錐形束CT在癌癥放療中的應(yīng)用進(jìn)展

王巍，劉冉生，張愛旭，袁智勇

（天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院·國(guó)家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心·天津市腫瘤防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300060）

·綜述·

錐形束CT在癌癥放療中的應(yīng)用進(jìn)展

王巍，劉冉生，張愛旭，袁智勇

（天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院·國(guó)家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心·天津市腫瘤防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300060）

以錐形束CT（CBCT）為代表的在線容積成像技術(shù)可以通過多種途徑明確、跟蹤靶區(qū)，從而有效實(shí)現(xiàn)癌癥精確放療。尤其基于骨形特征分段CBCT掃描可明顯提高癌癥放療擺位的準(zhǔn)確性。本文對(duì)CBCT在癌癥放療中的應(yīng)用及基于骨形特征分段CBCT掃描的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行闡述。

錐形束CT；癌癥；放射療法

癌癥放療的目標(biāo)為最大程度提高腫瘤組織的照射劑量并降低正常組織的照射劑量［1］。采用癌癥放療技術(shù)有助于在癌癥周圍形成一個(gè)所需的高劑量梯度改變，呈“山峰”狀的照射劑量分布，高劑量區(qū)域圍繞著腫瘤組織，而低劑量區(qū)域則圍繞著正常組織，從而提高癌癥放療精準(zhǔn)度，并使照射劑量完全適合靶區(qū)形狀［2，3］。但在實(shí)際放療期間，腫瘤組織與正常組織部位與形態(tài)不同程度的改變、放療耐受程度、患者體質(zhì)量改變與腫瘤縮小等因素均影響癌癥放療療效［4］。而錐形束CT（CBCT）掃描可提高放療擺位的準(zhǔn)確性，對(duì)其進(jìn)行深入探討，對(duì)提高放療位置準(zhǔn)確性具有重要意義。

1　CBCT成像原理及在癌癥放療中的優(yōu)點(diǎn)

1.1CBCT成像原理 CBCT機(jī)在對(duì)圖像進(jìn)行采集時(shí)，X線以錐形束方式發(fā)出，并緊緊圍繞掃描感興趣區(qū)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過人體相關(guān)組織后投照到傳感器上，傳感器轉(zhuǎn)換接收到的信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。

CBCT機(jī)采用的掃描方式并不相同，由連續(xù)拍照、脈沖式掃描之分，其中連續(xù)拍照時(shí)，X線球管實(shí)際曝光時(shí)間與掃描時(shí)間相當(dāng)；而脈沖式掃描時(shí)X線球管實(shí)際曝光時(shí)間則遠(yuǎn)沒有掃描時(shí)間長(zhǎng)。另外，X線影像傳感器有非平板型、平板型之分。兩種類型的傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中，非平板型的傳感器具有成像快、X線轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)；而缺點(diǎn)為幾何失真概率大、噪音相對(duì)較大。平板型傳感器影像較清晰、幾何失真概率小，而且具有較高的空間分辨率等；而缺點(diǎn)主要為出現(xiàn)壞點(diǎn)、偽影的概率較大。與傳統(tǒng)成像技術(shù)相比，CBCT優(yōu)點(diǎn)明顯，因此被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其近年來將其應(yīng)用在放療中，進(jìn)一步提高了放療精確度，提高放療效果，避免人體正常組織受到傷害。

1.2CBCT在癌癥放療中的優(yōu)點(diǎn) 理論上，影像引導(dǎo)放療（IGRT）有助于提高癌癥放療擺位準(zhǔn)確性［5，6］，其中以CBCT為代表的在線容積成像技術(shù)通過多種途徑以明確、跟蹤靶區(qū)并引導(dǎo)癌癥放療，從而顯著改善癌癥放療擺位準(zhǔn)確性［7］。CBCT具有開放式架構(gòu)、輕重量與小體積等特征可直接整合至直線加速器上。機(jī)架旋轉(zhuǎn)1周方可采集與重建體積范圍內(nèi)的CT成像，通過配準(zhǔn)比較體積范圍內(nèi)的CT成像重建后三維患者模型與放療方案的患者模型，從而采集癌癥放療需要調(diào)節(jié)的參數(shù)［8］。相關(guān)文獻(xiàn)證實(shí)，CBCT的空間分辨率與密度分辨率均明顯高于常規(guī)CT［9］。因此，CBCT引導(dǎo)放療在癌癥的臨床治療中具有更高的價(jià)值。CBCT的射線利用效率較高，接受照射治療劑量較少，可作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段，且CBCT具有X線透視、X線攝片與容積成像等多種功能，是目前IGRT的應(yīng)用熱點(diǎn)［10］。

