iSCOUT圖像引導定位技術(shù)在肺癌調(diào)強放療中的臨床應用

屈超 梁廣立 劉桂芝 李春胤

天津醫(yī)科大學腫瘤醫(yī)院放射治療科，國家腫瘤臨床醫(yī)學研究中心，天津市腫瘤防治重點實驗室，天津市惡性腫瘤臨床醫(yī)學研究中心（天津300060）

肺癌是最常見的惡性腫瘤之一，其發(fā)病率和死亡率均居世界首位[1]，男性明顯多于女性。肺癌主要是由環(huán)境因素引起的疾病，80%～90%的肺癌與直接或被動吸煙、室內(nèi)、室外空氣污染、職業(yè)性因素及易感因素有關(guān)。尤其在霧霾高發(fā)地區(qū)，發(fā)病率逐年上升，如何有效治療肺癌受到廣泛關(guān)注。

據(jù)統(tǒng)計，在肺癌的臨床診斷中，僅20%的患者能進行根治性手術(shù)切除[2]。肺癌的傳統(tǒng)治療手段包括手術(shù)治療、放化療等，其中手術(shù)治療具有一定的局限性，多適用于肺癌初期患者，且手術(shù)治療效果不理想，5年生存率僅為16%左右[3]，對晚期肺癌臨床多采用放化療的方式進行治療[4]。近年來，圖像引導放射治療（Image Guided Radiotherapy，IGRT）技術(shù)不斷發(fā)展，使放療定位更加精確，IGRT可以減少治療過程中的擺位誤差，增加靶區(qū)照射劑量，減少周圍正常組織的劑量，從而優(yōu)化腫瘤控制率，顯著提高患者的生存質(zhì)量[5-7]。IGRT放療時常規(guī)采用錐形束CT（cone beam CT，CBCT）實現(xiàn)圖像引導放療并在線校正擺位誤差，CBCT在線掃描系統(tǒng)是一套醫(yī)用直線加速器原廠自帶的裝置，它是評判放療擺位誤差的金標準。通過在線掃描校正技術(shù)可以在治療過程中采集圖像，引導實時放療，從而糾正患者的擺位誤差，并輔助后續(xù)放療計劃的調(diào)整，以保證放療的準確性。在線掃描收集到的圖像信號用于指導并將照射劑量傳遞到靶區(qū)，最終提高肺癌患者的局部控制率和長期生存率[8-10]。在大多數(shù)的肺癌患者IGRT掃描時，CBCT可以提供足夠清晰的圖像質(zhì)量，為肺癌患者提供準確的腫瘤定位[11]。然而鑒于成本因素，僅一些高配的直線加速器自帶CBCT在線掃描系統(tǒng)，對于未裝配在線掃描系統(tǒng)的直線加速器，如何校正擺位誤差，一直是放療從業(yè)者們較為關(guān)心的問題。

隨著科技的進步，越來越多的配套圖像引導定位系統(tǒng)陸續(xù)推廣上市。本研究采用VARIANTrilogy醫(yī)用電子直線加速器，其本身自帶CBCT在線掃描裝置，科室在此基礎(chǔ)上又加裝了江蘇瑞爾公司生產(chǎn)的影像追蹤（image scout，iSCOUT）圖像引導定位系統(tǒng)，該加速器同時配備有兩套圖像引導系統(tǒng)，具備在一次放療擺位后同步實施CBCT掃描和（或）iSCOUT掃描的優(yōu)勢，為放療醫(yī)師提供多種選擇。

