放射治療分次間與分次中眼晶狀體的位移研究

楊書明，趙水喜，穆曉峰，趙衛(wèi)東，寧健

放射治療分次間與分次中眼晶狀體的位移研究

楊書明，趙水喜，穆曉峰，趙衛(wèi)東，寧健

目的探討眼晶狀體在放射治療分次間與分次中的運動范圍。方法對17例頭頸部腫瘤患者的CT和MRI圖像進行配準，勾畫晶狀體輪廓，分別確定中心坐標位置，進一步模擬分析分次間與分次中的晶狀體位移。結果左右晶狀體在分次中與分次間均有不同程度的位移。與分次中運動幅度相比，在左右、前后和頭腳方向上分次間晶狀體運動的幅度均較大。結論在自由狀態(tài)下進行放射治療時，不考慮擺位誤差影響，僅以分次間與分次中運動幅度而論，晶狀體的計劃危及器官應在晶狀體外延1.5mm為宜。

圖像配準；放射療法；放射治療計劃，計算機輔助；晶體

眼眶腫瘤與其他部位腫瘤相比，其放射治療更具挑戰(zhàn)性。眼部結構精細，放射敏感性高，易產生放療并發(fā)癥，特別是晶狀體劑量耐受性很低，文獻報道其TD5/5僅為10Gy[1]，因此，白內障是眼眶腫瘤放療后常見的放射損傷[2]。近年來，以逆向調強(intensity-modulated radiation therapy，IMRT)為代表的先進技術相繼出現(xiàn)，劑量分布高度適形[3]，理論上可使晶狀體受量降低，但由于晶狀體位置可隨眼球運動發(fā)生變化，導致受照劑量改變，從而增加發(fā)生放射性白內障的風險。因此，研究晶狀體運動范圍，設定合適的計劃危及器官(planning organ at risk，POAR)邊界，對于眼眶腫瘤乃至頭頸部腫瘤的放射治療具有重要意義。本文以定位CT與不同序列的MRI圖像為研究對象，通過圖像配準，模擬并分析眼晶狀體在放射治療分次間與分次中的運動范圍。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 選擇2008年9月－2010年9月同時進行過CT和MRI掃描的頭頸部腫瘤患者17例，其中男12例，女5例，平均年齡37(24～55)歲，所有患者病變均未累及眼球且眼球活動狀況良好。

1.2 圖像采集 所有患者均采用熱塑成型膜固定，首先在Philips公司大孔徑CT模擬機下以3mm間距行增強掃描，再以相同體位條件、相同的框架與熱塑膜，在Siemens公司3.0T核磁下以3mm間距進行無間隔掃描，將掃描后的CT定位圖像、MRI T1加權像和T2加權像導入Pinnacle 9.0計劃系統(tǒng)。

1.3 圖像配準 以CT定位圖像作為主圖像序列，MRI T1加權像、T2加權像為融合圖像序列。首先進行自動配準。Pinnacle 9.0計劃系統(tǒng)中提供了局部相關(local correlation，LC)、交叉相關(cross correlation，CC)及歸一化交互信息(normalizedmutual information，NMI)三種配準算法。本研究選用NMI算法進行圖像匹配。匹配完成后驗證準確性，方法為通過手動勾畫腦中線、大腦中動脈、外輪廓、竇腔等結構，觀察各結構在主圖像與融合圖像中的位置是否一致，若出現(xiàn)偏差則進行手動平移旋轉，直至上述結構匹配正確(圖1)。

圖1 圖像配準一致性驗證Fig.1 Verification of image registration

1.4 器官勾畫和參考點選取 配準完成后，分別在CT定位圖像及MRI T1、T2加權像上勾畫左右晶狀體，并同時顯示在CT圖像上。勾畫結束后，利用計劃系統(tǒng)中BOX體積中心點定位算法，分別找到左右晶狀體在各圖像中的中心點坐標(圖2)。由于配準后頭部骨性結構一致，因此不同圖像間晶狀體中心坐標的差異可反映不同時刻晶狀體的移動范圍。

圖2 晶狀體勾畫和參考點選擇Fig.2 Contour lens and choose reference point

1.5 類型劃分 在放射治療中，器官運動可分為分次間運動(即不同治療分次之間，inter-fraction movement)和分次中運動(即同一治療分次中，intrafraction movement)，CT與MRI分屬兩次掃描，可模擬晶狀體放療時不同分次間運動；而MRI的T1加權像與T2加權像，為同一次掃描不同時間的圖像，可模擬放療時同一分次中的晶狀體運動。

1.6 分次間及分次中晶狀體位移與計劃危及器官邊界的計算 根據(jù)1.5的類型劃分，分次間運動選取T1加權像與CT圖像做配對，以晶狀體中心點坐標差為參照，分次中運動則以T2加權像與T1加權像晶狀體中心點坐標差為參照，分別計算兩側晶狀體的左右方向(lateral，LA)、前后方向(anterior posterior，AP)、頭腳方向(superior inferior，SI)的位移大小。

為獲得大于95%的置信區(qū)間，晶狀體的計劃危及器官邊界參照下式計算：

Marginx=Max{|LA95%|，|AP95%|，|SI95%|}

Marginfinal=Max{Marginx}

其中，Marginx代表某側晶狀體分次間或分次中三個方向均達到95%置信度的位移絕對值，LA95%、AP95%、SI95%分別代表左右、前后、頭腳方向95%置信區(qū)間范圍。Marginfinal代表多個Marginx取極大值的結果。

1.7 統(tǒng)計學處理 采用SPSS 13.0軟件進行統(tǒng)計分析，晶狀體位移數(shù)值為計量資料，符合正態(tài)分布，以±s表示，并計算其95%置信區(qū)間。

