膀胱癌放療中兩種圖像引導方法校準精度比較

閆潔誠 田龍 胡逸民

0 引言

現(xiàn)今，精確放療已成為業(yè)內(nèi)主導，針對無法接受手術的肌層浸潤性膀胱癌患者，圖像引導放療(image guided radiotherapy，IGRT)能有效應對由膀胱充盈度或位置變化所造成的膀胱壁靶區(qū)位移，提高治療等中心準確度并降低擺位誤差[1-2]。因此，物理師可在應用IGRT技術，例如錐形束CT(cone beam CT，CBCT)技術和準確性已充分證實的靶區(qū)內(nèi)置標記物追蹤技術前提下[1-3]，進一步增加靶區(qū)處方劑量從而提高治療效果，縮小計劃靶區(qū)(plan tumor volume，PTV)邊界從而降低正常組織、器官照射量和放射毒性[4-8]。

鑒于上述優(yōu)勢，CBCT已得到普遍應用?；贑BCT的圖像引導方法包括正交拍照和X線容積成像掃描，兩種方法在其他腫瘤治療中應用的相關文獻較多[9-12]，但在膀胱癌放療中應用研究極少。因此，迫切需要兩種方法在膀胱癌放療中的應用研究填補空白。同時，比較兩種方法的應用結(jié)果，即校準精度，并在綜合考慮基層醫(yī)院繁重的臨床工作和有限的治療條件后從二者中選擇一種最合適的膀胱癌IGRT方法，從而進一步提高膀胱癌放療療效和患者生活質(zhì)量，對膀胱癌治療具有重要臨床意義。

為了解決上述問題，本研究基于kV級CBCT和內(nèi)置標記物，采用自研算法[13]對CBCT正交拍照圖像進行處理和X線容積成像(X-ray volumetric imaging，XVI)系統(tǒng)自帶算法進行CBCT掃描重建，分別計算兩種方法在左右、腹背和頭腳方向上的校準位移。最后，參考校準精度比較結(jié)果，綜合考慮各種因素，權衡兩種方法利弊，以期確定最合適膀胱癌的IGRT方法。

1 研究方法

1.1 研究對象

篩選2018年1月至2019年7月于河北北方學院附屬第一醫(yī)院放療科接受治療的肌層浸潤性膀胱癌男性患者15例，中位年齡53歲(范圍為41～63歲)。納入標準：① 之前未接受過其他治療；② 除膀胱外生殖泌尿系統(tǒng)其他器官和功能正常；③ 未置入鋼釘、人工股骨頭等金屬器具；④ 無腹腔積液。排除標準：① 患有前列腺增生、肥大等疾??；② 身體質(zhì)量指數(shù)超標；③ 患有直腸息肉、痔等不利于標記物置入術的疾病。所有患者簽署知情同意書，本研究經(jīng)過河北北方學院附屬第一醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會審核批準。

1.2 設備

配備kV級CBCT系統(tǒng)的醫(yī)用電子直線加速器(Synergy Platform，醫(yī)科達公司，瑞典)；線性金標記物(Visicoil helical，直徑1 mm，長度3 mm，IBA公司，比利時)。

1.3 方法

1.3.1 治療前準備

首先，于治療開始前，利用膀胱鏡將3枚標記物置入膀胱癌靶區(qū)中[7]，要求3枚標記物全部落于膀胱縱、橫中線同側(cè)且間距≥10 mm。之后，患者采用仰臥位行盆部掃描，范圍為髂嵴到坐骨結(jié)節(jié)，除膀胱區(qū)域1 mm外，其他區(qū)域?qū)雍? mm，以保證靶區(qū)及標記物分辨率。要求膀胱、直腸完全排空，歷次治療狀態(tài)相同。最后，采用Monaco計劃系統(tǒng)進行計劃設計。PTV處方為64 Gy/32次，每周5次。治療模式選擇容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療中Pareto模式下1F2A(一野二弧)，每弧最大子野數(shù)為100。