本研究遴選75例符合入組條件的患者，在對每例患者進行首次放療時，在擺位后放療前對其先行CBCT掃描，再行iSCOUT掃描。將CBCT組和iSCOUT組掃描的影像分別和CT定位重建的DRR影像進行配準，從而實現(xiàn)在同一次放療擺位后，同時得到兩套掃描裝置分別計算出的擺位誤差。以CBCT組計算的擺位誤差結(jié)果作為金標準，評判iSCOUT組計算的擺位誤差和金標準之間的差異性和一致性，在臨床應用中檢驗iSCOUT圖像引導定位技術(shù)在肺癌調(diào)強放療中計算的擺位誤差精度。同時，本研究對比兩組的準備時間、曝光時間、配準時間、定位總時間等指標，多角度分析iSCOUT系統(tǒng)的性能，為肺癌IGRT放療時提供一定的參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料選擇2018年1月18日至2019年4月22日在天津市腫瘤醫(yī)院放療科接受調(diào)強放療的75例肺癌患者。男54例，女21例，年齡54～72歲，中位年齡65歲，均為單側(cè)病灶。病理分型為非小細胞肺癌66例，小細胞肺癌9例。左肺42例，右肺33例。腫瘤靶體積為45.27～141.39 cm3（中位數(shù)73.59 cm3）。所有患者均經(jīng)過病史、查體、輔助檢查和病理診斷確診為肺瘤。以隆突脊橫斷面為界將雙肺分為上肺和下肺（肺根據(jù)骨性標志在第2、4前肋下緣分為上中下肺，但此種分法在橫斷面觀察不方便）[12]，上、下肺患者分別為42、33例。所有患者KPS評分均≥70分，并且有較好的自控力和依從性。

1.2 機器設備及材料VARIAN-Trilogy醫(yī)用電子直線加速器、錐形束CT掃描系統(tǒng)、iSCOUT圖像引導定位系統(tǒng)、Medtec體架、熱塑體模。

1.3 定位時間準備時間、曝光時間、配準時間和定位總時間。

1.3.1 CBCT準備階段對于CBCT，準備階段是指從更換HALF FAN限光桶開始，打開OBI操作面板開關(guān)，進入軟件點擊3D-Match，掃描模式選擇“Thorax”，掃描層厚選2 mm，掃描矩陣選512×512，控制機械臂完全展開，機架轉(zhuǎn)至182°起始掃描位置，此段耗時稱為“準備時間（T1）”；曝光階段是指機架從182°開始，一邊旋轉(zhuǎn)一邊曝光，直至178°曝光停止，此段耗時稱為“曝光時間（T2）”；配準階段是指曝光結(jié)束后，收回機械臂，系統(tǒng)自動得出橫斷位、矢狀位和冠狀位的圖像，技師會同醫(yī)師在感興趣區(qū)（ROI）選擇靶區(qū)周圍明顯的的骨性結(jié)構(gòu)，先進行自動配準，在自動配準的基礎(chǔ)上再進行手動微調(diào)，最終確定配準的結(jié)果，此段耗時稱為“配準時間（T3）”；“定位總時間（T4）”=準備時間（T1）+曝光時間（T2）+配準時間（T3）。

1.3.2 iSCOUT準備階段對于iSCOUT，準備階段是指從打開供電柜和控制器面板開關(guān)開始，進入軟件?？刂破鲉蛹s2 min后，進入系統(tǒng)點擊initialize初始化，硬件系統(tǒng)提示信息由Unknown變?yōu)镹ormal即初始化完成。若是新患者第1次掃描，需生成DRR圖像（從第2次掃描開始，無需再執(zhí)行該操作）。點擊Positioning按鈕進入曝光操作界面，在確定患者信息和曝光參數(shù)正確之后，等候曝光開始，此段耗時稱為“準備時間（T1）”；曝光階段是指點完P(guān)osition按鈕之后，聽到一聲短暫蜂鳴音，此段耗時稱為“曝光時間（T2）”，曝光時兩個球管同時工作，且無需轉(zhuǎn)動球管，一次曝光即可獲得正交位置的兩幅平片影像；配準階段是指曝光完成后得到兩幅正交位置的平片影像，系統(tǒng)自動選取靶區(qū)周圍明顯的骨性標志如頭骨、盆骨或椎體等作為配準的感興趣區(qū)，依據(jù)DRR影像和實時影像電腦可以自動計算出擺位誤差，在此基礎(chǔ)上，技師會同醫(yī)師核對圖像配比的準確性，手動微調(diào)直至完全配比成功，最終確定配準結(jié)果，此段耗時稱為“配準時間（T3）”；“定位總時間（T4）”解釋同CBCT。CBCT和iSCOUT工作界面見圖1。

圖1 CBCT掃描（左）和iSCOUT（右）掃描的工作界面Fig.1 Working interface of CBCT scan（left）and iscout scan（right）

