螺旋斷層放療中肝臟腫瘤影像引導方法的研究

何建軍，田曉云，劉海，黃棟，柳杰，韓成龍

中國人民解放軍第81醫(yī)院 放療科，江蘇 南京 210002

螺旋斷層放療中肝臟腫瘤影像引導方法的研究

何建軍，田曉云，劉海，黃棟，柳杰，韓成龍

中國人民解放軍第81醫(yī)院 放療科，江蘇 南京 210002

目的 研究螺旋斷層放療（HT）中肝臟腫瘤患者的呼吸運動影響以及影像引導下影像配準的臨床價值。方法 隨機選取36例接受HT治療的肝臟腫瘤患者，在平靜淺呼吸狀態(tài)下行MVCT掃描并與治療計劃系統(tǒng)（TPS）數字重建影像（DRR）進行兩次配準（分別以肝臟和肝區(qū)病變，以及骨性標志物和非運動型軟組織為參考進行配準），獲取患者的呼吸動度信息，分析配準原則及方法。結果 36例病人共進行MVCT掃描768次，呼吸相位差異在X（左右）方向上全組平均值為 ，個體最大值為6.60 mm；Y（頭腳）方向上全組平均值為（10.64±2.34）mm，個體最大值為26.70 mm；Z（前后）方向上全組平均值為（4.57±0.90）mm，個體最大值為11.30 mm；患者間呼吸相位差異在各方向上均無統(tǒng)計學意義。結論 肝臟腫瘤患者影像配準受呼吸運動影響較大，在擺位時應對病人進行呼吸訓練，以減少呼吸運動對肝臟腫瘤放療的影響；同時，配準應以骨性及其他非運動型軟組織標志物為參考，當配準差值大于靶區(qū)外放范圍時，應考慮重新對患者進行呼吸訓練以及影像配準。

肝臟腫瘤；螺旋斷層放射治療；影像引導；影像配準

肝臟腫瘤患者在進行放療時，由于呼吸引起的運動誤差會造成靶區(qū)的不確定性并影響放療劑量的準確性[1]，因此采取影像引導及運動控制技術是放療過程中的重要環(huán)節(jié)。螺旋斷層放療系統(tǒng)（Helical TomoTherapy，HT）采用扇形束流來進行調強放射治療[2]，將直線加速器和螺旋CT整合于一身，使計劃制定、患者擺位和治療整個過程融為一體[3]，可在治療前獲取擺位MVCT影像，并與定位KVCT影像進行配準，對患者的呼吸運動及擺位誤差進行實時修正。但由于在HT治療中難以實現(xiàn)呼吸門控等技術，患者影像配準受呼吸運動的影響較大。本文通過分析36例肝臟腫瘤放療患者的呼吸運動及配準信息，來探討HT治療中影像配準的原則及方法。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

隨機選取2012年1月～2014年12月間36例行螺旋斷層放療的肝臟腫瘤患者，其中男性28人，女性8人；年齡36～90歲，中位年齡67.5歲；原發(fā)性肝臟腫瘤13例，轉移性肝臟腫瘤23例，放療病灶數量1～4個。

1.2 設備

放療及定位設備：TomoTherapy螺旋斷層放療系統(tǒng)、飛利浦螺旋CT、治療計劃系統(tǒng)（TPS）、多功能定位底板及附件、熱塑網狀固定體膜、固定頭枕、LAP激光定位系統(tǒng)等。

1.3 方法

1.3.1 定位及影像獲取

囑病人仰臥于定位底板上，用熱塑體膜固定體位。應用激光線標記體膜，行螺旋CT掃描并獲取影像信息，掃描層厚5 mm，層距5 mm，掃描范圍上界在膈頂上3 cm左右，下界在腰3椎體下緣并包全腎臟。定位過程中囑病人應用淺呼吸技術進行呼吸訓練，平靜狀態(tài)下以腹式呼吸為主[4]。

