基于錐形束CT的骨性自動配準(zhǔn)、灰度自動配準(zhǔn)在不同部位食管癌放療中的擺位誤差偏移差值比較

吳承駿，孫凌飛，溫翠俠，殷海濤，任洪榮，丁紀(jì)，阮曉博

徐州市中心醫(yī)院放療科，江蘇徐州221000

食管癌是我國較為常見的惡性腫瘤，發(fā)病率及死亡率均排在前十位［1］。放射治療作為食管癌綜合治療中至關(guān)重要的方式，每次治療時的精確度至關(guān)重要，這其中，擺位誤差的控制尤為關(guān)鍵［2］。錐形束CT（CBCT）是一種放療在線成像工具，可反映治療時的位置情況，提供患者治療位置的信息［3］。研究［4-5］顯示，瓦里安Truebeam 直線加速器系統(tǒng)集成的KV 級CBCT 影像系統(tǒng)，可以實(shí)時獲取患者在治療床上的一系列位置信息，通過與放療計(jì)劃設(shè)計(jì)時的定位CT 相比較，可以獲得兩者位置上的差異，通過糾正擺位誤差，達(dá)到提高放療精確度的目的。在圖像對比時需要進(jìn)行配準(zhǔn)，指的是對同一觀察對象在不同方式下獲得的圖像進(jìn)行比較、融合，使其互相映射。實(shí)際操作中需要把CBCT 與計(jì)劃CT 這兩組CT影像進(jìn)行配準(zhǔn)，而不同配準(zhǔn)方法在精度及適用范圍等方面都存在顯著差異，會造成結(jié)果的不同［6］。比較常用的配準(zhǔn)方式為灰度自動配準(zhǔn)以及骨性自動配準(zhǔn)，灰度自動配準(zhǔn)采用灰階“相關(guān)比”，適用于靶區(qū)周圍富含軟組織的情況，而骨性自動配準(zhǔn)則主要提取骨性特征，適用于靶區(qū)鄰近骨性組織以及植入人工標(biāo)記物的情況［7］。以上兩種配準(zhǔn)方式為系統(tǒng)自動配準(zhǔn)，節(jié)省了手動配準(zhǔn)的時間，但精度往往不如醫(yī)師手動配準(zhǔn)［8］。我們以手動配準(zhǔn)結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，比較骨性自動配準(zhǔn)、灰度自動配準(zhǔn)在不同部位食管癌放療中的擺位誤差偏移差值，探討其精確程度?，F(xiàn)將結(jié)果報告如下。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 選取2020年1月—2020年11月在徐州市中心醫(yī)院接受容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（VMAT）的食管癌患者47 例，其中男31 例、女16 例，年齡51～78 歲。所有患者均經(jīng)病理檢查證實(shí)為食管鱗癌或腺癌?；颊咭话銧顩r良好，卡氏評分KPS≥70，心肺功能正常且無胸部放療史。按美國癌癥聯(lián)合會/國際抗癌聯(lián)盟食管癌分段標(biāo)準(zhǔn)分為頸段及胸上段（統(tǒng)稱為上段）14例，胸中段（統(tǒng)稱為中段）21例，胸下段及食管賁門連接處腫瘤（統(tǒng)稱為下段）12例。

