【摘要】 本文给出应用于肿瘤放射治疗领域的基于CT影像序列的数字化重建人体立体X线透视图（three dimensional digitally reconstructed radiograph，3D DRR）研究结果，包括实现3D DRR技术的简要步骤及原理，以及临床应用实例。借助于3D DRR技术，不仅可以准确地确定肿瘤及周围正常组织器官的空间形态关系，而且可以准确地验证放射治疗中各方向射束照射肿瘤靶区的空间适形度，以及周围正常组织器官是否受到了不利的照射影响。
【关键词】 CT； 重建； 影像； 立体； 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
自从1895年居里夫妇发现放射性核素——镭之后，放射线诊断和治疗直到现在都是肿瘤诊治领域当中主要的技术手段之一。普通人体X线摄片（radiograph）是由X射线机直接辐射人体所生成的平面透视效果——即早先的黑白透视胶片图像，或现在的数字化平面透视黑白图像。所谓人体立体X线透视图概念，通常可由两种方式产生：一是立体X光机，通过X射线机多个机头或多角度或旋转直接辐照人体而生成的立体透视图像；二是利用CT扫描影像序列数字化重建（digital reconstruction)三维人体图像，并进行X线透视处理而产生的人体立体透视图像。在肿瘤放射诊治中，多采用基于CT影像序列的数字化重建人体立体X线透视图（3D DRR）技术，来实现空间精确定位和放射治疗照射野或能束（beam）的定位设计与验证。这主要是由于基于CT影像的3D DRR首先具有X射线共性特性，人体断层解剖学组织成像清晰、无变形；其次它具有数字化和三维特点，可以旋转显示和变密度观察人体透视效果，组织器官形态学显示更为直观形象，病灶定位准确，放射治疗计划设计的照射病灶的方向和照射野形状大小也更容易观察验证；另外，CT机具有与放射治疗机（如医用高能直线加速器等）定位系统等同的激光照明定位系统，故CT扫描时的人体体位特征也很容易在治疗机上恢复。由此诸多有利的特点，3D DRR目前已成为三维放射治疗计划系统（3D TPS）中必备的而且评价其是否先进的一个重要的技术功能［1-5］。
本文主要介绍实现基于CT影像序列的3D DRR技术的简要步骤及原理，以及临床应用实例。2 实现基于CT影像序列的数字化重建人体立体X线透视图技术的简要步骤及原理基于CT影像序列的数字化重建人体立体X线透视图技术，主要由：人体CT断层影像定位扫描、CT断层影像三维重建与组织器官形态学显示、3D DRR透视图生成、放射治疗计划病灶定位与设计应用等四个步骤来完成。
人体CT断层影像定位扫描：由于是X-射线扫描，CT影像灰度值与电子密度值密切关联，定位准确、不变形（MRI会在周边引起畸变约1—2 mm，PET的分辨率相对较低），且正确反映了人体组织密度和空间位置坐标，便于计算机数字化分析诊断与定位治疗。临床上CT图像分辨率选择512×512矩阵，扫描间距取头部3 mm、体部5 mm较为适宜（扫描间距过大会导致断层之间拟合精度差，组织缺损较多）。扫描前开启CT照明灯（顶置一个，两侧各一个）指示定位，并在人体表面（病灶附近）做标记，以便在放射治疗机上治疗对位时方便复位。目前快速螺旋CT扫描60—80层约需1分钟左右。
CT断层影像三维重建与组织器官形态学显示：经CT扫描形成的图像数据集（image dataset）或图像序列（image series），经DICOM（医学影像传输协议）专用网络，无损传输并转换到三维放射治疗计划工作站上，并逐张显示检查，确认无误。然后将断层图像按序列进行三维重建。值得注意的是，一般三维重建分：面绘制（surface rendering）和体绘制（volume rendering）两种。3D DRR必须在体绘制的基础上才能实现。为了提高速度，可以把人体外轮廓自动提取出来，以作为显示处理的边界定义。目前本课题组可以不用提取人体外轮廓也能快速识别人体组织边界并实现3D DRR重建技术。
3D DRR透视图生成：此部分工作涉及到3D DRR透视图生成建模的研究工作， 故为专业、 核心。主要是要依据X线放射治疗机的工作原理（如射线治疗机放射源距离人体部位的垂直高度、出束方位和姿态、视界范围等），模拟计算X射线穿透人体的透射效果（要注意的是射线呈一定锥形角放射和散射的）。组织透射显示灰度值可加权计算获得，考虑到较高的重建网格密度和计算数据量，为了达到实时效果（旋转图像达25桢/秒以上），通常在计算机硬件选择上采用新32/64位CPU、3 GHz主频或以上，或多CPU图形工作站，内存1—4 GB或以上，增加图形加速卡。
放射治疗计划病灶定位与设计应用：在3D DRR重构显示的基础上，进行实际放射治疗计划设计应用，主要是病灶定位和放射治疗照射野设计的验证（包括其照射方位和形状大小）。需要指出的是，3D DRR中涉及到的病灶器官和其他正常组织器官的边界，无论何种情况，均需由医生来确认（这是医疗法规明确的），尽管有时软件已能自动区分和识别。 3 基于CT影像序列的数字化重建人体立体X线透视图技术的临床应用实例上述基于CT影像序列的数字化重建人体立体X线透视图（3D DRR）技术，已在国内如：中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院、卫生部北京医院、解放军301总医院、山东大学齐鲁医院、中山大学附属第五医院、天津医科大学总医院、第三军医大学西南医院等多家大中型医院临床使用，效果很好。
以下是几个基于CT影像序列的数字化重建人体立体X线透视图（3D DRR）技术的实际临床应用图例：
4 讨论
基于CT影像的3D DRR技术，目前在国内研究单位自主开发完成的仅少数几家，主要应用集中在放射诊治领域。1996年12月中科院北京大恒医疗设备有限公司研发出STAR-2000立体定向（X-刀）放射治疗计划系统，并实现了基于CT影像序列的平面（2D）DRR图像功能。由于医生和物理师不断总结临床放射诊疗经验，越来越不满足平面2D信息，而对组织器官及照射野的三维形态学的观视要求越来越高，本文作者所在课题组先后于1999年和2001年申请设立对先进3D TPS及其数字医学图像处理的课题研究，特别加强了对3D DRR的研究开发，得到了国家863计划及计算机技术主题专家组的支持，并在2000年10月开始在国内进行实际演示与临床应用，2005年底进行了定型完善。目前国际上关于这3D DRR方面的研究开发单位，主要有美国ADAC公司等为代表的约数家计算医学研究机构和研发企业。
5 结束语
上述基于CT影像的3D DRR技术研究和应用，是整个数字化诊治研究工作中的一部分，也是实现未来人体医学模拟（包括组织模拟）［1，2］的重要基础技术。此类研究综合性协作性很强，涉及到计算医学及医学图像处理、放射诊治学、医学物理学等多学科知识，需要图形学和放射诊治学的多学科结合。致谢 本文工作是在多方协作下研究完成的，在此向对本研究提出过指导意见的美国国家癌症研究所谢虎臣教授，以及参与本课题研究的医院单位和专家们表示衷心的感谢！
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