1.4 計算公式根據(jù)公式MPTV=2Σ±0.7σ可以計算得到PTV的外放值，其中Σ代表系統(tǒng)誤差，即所有患者平均誤差的標準差，σ代表隨機誤差，即所有患者標準差的均方根[13]。RL為左右方向，SI為頭腳方向，AP為腹背方向。本研究只涉及3個軸向的平移誤差，不包含旋轉(zhuǎn)誤差。

1.5 統(tǒng)計學方法采用SPSS 18.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，對計數(shù)資料行χ2檢驗，計量資料行配對樣本t檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。兩組數(shù)據(jù)的一致性分析采用kappa檢驗，kappa計算結(jié)果可分為五組來表示不同級別的一致性：（0.0～0.2）代表極低的一致性、（0.21～0.40）代表一般的一致性、（0.41～0.60）代表中等的一致性、（0.61～0.80）代表高度的一致性，（0.81～1）代表幾乎完全一致[14]。

2 結(jié)果

2.1 擺位誤差75例患者共接受了75次的CBCT掃描和75次的iSCOUT掃描，CBCT掃描在RL、SI、AP方向的擺位誤差分別是（-2.25±3.84）、（0.14±5.78）、（2.95 ± 4.19）mm；iSCOUT掃描在RL、SI、AP方向的擺位誤差分別是（-2.29±3.88）、（0.17±5.77）、（3.01± 4.20）mm。兩組掃描方式在3個軸向上的差異均不具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。見表1。

2.2 一致性分析將擺位誤差分為3個區(qū)間（≤3 mm）、（≤5 mm& ＞ 3 mm）、（＞ 5 mm），對兩種掃描模式下計算的三個軸向上擺位誤差行kappa一致性分析，在 RL、SI、AP 方向上，k值分別為 0.80、0.74、0.90，兩組掃描方式在RL、SI方向上滿足高度一致性，在AP方向上達到近乎完全一致。見表2。

表1 不同軸向上的平移誤差Tab.1 Translation errors in different axes±s

表1 不同軸向上的平移誤差Tab.1 Translation errors in different axes±s

次數(shù)75 75組別CBCT組iSCOUT組t值P值平移誤差（mm）RL方向-2.25±3.84-2.29±3.88-0.47 0.64 SI方向0.14±5.78 0.17±5.77 1.15 0.25 AP方向2.95±4.19 3.01±4.20 0.94 0.35

表2 3個軸向上擺位誤差的kappa一致性分析Tab.2 Kappa consistency analysis of three axial up positioning errors 例

2.3 定位時間兩組掃描方式在準備時間、曝光時間、配準時間、定位總時間的對比中，差異均具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。CBCT掃描準備時間用時較短，占優(yōu)，但在曝光時間、配準時間和定位總時間的對比中，iSCOUT掃描優(yōu)勢明顯。見表3。

表3 兩組的準備時間、曝光時間、配準時間和定位總時間Tab.3 Preparation time,exposure time,registration time and total positioning time of the two groups ±s

表3 兩組的準備時間、曝光時間、配準時間和定位總時間Tab.3 Preparation time,exposure time,registration time and total positioning time of the two groups ±s

組別CBCT組iSCOUT組t值P值次數(shù)75 75準備時間T1（s）76.33±8.52 135.56±6.68-47.38＜0.05曝光時間T2（s）66.41±1.01 1.13±0.03 559.49＜0.05配準時間 T3（s）81.21±7.55 65.32±6.63 13.69＜0.05定位總時間T4（s）254.36±4.56 203.75±3.78 73.99＜0.05

2.4 MPTV值在上肺，CBCT掃描在RL、SI、AP方向上的MPTV值分別是7.04、10.45、8.02 mm，iSCOUT掃描則是7.14、10.63、8.11 mm。在下肺，CBCT掃描在RL、SI、AP方向上的MPTV值分別是8.23、11.92、9.20 mm，iSCOUT 掃 描 則 是 8.06、11.89、9.26 mm。見表4。