1.2 模擬定位、靶區(qū)勾畫及放療計(jì)劃制作 患者仰臥于模擬定位機(jī)的碳素纖維底架上，對于上段食管癌采用頸肩熱塑膜固定，對于中段食管癌、下段食管癌采用體部熱塑模固定，然后在自由呼吸狀態(tài)下行大孔徑定位螺旋CT 軸位模式增強(qiáng)掃描，層厚5 mm。參照國際輻射學(xué)單位委員會（ICRU）報告勾畫出腫瘤區(qū)（GTV）、臨床靶區(qū)（CTV）、計(jì)劃靶區(qū)（PTV）以及危及器官（OAR）。GTV 定義為食管腫瘤及腫大淋巴結(jié)；CTV 定義為GTV 在左右及腹背方向上外放0.6～0.8 cm、頭腳方向上外擴(kuò)3.0～4.0 cm，并根據(jù)正常組織的邊界進(jìn)行調(diào)整，同時包括相應(yīng)的淋巴引流區(qū)域：上段腫瘤包括鎖骨上及縱膈2、4、5、7區(qū)，中段腫瘤包括食管旁及縱膈2、4、5、7 區(qū)，下段腫瘤包括食管旁及縱隔4、5、7 區(qū)以及胃左、賁門的淋巴引流區(qū)；PTV 定義為CTV 外擴(kuò)0.5 cm。制作容積調(diào)強(qiáng)放療（VMAT）計(jì)劃，采用6 MV X 線體外照射，放療劑量范圍50～60 Gy。正常組織的劑量要求：肺平均劑量≤13 Gy、肺V20（20Gy 等劑量曲線所包繞的靶區(qū)體積）≤30%、心臟V40（40Gy 等劑量曲線所包繞的靶區(qū)體積）≤50%、脊髓最大劑量≤45 Gy。

1.3 CBCT 圖像采集及擺位誤差偏移差值測算采用Truebeam 直線加速器對患者進(jìn)行放療，并利用CBCT 系統(tǒng)收集患者放射治療首次以及療程中每周一次的CBCT 擺位驗(yàn)證圖像，47 例患者共完成272次CBCT 掃描，將掃描結(jié)果導(dǎo)入放療計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)與定位CT 圖像進(jìn)行圖像融合比較。采用骨性自動配準(zhǔn)和灰度自動配準(zhǔn)分別獲取左右（LR）X 軸、腹背（AP）Y 軸、頭腳（SI）Z 軸三個方向上的擺位誤差，由醫(yī)師使用手動配準(zhǔn)模式得到手動配準(zhǔn)擺位誤差。根據(jù)骨性自動配準(zhǔn)記錄患者在三個方向上的擺位誤差為A，根據(jù)灰度自動配準(zhǔn)記錄三個方向上的擺位誤差為B，由醫(yī)師使用手動配準(zhǔn)記錄三個方向上的誤差為C，以C 為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算兩種自動配準(zhǔn)模式的擺位誤差偏移差值（|C-A|、|C-B|）。

2 結(jié)果

2.1 骨性自動配準(zhǔn)、灰度自動配準(zhǔn)在上段食管癌放療中的擺位誤差偏移差值比較 骨性自動配準(zhǔn)在上段食管癌放療中X 方向的擺位誤差偏移差值為（0.11±0.06）cm，灰度自動配準(zhǔn)在上段食管癌放療中X 方向的擺位誤差偏移差值為（0.20±0.07）cm，兩者相比，P>0.05。骨性自動配準(zhǔn)在上段食管癌放療中Y方向的擺位誤差偏移差值為（0.22±0.10）cm，灰度自動配準(zhǔn)在上段食管癌放療中Y方向的擺位誤差偏移差值為（0.23±0.11）cm，兩者相比，P>0.05。骨性自動配準(zhǔn)在上段食管癌放療中Z方向的擺位誤差偏移差值為（0.31±0.18）cm，灰度自動配準(zhǔn)在上段食管癌放療中Z 方向的擺位誤差偏移差值為（0.37±0.15）cm，兩者相比，P>0.05。