1.3.2 CBCT正交拍照和校準

每位患者每周周一、周四分次治療前接受CBCT正交拍照和校準。① 拍照：CBCT球管處于0°和90°時分別拍攝兩張正交圖像。曝光條件為管電壓100 kV、總管電流80 mAs。② 校準：首先利用自研算法對兩張正交圖像進行處理，計算3枚標記物在左右、腹背、頭腳三個方向上相對治療等中心原點(0，0，0)坐標(Xi，Yi，Zi)，其中i為標記物編號1、2、3，并計算3枚標記物所構成的空間三角形質(zhì)心坐標(Xci，Yci，Zci)，其中Xci=(X1+X2+X3)/3；Yci=(Y1+Y2+Y3)/3；Zci=(Z1+Z2+Z3)/3，如圖1、圖2所示。之后，利用計劃CT重建包含3枚標記物的盆腔區(qū)域組織結(jié)構，并獲取3枚標記物在左右、腹背、頭腳3個方向上相對治療等中心原點(0，0，0)坐標(Xj，Yj，Zj)，并按照相同方法計算三枚標記物所構成的空間三角形質(zhì)心坐標(Xcj，Ycj，Zcj)。最后，計算校準位移絕對值，其中Xci,cj=|Xci-Xcj|，Yci,cj=|Yci-Ycj|，Zci,cj=|Zci-Zcj|。每位患者每周每個方向上計算獲取兩個數(shù)據(jù)，6周共12個數(shù)據(jù)，計算平均值Xci,cj、Yci,cj、Zci,cj。

由3枚標記物(高亮度不規(guī)則影像)相對治療等中心(高亮度圓)原點坐標計算獲取空間三角形(黑色三角形)質(zhì)心(黑色圓)坐標

由3枚標記物(高亮度不規(guī)則影像)相對治療等中心(高亮度圓)原點坐標計算獲取空間三角形(黑色三角形)質(zhì)心(黑色圓)坐標

1.3.3 CBCT掃描和校準

每位患者每周周一、周四分次治療前接受CBCT掃描(順序于CBCT正交拍照之后)和校準。① 掃描：按照順時針方向，機架由-180°～180°進行360°掃描，采用Pelvic常規(guī)掃描模式(管電壓120 kV，總管電流1689.6 mAs，濾過板F1，準直器S20，總時間2 min，總成像劑量32.2 mGy，總平片數(shù)660)。② 校準：首先利用XVI自帶算法重建包含3枚標記物的盆腔區(qū)域組織結(jié)構，并計算三枚標記物在左右、腹背、頭腳三個方向上相對治療等中心原點(0，0，0)坐標(XI，YI，ZI)，其中I為標記物編號1、2、3，并計算3枚標記物所構成的空間三角形質(zhì)心坐標(XcI，YcI，ZcI)，計算方法同正交拍照法。之后，利用之前計劃CT重建獲取的3枚標記物所構成的空間三角形質(zhì)心坐標(Xcj，Ycj，Zcj)，計算校準位移絕對值，其中XcI,cj=|XcI-Xcj|，YcI,cj=|YcI-Ycj|，ZcI,cj=|ZcI-Zcj|。每位患者每周每個方向上計算獲取兩個數(shù)據(jù)，6周共12個數(shù)據(jù)，計算平均值：XcI,cj、YcI,cj、ZcI,cj。

1.3.4 統(tǒng)計學分析

1.3.5 其他臨床數(shù)據(jù)

(1) 成像劑量：對患者擺位完成后，將熱釋光劑量儀(FJ-427型，北京核儀器公司，中國)放置于患者體中線同水平激光燈交叉處的體表表面。每次CBCT正交拍照和掃描后，使用配套熱釋光讀出儀讀取輻射劑量。

(2) 操作時間：使用秒表記錄每次CBCT正交拍照及掃描全部過程時間。

2 結(jié)果

2.1 計量資料描述

計量資料描述結(jié)果如表1所示。

表1 CBCT正交拍照和掃描校準位移(單位：mm)

由表1可見，3個方向上CBCT正交拍照校準位移平均值均略大于掃描校準位移平均值。

2.2 統(tǒng)計學分析

15名患者3個方向上CBCT正交拍照同掃描校準位移相關性分析和配對樣本t檢驗結(jié)果(表2)顯示：① 3個方向上CBCT正交拍照同掃描校準位移呈強相關(R>0.5)，且結(jié)果具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，提示兩變量適合進行配對樣本t檢驗；② 3個方向上配對樣本t檢驗差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，提示兩變量差異源于患者自身因素，即抽樣誤差。綜上所述，結(jié)果提示CBCT正交拍照相比掃描校準位移略大，在精度方面稍具有劣勢。

表2 三個方向上CBCT正交拍照和掃描校準位移的分析結(jié)果

2.3 其他臨床數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在15例患者中，12次CBCT正交拍照最大輻射劑量為0.801 mGy，最小輻射劑量為0.789 mGy，均值為(0.7944±0.0031) mGy；CBCT掃描分別為5.334、5.322、(5.3274±0.003) mGy。配對樣本t檢驗差異有統(tǒng)計學意義，提示兩變量差異源于方法因素，與抽樣誤差無關。CBCT掃描輻射劑量約為正交拍照6.71倍，遠大于后者。