1.3.2 計劃制定及驗證

按病情資料勾畫出靶區(qū)、需要保護的重要器官及正常組織，設置劑量限定，制定治療計劃并應用模體進行計劃驗證。

1.3.3 治療擺位及MVCT配準

按照定位時體位及呼吸訓練的要求進行擺位，要求兩側肋弓、髂骨等骨性標志與膜體吻合。運用HT系統(tǒng)的MVCT獲取患者影像信息，掃描部位應包括肝臟、椎骨，腎臟、胃、部分腸腔等。運用MVCT影像與TPS數字重建影像（Digital Reconstruction Radiograph，DRR）進行兩次配準，配準原則分別為以肝區(qū)病變和肝臟為參考，以及以骨性標志物及其他非運動型軟組織為參考。記錄兩次配準中的6個擺位參數：平移誤差IEC X（LR，左右方向）、Y（SI，頭腳方向）、Z（AP，前后方向），旋轉誤差PITCH（頭腳方向傾斜值）、ROLL（身體長軸旋轉值）、YAW（身體水平方向旋轉值），將兩次配準數值相應項相減，得到定位影像與復位影像的呼吸相位差，結果取絕對值（不考慮方向因素）。對數據進行分析，包括最大值、最小值、單組平均值、單因素方差以及全組平均值，其中最大值、最小值反映了本研究中的極限數據，單組平均值和單因素方差反映了同一患者擺位配準時的平均呼吸動度及不同患者呼吸動度之間的差異性，全組平均值則體現(xiàn)了患者在治療中整體的呼吸運動幅度水平。

1.4 統(tǒng)計學分析

使用SPSS 17.0進行統(tǒng)計學分析，統(tǒng)計36例患者每次治療前的MVCT配準數值并進行單因素方差分析，以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 MVCT配準

36例肝臟腫瘤患者共行768次治療前MVCT掃描，每次掃描后進行兩次配準，即分別以肝臟和肝區(qū)病變，以及骨性標志物和非運動軟組織為參考，得到相應配準數值。治療前MVCT配準示例，見圖1。

圖1 治療前MVCT配準示例圖

2.2 最大值及最小值

IEC X、Y、Z，PITCH、ROLL及YAW 6個方向上的最大及最小配準平移、旋轉差值結果，見表1。其中，Y（SI，頭腳）方向上最大值為26.70 mm，Z（AP，前后）方向上最大值為11.30 mm，表明此時MVCT影像與DRR影像的呼吸相位差異較大。

表1 最大及最小平移旋轉差值結果

2.3 個體平均值及組間單因素方差

36例患者配準平移及旋轉差值個體平均值結果，見圖2。由圖可知，患者肝區(qū)病變運動主要以IEC Y、Z方向為主。組間單因素方差分析X、Y和Z方向上P值均大于0.05，表明各患者間呼吸相位差異在各方向上均無統(tǒng)計學意義，但其中Y方向F值相比于X、Z方向數值較大，說明Y方向呼吸相位差異較其余兩個方向更為明顯（表2）。

圖2 MVCT配準平移及旋轉差值個體平均值結果

表2 組間單因素方差分析結果

2.4 全組平均值

全組整體平移差值較大，旋轉差值較小，其中Y方向平均值超過10 mm（表3）。

表3 全組平移及旋轉差值平均值結果

3 討論

目前調強放射治療技術的質量保證和安全性尚存在不足，在臨床放射治療過程中可能會有高劑量區(qū)偏離靶區(qū)的情況發(fā)生，有時甚至會使高劑量區(qū)落在需要保護的器官內，因此病人的體位驗證和影像引導技術是放射治療的重要環(huán)節(jié)[5]。螺旋斷層放療系統(tǒng)具備螺旋斷層成像技術，能夠對病灶進行精準定位[6]，成像源和治療源完全相同[7]，成像精度和照射精度可達到±0.1 mm，可避免成像和治療的偏差問題[8]。治療前進行影像引導及體位修正，可提高患者擺位精度，從而使照射準確無誤地按照放療計劃實施。