2.2 骨性自動配準(zhǔn)、灰度自動配準(zhǔn)在中段食管癌放療中的擺位誤差偏移差值比較 骨性自動配準(zhǔn)在中段食管癌放療中X 方向的擺位誤差偏移差值為（0.27±0.12）cm，灰度自動配準(zhǔn)在中段食管癌放療中X 方向的擺位誤差偏移差值為（0.35±0.16）cm，兩者相比，P>0.05。骨性自動配準(zhǔn)在中段食管癌放療中Y 方向的擺位誤差偏移差值為（0.18±0.06）cm，灰度自動配準(zhǔn)在中段食管癌放療中Y方向的擺位誤差偏移差值為（0.15±0.07）cm，兩者相比，P>0.05。骨性自動配準(zhǔn)在中段食管癌放療中Z方向的擺位誤差偏移差值為（0.28±0.10）cm，灰度自動配準(zhǔn)在中段食管癌放療中Z 方向的擺位誤差偏移差值為（0.21±0.11）cm，兩者相比，P>0.05。

2.3 骨性自動配準(zhǔn)、灰度自動配準(zhǔn)在下段食管癌放療中的擺位誤差偏移差值比較 骨性自動配準(zhǔn)在下段食管癌放療中X 方向的擺位誤差偏移差值為（0.19±0.07）cm，灰度自動配準(zhǔn)在下段食管癌放療中X 方向的擺位誤差偏移差值為（0.28±0.04）cm，兩者相比，P>0.05。骨性自動配準(zhǔn)在下段食管癌放療中Y方向的擺位誤差偏移差值為（0.22±0.09）cm，灰度自動配準(zhǔn)在下段食管癌放療中Y方向的擺位誤差偏移差值為（0.09±0.05）cm，兩者相比，P<0.05。骨性自動配準(zhǔn)在下段食管癌放療中Z方向的擺位誤差偏移差值為（0.26±0.11）cm，灰度自動配準(zhǔn)在下段食管癌放療中Z 方向的擺位誤差偏移差值為（0.12±0.06）cm，兩者相比，P<0.05。

3 討論

放射治療是食管癌主要的治療方法之一，在術(shù)前、術(shù)后以及根治性治療中起著重要的作用。分次放療是治療的基礎(chǔ)，每次治療時體位的一致性至關(guān)重要，擺位的誤差可能引起腫瘤漏照，或正常組織不良反應(yīng)的增加。GUJRAL等［9］發(fā)現(xiàn)，心臟照射每增加1 Gy，患者出現(xiàn)血管硬化、猝死的概率就增加7.4%。GAO 等［10］研究發(fā)現(xiàn)，放療分次間的食管位置變化對放射性食管炎等不良反應(yīng)的影響要遠(yuǎn)大于分次內(nèi)，可能引起多達(dá)30%的不良反應(yīng)的增加，因此，每次治療時位置的重復(fù)性至關(guān)重要。

隨著腫瘤放療進(jìn)入精準(zhǔn)化的時代，多種放療跟蹤影像技術(shù)已在臨床上常規(guī)開展，圖像引導(dǎo)放療（IGRT）技術(shù)提高了放療精度，對療效的提高有著積極作用［11］。KV-CBCT 作為IGRT 的重要組成部分，已廣泛應(yīng)用于臨床。VONCKEN 等［12］通過超聲胃鏡預(yù)先在食管腫瘤中植入金屬標(biāo)記，利用CBCT 系統(tǒng)準(zhǔn)確量化食管腫瘤的位置變異性，發(fā)現(xiàn)不同部位不同配準(zhǔn)方法可能帶來PTV 外放邊界的差異，這與尚凱等［13］的研究類似。他們認(rèn)為每個放療單位應(yīng)該根據(jù)實(shí)際測量的數(shù)據(jù)算得本單位具體的擺位誤差，以指導(dǎo)臨床。我們對47 例食管癌患者在放療首次前行CBCT 掃描來糾正擺位誤差，并在治療療程中行每周一次的誤差校正，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于模具、標(biāo)線等導(dǎo)致的日常擺位誤差一般在0.5 cm 以內(nèi)，通過5～10 mm的PTV外擴(kuò)，可以達(dá)到放療靶區(qū)的劑量覆蓋。