表4 兩組的CTV外放PTV的MPTV值比較Tab.4 Comparison ofMPTVvalues mm

3 討論

調(diào)強放療是一種高精度放療，它能實現(xiàn)靶區(qū)內(nèi)部和表面劑量處處相等，因此提高擺位的精準度至關(guān)重要。圖像引導放療是一個自我反饋、自我修正的動態(tài)閉環(huán)系統(tǒng)，利用CBCT獲取三維方向上平移及旋轉(zhuǎn)的圖像信息并進行匹配而得到擺位誤差，并通過六維床的適時調(diào)整減小靶區(qū)誤差，使得實際照射情況接近理想的計劃狀態(tài)，提高患者療效及生活質(zhì)量，有助于改進三維調(diào)強放射治療的精度，為個體化精確放療提供依據(jù)[15]。為了降低擺位誤差，提高肺癌調(diào)強放療的效果，本科室常規(guī)采用Medtec胸腹網(wǎng)體架配合熱塑體模，擺位后、治療前行在線校正掃描。

江蘇瑞爾公司生產(chǎn)的iSCOUT圖像引導放療定位系統(tǒng)，產(chǎn)品與直線加速器無機械、無電氣對接，iSCOUT系統(tǒng)能實現(xiàn)定位中心與直線加速器系統(tǒng)等中心的校準對接；與治療計劃系統(tǒng)的DICOM RT對接；與直線加速器系統(tǒng)治療床的通訊對接。產(chǎn)品采用kV級X射線立體平面成像技術(shù)，通過軟件控制兩組對稱于定位中心點的X射線成像單元，獲得兩個方向的X射線投影圖像，利用患者內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的圖像特征，進行X射線圖像和CT圖像的二維-三維圖像配準，對患者進行擺位驗證。產(chǎn)品與放療設備組合使用，探測、糾正患者擺位誤差。

對比兩組在RL、SI和AP方向的平移誤差，差異無統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；兩組在RL、SI軸向上計算的擺位誤差具有高度的一致性（k=0.80、0.74），在AP方向上（k=0.90）達到近乎完全一致。這充分說明iSCOUT圖像引導定位系統(tǒng)產(chǎn)品成熟可靠，測量精度十分地接近CBCT在線掃描系統(tǒng)。

iSCOUT組曝光時間、配準時間和定位總時間均優(yōu)于CBCT組。iSCOUT組曝光時間極短，約1～2 s，一次曝光僅相當于同時對患者拍攝了兩張DR胸片；CBCT組曝光時間較長，平均用時接近一分鐘，患者實為接受了一次較高劑量的胸部CT掃描。宋鑫等[16]研究表明，常規(guī)胸部CT輻射劑量為（0.856±0.435）mSv，常規(guī)DR胸片輻射劑量為（0.154±0.054）mSv，二者差異有統(tǒng)計學意義。從定位總時間較短和降低患者受照劑量這兩個角度分析，iSCOUT圖像引導定位系統(tǒng)優(yōu)勢明顯。但是，iSCOUT組的準備時間長于CBCT組，分析原因可能是：（1）iSCOUT系統(tǒng)硬件啟動時間稍長；（2）本研究75例患者均為第一次放療時即采集圖像，因iSCOUT系統(tǒng)要求第一次掃描時必須手動點擊生成DRR圖像（從第二次掃描開始，無需再執(zhí)行該操作），故占用了部分操作時間。

本研究計算得到，下肺的外擴值稍大于上肺，這和下肺部緊鄰心臟和膈肌，呼吸動度較大有直接的關(guān)系。LI等[17]研究表明，肺癌患者放療時，使用可變形圖像配準算法的CBCT可以在線測量和糾正擺位誤差，提高放療的準確性，其計算得到的MPTV推薦值在X、Y、Z方向分別為0.82、1.15、0.72 cm；張西志等[18]計算得出肺癌靶區(qū)的臨床外放邊界在左右（X）、頭腳（Y）、垂直（Z）等3個方向上分別是0.78、1.12、0.68 cm，上述研究均與本述研究結(jié)果近似，為今后治療計劃優(yōu)化提供參考。

綜上所述，肺癌調(diào)強放療時，采用iSCOUT圖像引導定位技術(shù)計算的擺位誤差精度十分接近CBCT在線校正技術(shù)。對于沒有裝配CBCT掃描的直線加速器，iSCOUT掃描是一種值得推薦的圖像引導定位技術(shù)，iSCOUT圖像引導定位技術(shù)可以縮短定位時間，降低患者受照劑量，降低擺位誤差，提高放療效果。