态学运算测得最接近肿瘤模型容积的结果波动比较大，相对误差介于－16.4%～11.4%，平均值（－2.0±9.0）%，仍优于Prionas等的结果［8］，精度低于 Kuhnigk 等［9］和孙 海宁等［13］的结果。通过内插值的方法［6］，把图像的分辨率提高到亚像素水平，将有助于形态学运算的测量精度与准确性。

自行设计的软件C联合CT值阈值法和腐蚀运算的形态学处理方法，并根据模型壁的厚度自适应选择适当的参数，能够实现半自动化测量模型容积，并可以达到一定的精度。随着CT图像空间分辨率的提高，该方法测量的精度和准确性也将进一步提高。

［1］Weiss E，Hess CF.The impact of gross tumor volume（GTV）and clinical target volume（CTV）definition on the total accuracy in radiotherapy theoretical aspects and practical experiences〔J〕.Strahlenther Onkol，2003，179（1）：21－30.

［2］杨焕军，蒋国梁，傅小龙，等.胸部增强CT扫描对肺癌大体肿瘤体积勾画的影响〔J〕.中华放射肿瘤学杂志，2005，14（4）：321－325.

［3］刘瑛，吴宁，唐威.计算机辅助诊断的三维体积测量技术在实性肺结节CT随诊中的价值〔J〕.中华放射医学杂志，2009，43（4）：351－355.

［4］Wu K，Ung YC，Hwang D，et al.Autocontouring and Manual Contouring：Which Is the Better Method for Target Delineation Using 18F－FDG PET/CT in Non－small Cell Lung Cancer？〔J〕.J Nucl Med，2010，51（10）：1517－1523.

［5］清华大学数学科学系《微积分》编辑组.微积分1〔M〕.北京：清华大学出版社，2003.

［6］Conzalez RC，Woods RE，Eddins SL.Digital imaging processing using matlab〔M〕.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2009.

［7］高木干雄，下田阳久，主编.图像处理技术手册〔M〕.孙卫东，等，译.北京：科学出版社，2007.

［8］Prionas ND，Ray S，Boone JM.Volume assessment accuracy in computed tomography：aphantom study〔J〕.J Appl Clin Med Phys，2010，11（2）：168－180.

［9］Kuhnigk JM，Dicken V，Bornemann L，et al.Morphological segmentation and partial volume analysis for volumetry of solid pulmonary lesions in thoracic CT scans〔J〕.IEEE Trans Med Imaging，2006，25（4）：417－434.

［10］李彦，孙昌进，郎锦义.CT窗口技术在肿瘤诊断治疗中的临床应用〔J〕.肿瘤预防与治疗，2009，22（1）：92－95.

［11］Volkau I，Puspitasari F，Nowinski WL.Ventricle Boundary in CT：Partial Volume Effect and Local Thresholds〔J〕.Int J Biomed Imaging，2010，2010：674582.

［12］Gavriedlides MA，Zeng R，Kinnard LM，et al.A templatebased approach for the analysis of lung nodules in a volumetric CT phantom study［EB/OL］.http：//144.206.159.178/ft/CONF/16428555/16428564.pdf.2009.2.27/2011.8.16.

［13］孙海宁，于铁链，李东.重建算法和层厚对肺结节容积定量的影响〔J〕.中国医学影像技术杂志，2010，26（5）：947－950.