肝臟位置受呼吸運動影響較大，在呼吸運動過程中，肝臟的位移幅度和形變差異很難估量，給臨床靶區(qū)的界定和治療誤差帶來了不確定性[9]。另外，由于其周圍組織結構（如十二指腸、空腸及回腸等）對于放射線耐受劑量的限制，臨床上常需要更為精確的放療技術比如影像引導放射治療[10]以盡量減小呼吸運動對肝臟的影響。臨床上常采用呼吸門控、主動呼吸控制技術以及呼吸訓練等多種措施來控制呼吸運動對肝部腫瘤放療的影響，這些措施涵蓋了肝部腫瘤放療從靶區(qū)確定到治療評估的每個環(huán)節(jié)[11]。目前由于螺旋斷層放療系統(tǒng)實現(xiàn)呼吸門控、主動呼吸控制等技術存在困難，故臨床上常采取對患者進行呼吸訓練的方法來實現(xiàn)精確定位與治療。

本研究通過對36例行螺旋斷層放療的肝臟腫瘤患者的擺位驗證以及配準數據進行分析，發(fā)現(xiàn)平靜呼吸狀態(tài)下MVCT影像與定位影像之間存在著較為顯著的呼吸相位差異，并主要體現(xiàn)在Y與Z方向上，Y方向平均值達到10.64 mm，個體最大值為26.70 mm；Z方向平均值達到4.57 mm，個體最大值為11.30 mm。此數值并非平靜呼吸狀態(tài)下的肝臟呼吸動度范圍，而是兩種影像系列之間的相位差異，但它能反應出患者在治療時的呼吸狀態(tài)，研究的部分數值也與其他文獻報道相近[3]。在影像配準過程中，應以骨性及其他非運動型軟組織標志為準，肝區(qū)病變?yōu)檩o，綜合考慮配準過程中病灶和靶區(qū)的一致性，以減少呼吸運動對肝臟腫瘤放療的影響。由于計劃靶區(qū)已考慮平靜呼吸狀態(tài)下的運動因素，所以臨床上所能接受的配準標準是MVCT影像靶區(qū)未脫離計劃靶區(qū)輪廓線，當配準差值大于靶區(qū)外放范圍時，考慮為患者呼吸未達理想狀態(tài)，此時不宜進行治療，應重新對患者進行呼吸訓練及影像配準。

綜上所述，對行螺旋斷層放療的肝臟腫瘤患者進行正確合理的MVCT影像引導，可即時觀察患者的呼吸狀態(tài)，有效減少因器官運動和擺位誤差引起的劑量偏差，最大程度地保護正常組織，對于保證患者的醫(yī)療質量具有重要的臨床意義。

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Research on Imaging Guidance in Helical Tomotherapy for Liver Carcinoma

HE Jian-jun, TIAN Xiao-yun, LIU Hai, HUANG Dong, LIU Jie, HAN Cheng-long
Department of Radiation Oncology, the 81stHospital of PLA, Nanjing Jiangsu 210002, China

Objective To analyze the clinical effectiveness of the respiratory movement in liver carcinoma patients by using the image guidance in HT（Helical Tomotherapy）w ith MVCT（M ega-Voltage Computerized Tomography）.Methods A ltogether 36 patients w ith primary or metastatic liver cancers were random ly selected and then underwent MVCT scans in the calm and shallow breathing state and DDR（Digital Reconstruction Radiograph）registration in the TPS（Treatment Planning Systems）tw ice, respectively taking the liver and liver lesions as well as the osseous markers and non-movement soft tissue as the references for registration, so as to acquire the respiratory mobility information of patients and analyze the registration principle and method.Resu lts A ll the 36 patients were scanned by using MVCT for 768 times.The average phase error of respiratory mobility for all the patients in X, Y and Z were（3.05±0.5）mm（max for individual patients：6.60 mm）,（10.64±2.34）mm（max for individual patients：26.70 mm）and（4.57±0.90）mm（max for individual patients：11.30 mm）, respectively, w ithout statistically signi fi cant differences.Conclusion Liver cancer patients were greatly affected by respiratory movement registration errors.The respiratory training was necessary for patients in placement, in order to reduce the in fl uence of respiratory movement on liver tumor radiotherapy.Meanwhile, the osseous markers and non-movement soft tissue shall be taken as the reference for registration.In case that the registration error ＞the range of target area, respiratory training and imaging registration should be considered for patients again.

nasopharyngeal carcinoma；helical tomotherapy；imaging guidance；image registration

TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.12.034

1674-1633（2015）12-0112-03

2015-07-22

劉海，高級工程師。

通訊作者郵箱：crazy fi scher@gmail.com