CBCT要求指導(dǎo)癌癥放療擺位準(zhǔn)確性的配準(zhǔn)算法要有較快的速度。目前，系統(tǒng)中自動(dòng)配準(zhǔn)算法主要是基于骨形特征分段，其精確度主要依賴于骨形特征提取的準(zhǔn)確性，但由于放療過程器官變形與器官運(yùn)動(dòng)等多種因素，導(dǎo)致腫瘤的骨形位置的改變，且對(duì)于盆腔中不含骨組織的區(qū)域難以進(jìn)行骨形特征分段［11］?；诨叶然バ畔⒎ㄔ诙嗄B(tài)醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)算法中具有重要的意義，但這種全自動(dòng)配準(zhǔn)算法存在魯棒性、數(shù)據(jù)量龐大等缺陷［12］?；诠切翁卣鞣侄蜟BCT通過將兩個(gè)待配準(zhǔn)CT圖像實(shí)行金字塔分解，采集不同分辨率圖像［13］。同時(shí)，基于骨形特征分段CBCT通過減少圖像尺寸從而在一定程度上改善配準(zhǔn)算法的收斂速度?；诠切翁卣鞣侄蜟BCT的金字塔分解還可通過平滑濾波，在一定程度上改善局部極值與局部搜索配準(zhǔn)算法收斂的問題，從而改善配準(zhǔn)算法的魯棒性與精確度［14］?；诨叶然バ畔⒎ǖ娜S醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)中存在配準(zhǔn)速度緩慢、配準(zhǔn)運(yùn)算量較大等局限性，同時(shí)通過直接基于全局的像素進(jìn)行配準(zhǔn)容易發(fā)生誤差。多分辨率配準(zhǔn)算法通過有效提高配準(zhǔn)速度，使計(jì)劃CT結(jié)果與實(shí)際CBCT圖像配準(zhǔn)結(jié)果相一致，有效實(shí)現(xiàn)癌癥精確放療［15］。

CBCT根據(jù)不同的輻射源，分為KV-CBCT與MV-CBCT。與常規(guī)KV級(jí)扇形CT（KV-FBCT）成像原理比較，CBCT采用窄束成像，通過床移動(dòng)與機(jī)架旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)CBCT掃描。CBCT掃描探測(cè)器信號(hào)主要由透過組織的原射線組成，具有精準(zhǔn)反應(yīng)人體組織中的真實(shí)信號(hào)、電子密度與CT值，并呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。放療計(jì)劃系統(tǒng)通過校正電子密度，并直接測(cè)定劑量分布情況。CBCT通過寬束成像，不需要移動(dòng)床，探測(cè)器信號(hào)不僅包括原射線且包括通過其他組織的散射線。采用CBCT三維圖像信息與計(jì)劃CBCT圖像進(jìn)行融金，校正癌癥放療擺位準(zhǔn)確性，采用拉弧照射模式，脈沖劑量率0.02～0.08 MU／幀，加速器設(shè)置為X線6MV，采用觸發(fā)式圖像采集模式，以采集高信噪比無脈沖偽影圖像［16］。采用CBCT實(shí)施在線校正癌癥放療擺位，CBCT的X線源與治療束同源，與加速器的結(jié)合較為簡(jiǎn)便，方便維護(hù)，成本低廉，并可作為劑量分布監(jiān)測(cè)設(shè)備［17］。

2　基于骨形特征分段CBCT掃描特點(diǎn)及操作

2.1特點(diǎn) 基于骨形特征分段CBCT掃描可降低癌癥放療擺位誤差。在每個(gè)分次放療期間，癌癥放療擺位后采集二維圖像信息或三維圖像信息，通過比較參考圖像，提高擺位準(zhǔn)確性，再實(shí)施癌癥放療，以降低癌癥放療擺位誤差［18］。癌癥放療擺位誤差主要由隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差，隨機(jī)誤差主要由技術(shù)操作人員的擺位技術(shù)、人體生理性運(yùn)動(dòng)與人體不自主運(yùn)動(dòng)等不確定因素導(dǎo)致［19］；系統(tǒng)誤差主要由光距尺誤差、激光燈誤差、加速器精度與CT模擬機(jī)精度等因素導(dǎo)致［20］。理論上，基于骨形特征分段CBCT掃描引導(dǎo)放療可糾正隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差，但考慮到加速器、CT模擬機(jī)等設(shè)備精度，癌癥患者體質(zhì)量改變、體位改變等因素影響，基于骨形特征分段CBCT掃描仍存在一定程度的擺位誤差［21］。因此，進(jìn)行基于骨形特征分段CBCT掃描時(shí)，在保證靶區(qū)不被漏照的前提下明確靶區(qū)的外放邊界，可較好地控制癌癥放療誤差。