曹璐等［14］對20 例食管癌IGRT 病例分別采用骨性算法和灰度算法進(jìn)行自動配準(zhǔn)，通過比較不同配準(zhǔn)方式與放療醫(yī)師手動配準(zhǔn)結(jié)果之間的差異來評估不同算法對結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)骨性配準(zhǔn)要好于灰度配準(zhǔn)，在平移誤差上的偏差更小，提示在食管癌IGRT 時使用骨性配準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上采用手動微調(diào)，能夠獲得較好結(jié)果。MACHIELS 等［15］也得出了類似的結(jié)論。而HOFFMANN 等［16］通過植入標(biāo)記物，利用CBCT 來測算食管的運(yùn)動，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用灰度配準(zhǔn)能夠降低誤差，這說明采用不同的配準(zhǔn)方式可能帶來不同的誤差結(jié)果。食管由于跨度較長，不同分段腫瘤的放療分次間誤差也不盡相同，總的來說，下段及食管賁門部腫瘤的偏差要大于上段［17］。頸胸段食管鄰近頸椎、胸椎等骨性結(jié)構(gòu)，位置較為固定，常使用椎體作為定位標(biāo)記，因此基于骨性結(jié)構(gòu)的骨性配準(zhǔn)可能更適于上段食管癌的IGRT，而食管賁門處腫瘤已跨過膈肌進(jìn)入腹腔，鄰近肝胃等軟組織，可能采用灰度配準(zhǔn)更為合適。因此，本研究針對不同分段腫瘤，以手動配準(zhǔn)結(jié)果為基準(zhǔn)，來研究不同的配準(zhǔn)方式對擺位結(jié)果的影響。我們的結(jié)果顯示，對于上段及中段食管癌，骨性自動配準(zhǔn)與灰度自動配準(zhǔn)在X、Y、Z 三個方向上均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，提示兩種自動算法具有等效性。而對于下段食管癌，兩者之間在X 軸上無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，在Y、Z 軸上的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對于胸下段及食管賁門處腫瘤，灰度自動配準(zhǔn)與手動調(diào)整之間的偏移差值較骨性配準(zhǔn)更小，這表明不同算法的調(diào)用會對食管癌IGRT配準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響放療的精確程度。對于食管下段腫瘤，可采用灰度自動配準(zhǔn)算法來計(jì)算擺位的誤差，而對于中上段腫瘤，骨性自動配準(zhǔn)及灰度自動配準(zhǔn)間無明顯區(qū)別，但不管采用哪種自動配準(zhǔn)方式，均推薦補(bǔ)充手動微調(diào)來提高精度。

除了放療分次之間的擺位誤差之外，同一次治療過程中的誤差也不容忽視。食管位于后縱隔，食管自身的運(yùn)動、呼吸幅度和心臟搏動等是影響患者治療時靶區(qū)位移的主要因素［18］，尤其是呼吸運(yùn)動，在放療分次內(nèi)的影響因素中占有重要地位［19-20］。賴國靜等［21］發(fā)現(xiàn)，食管腫瘤的中心位移在不同段食管癌中并不一致，胸上段腫瘤比胸中段及胸下段腫瘤的運(yùn)動幅度小，可能與其解剖位置有關(guān)。這與LIU等［22］的研究類似，他們利用呼吸控制系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)位于膈下的腫瘤的運(yùn)動比胸部腫瘤大。下一步我們將利用呼吸門控等系統(tǒng)，結(jié)合CBCT 影像引導(dǎo)設(shè)備，更進(jìn)一步研究降低放療分次間及分次內(nèi)誤差的方法。

綜上所述，CBCT 是糾正患者擺位誤差的理想裝置，選擇合適的配準(zhǔn)方式是獲得準(zhǔn)確擺位誤差的前提。對于中上段食管癌，基于CBCT 的骨性自動配準(zhǔn)與灰度自動配準(zhǔn)均可用來評估患者放療過程中的擺位誤差，對于下段食管癌，推薦采用灰度自動配準(zhǔn)。