2 結 果

分次間運動結果見表1，分次中運動結果見表2。從數(shù)值上看，左右晶狀體三個方向分次間的數(shù)值均大于或等于分次中的數(shù)值，即晶狀體的分次間運動幅度大于等于分次中的幅度。晶狀體計劃危及器官的Marginfinal根據(jù)公式計算應為1.5mm。

表1 分次間運動分析結果(mm)Tab. 1 Results of inter-fraction movement (mm)

表2 分次中運動分析結果(mm)Tab. 2 Results of intra-fraction movement (mm)

3 討 論

晶狀體運動是眼眶腫瘤放射治療中不可忽視的環(huán)節(jié)，晶狀體耐受劑量低，并可隨眼球的轉動發(fā)生位置變化，而位移可影響劑量并增加發(fā)生放射性白內障的風險。因此，研究晶狀體在放射治療分次間與分次中的運動范圍具有重要意義。

盡管從圖像獲取手段而言，直接采用治療時的斷層影像如錐束CT(cone beam CT，CBCT)可能會更好地反映晶狀體位置的變化情況，但在不具備CBCT設備的條件下，應采用何種方法獲取指導性數(shù)據(jù)成為一個難題。本研究以圖像配準作為解決手段之一，其思路如下：CT與MRI掃描前需要分別擺位，此過程中獲取的圖像與研究放療分次間運動時的性質相同；而MRI掃描中的T1加權像與T2加權像采集近似于放療中的兩個時間節(jié)點，晶狀體的位移變化與研究放療分次中運動的過程非常符合，以過程一致性為基礎，獲取的數(shù)據(jù)具有可信性。在此過程中，圖像配準精度是最重要的環(huán)節(jié)，配準方法至關重要。常見的CT與MRI軟件配準方法包括基于標識點配準、手動配準、交互信息配準三種方式[4]，而交互信息方法具有速度快、主觀因素少等特點，使用較多。但是，由于尚無一種軟件算法可以適應任何配準情況，因此，在考量配準精度時必須進行人為判斷。盧杰等[5]的研究表明，腦部腫瘤CT-MRI配準時，采用交互信息法+手動融合的方法具有較高的融合精度?；谏鲜鲈?，筆者采用計算機交互信息算法與手工匹配相結合的方式，分別考查腦中線、大腦中動脈、外輪廓、竇腔等結構的一致性，判斷并修正配準結果，以保證匹配的準確性。

眼球運動是一個復雜的過程，包括凝視、掃視和平穩(wěn)跟蹤運動[6]，其運動參數(shù)值可受到疲勞程度、注意力情況、注視角度、年齡等因素的影響[7]。另外，一些眼眶病特別是甲狀腺相關眼病患者常由于眼外肌受累出現(xiàn)眼球運動受限[8]。本研究的入組患者眼球動度均良好，且在自由狀態(tài)下進行掃描，結果顯示，分次間的晶狀體運動幅度要大于分次中，這可能由于分次間眼球的注視參照點發(fā)生了變化，而分次中更容易固定在某個范圍，因此分次間晶狀體位移多小于1.5mm，而分次中則小到1.1mm。

本研究可能存在的問題在于，分次間與分次中均表現(xiàn)出頭腳方向較為明顯的位移，其原因不能排除采集圖像時的掃描層厚所帶來的容積效應影響，這種影響可使測得的頭腳方向運動位移假性增加。另外，本研究假設前提是圖像配準后骨性結構一致性，即數(shù)據(jù)結果不包含擺位誤差。

綜上，筆者認為在眼眶腫瘤及頭頸部腫瘤放射治療實踐中，不考慮擺位誤差影響，僅以分次間與分次中運動范圍而論，晶狀體的計劃危及器官應在晶狀體外增加1.5mm邊界為宜。如果可通過額外設定參照物在凝視狀態(tài)下治療，或眼球受病變影響活動受限，則外放邊界或可適當縮小。

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Research on inter-fraction and intra-fraction motion of crystalline lens in radiotherapy

YANG Shu-ming1, ZHAO Shui-xi2, MU Xiao-feng1, ZHAO Wei-dong1, NING Jian1*
1Center of Radiotherapy,2First Department of Tumor, Chinese Armed Police General Hospital, Beijing 100039, China
*

, E-mail: Beijing-wj-2006@hotmail.com

ObjectiveTo investigate the range of inter-fraction and intra-fraction motion of crystalline lens in radiotherapy.MethodsThe CT and MRI images of 17 patients were registered, and the profile of crystalline lens was delineated to determine the respective center coordinates, thus simulating and analyzing inter-fraction and intra-fraction motion of lens in radiotherapy.ResultsBoth left and right lens moved in different degree during both inter- or intra-fraction phase. The range of lens movement was larger in inter-fraction than in intra-fraction phase in all directions.ConclusionWhen radiotherapy is given in the free state, considering the distance of lens movement alone in inter- and intra-fraction and without considering the setup error, the lens planning organs at risk should increase 1.5mm outside the lens boundary.

image registration; radiotherapy; radiotherapy planning, computer-assisted; lens, crystalline

R818.05

A

0577-7402(2012)03-0222-03

2013-01-03；

2013-02-18)

(責任編輯：沈寧)

楊書明，工學碩士。主要從事放射治療計劃優(yōu)化與質量保證方面的工作

100039 北京 武警總醫(yī)院腫瘤放療中心(楊書明、穆曉峰、趙衛(wèi)東、寧健)，腫瘤一科(趙水喜)

寧健，E-mail: Beijing-wj-2006@hotmail.com