同時(shí)，基于骨形特征分段CBCT掃描圖像引導(dǎo)的電子直線加速器，機(jī)架一次性旋轉(zhuǎn)可采集容積顯像，重建1～5 mm圖像，層厚增減最小單位為0.5 mm，成像數(shù)據(jù)采集時(shí)間較短，成像掃描時(shí)間與成像重建時(shí)間僅為2 min。同時(shí)，基于骨形特征分段CBCT掃描成像有HALFFAN體部與FULLFAN頭部?jī)煞N模式，其中Y軸（頭腳方向）體部14 cm，頭部17 cm［22］。三維容積成像是基于骨形特征分段CBCT掃描成像的主要功能之一，通過治療前基于骨形特征分段CBCT掃描，與計(jì)劃CT配準(zhǔn)算法分析，有效糾正擺位誤差，提高癌癥放療擺位準(zhǔn)確性。2.2 操作 ①模擬定位與制定放療方案。采用大孔徑定位基于骨形特征分段CBCT掃描，于平面CT床上，根據(jù)患者的癌癥放療要求進(jìn)行擺位與固定體位，按照放療方案的要求增強(qiáng)掃描相應(yīng)部位，掃描范圍要求比常規(guī)CT檢查的范圍大，腫瘤區(qū)域?qū)雍裨O(shè)置為1～3 mm，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將CT成像數(shù)據(jù)傳輸至放療計(jì)劃系統(tǒng)，制定放療方案［23］。②校正癌癥放療擺位準(zhǔn)確性。分次放療前，采用定位熱塑面模將患者固定，采用三維激光燈擺位。機(jī)架360°旋轉(zhuǎn)掃描，重建采集基于骨形特征分段CBCT掃描成像，后者與計(jì)劃CT成像進(jìn)行配準(zhǔn)，分別記錄左右（X）軸，前后（Z）軸與頭腳（Y）軸方向上的平移矢量［24］。參照矢量數(shù)據(jù)調(diào)整治療床位置，并實(shí)施放療。每次基于骨形特征分段CBCT掃描時(shí)間約為1 min，掃描范圍為Y軸：體部14 cm，頭部17 cm，以等中心點(diǎn)作為掃描中心，成像分辨率調(diào)節(jié)為512× 512，重建層厚設(shè)置為3 mm，以達(dá)到精確放療的目的，提高癌癥放療擺位準(zhǔn)確性。③掃描精度的提升。CBCT系統(tǒng)要求指導(dǎo)癌癥放療擺位的配準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)快速度。目前自動(dòng)配準(zhǔn)算法主要為基于骨形特征分段，其精確度主要依賴于提取骨形特征的準(zhǔn)確度。多分辨策略用于基于骨形特征分段CBCT掃描中可有效優(yōu)化配準(zhǔn)過程，同時(shí)有效避免局部極值，提高配準(zhǔn)算法的準(zhǔn)確度。相關(guān)文獻(xiàn)證實(shí)，直接抽取搭式結(jié)構(gòu)的多分辨率策略與高斯金字塔式的多分辨率策略相比，直接抽取搭式結(jié)構(gòu)的多分辨率策略有助于減少配準(zhǔn)算法所需時(shí)間，且改善魯棒性；而高斯金字塔式的多分辨率策略具有較高的精確度［25］。臨床常規(guī)根據(jù)多分辨率策略，將實(shí)際三維體數(shù)據(jù)應(yīng)用于配準(zhǔn)算法試驗(yàn)中，基于骨形特征分段CBCT掃描重建的三維患者模型與放療方案中的患者模型進(jìn)行配準(zhǔn)算法試驗(yàn)，用于提高癌癥放療擺位的準(zhǔn)確性［26］。同時(shí)，基于骨形特征分段CBCT掃描使腫瘤成像與計(jì)劃CT中醫(yī)師勾勒腫瘤空間位置配準(zhǔn)，進(jìn)一步為精確放療奠定基礎(chǔ)，并改善癌癥放療擺位的準(zhǔn)確性?？傊?，CBCT在癌癥放療中的應(yīng)用，進(jìn)一步提高放療精度，為提高放療質(zhì)量奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而基于骨形特征分段CBCT掃描通過有效糾正癌癥放療擺位誤差，提高擺位準(zhǔn)確性，以實(shí)現(xiàn)精確放療的目的。因此，在臨床實(shí)踐中應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到基于骨形特征分段CBCT掃描價(jià)值，結(jié)合癌癥患者實(shí)際情況，加以推廣與應(yīng)用。

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（2016-03-29）