15名患者12次CBCT正交拍照和掃描全過程平均時間分別為42 s和103 s，CBCT掃描全過程時間約為正交拍照2.45倍，較大于后者。

盡管在校準精度上CBCT正交拍照略低于掃描，但是在臨床實踐中，極低的成像劑量對患者造成的額外影響遠小于掃描，較短的操作時間不僅縮短了總治療時間，防止患者于治療過程中發(fā)生位移及其他不利于治療的情況，從而更使得正交拍照在當前繁重的臨床工作和有限的治療條件下成為常規(guī)驗證方法。因此，綜上所述，CBCT正交拍照法是最合適膀胱癌的IGRT方法。

3 討論與結(jié)論

本研究比較了CBCT正交拍照和掃描兩種IGRT方法校準精度，但根本上是在比較兩種圖像處理算法精度，即自研算法和XVI系統(tǒng)自帶算法。

對Random仿真人體盆腔，自研算法在加速器機頭任意兩個角度時，于6 mV曝光條件下進行電子射野影像裝置(electronic portal imaging device，EPID)拍照，獲取兩張包含內(nèi)置標記物的圖像，之后利用Matlab編輯的算法對基于治療等中心坐標系的兩張圖像進行處理，計算獲取3枚標記物相對治療等中心原點(0,0,0)空間坐標[13]。在以前的研究中，空間三角形質(zhì)心校準位移平均值為左右1.189 mm、腹背0.456 mm、頭腳1.078 mm，本研究為左右0.994 mm、腹背1.788 mm、頭腳2.443 mm?？梢娍臻g三角形質(zhì)心校準位移(精度)差距不大，主要實驗條件對結(jié)果差距影響較小(例如mV級EPID拍照圖像分辨率劣于kV級CBCT拍照圖像，而Random仿真人體盆腔穩(wěn)定性優(yōu)于真人盆腔)，說明自研算法普適性良好，可應用于CBCT正交拍照圖像處理。

由表2可見，3個方向上自研算法計算獲取的校準位移均較大于XVI自帶算法，但差距不大，差異均無統(tǒng)計學意義。造成上述結(jié)果的原因可能是：(1) 自研算法程序編制不夠優(yōu)化。(2) 基于660張反向投影圖像的XVI自帶算法對盆腔組織結(jié)構信息詮釋更具體，內(nèi)置標記物等微小目標配準良好，另外在X線容積成像掃描過程中，涵蓋了靶區(qū)多個運動周期，經(jīng)反投影算法重建后反映了內(nèi)置標記物平均坐標，故校準精度較高。而僅基于兩張正交圖像的自研算法信息丟失量較大，內(nèi)置標記物等微小目標配準失真，而且忽略了靶區(qū)運動周期性和內(nèi)置標記物坐標平均性，故校準精度較低。

類似的結(jié)果也出現(xiàn)在其他研究中，例如王瑋等[9]在其針對EB-PBI患者保乳術后放療中比較了正交拍照同CBCT掃描校準精度差異，結(jié)果同樣為3個方向上前者均低于后者，而且其實驗得出，2D圖形引導方法低估了校準誤差20%～50%，信息丟失量較大，而3D掃描則顯著提高了校準精度的結(jié)論。周軍等[10]在其針對肺癌腦轉(zhuǎn)移患者立體定向放射外科治療相同試驗中也得到了近似的結(jié)果。

另外，在李明輝等[11]針對頭頸部腫瘤患者和焦升超等[12]針對病變靠近肝門處大血管，腫瘤無法完全切除時，采用靶區(qū)內(nèi)置金屬銀環(huán)標記物的肝癌患者的隨機臨床試驗中均比較了CBCT正交拍照與掃描校準精度，也得到了近似的結(jié)果。李明輝等[11]在Synergy Platform加速器所載kV級CBCT掃描獲取的650幀圖像中，提取對應0°和90°正側(cè)位兩張2D正交拍照圖像，之后同數(shù)字影像重建圖像(digitally reconstructed radiography，DRR)校準；焦升超等[12]利用Synergy Platform加速器XVI系統(tǒng)在“planner view”模式下將CBCT在0°和90°方向上獲取的連續(xù)35幀2D圖像合成為反映銀環(huán)運動范圍的正交拍照圖像，之后同DRR圖像校準。上述研究同本研究的差異在于2D正交拍照圖像獲取方式和校準對象不同，但結(jié)果是近似的，即3個方向上CBCT正交拍照校準精度均低于掃描。

盡管本研究中，CBCT正交拍照校準精度較低于掃描，但二者差距甚微，且在臨床實際應用選擇時仍需考慮多個因素：(1) 成像劑量。張玉海等[14]在其試驗中利用德國PTW公司生產(chǎn)的UNIDOS E型劑量儀與30013型電離室和有機玻璃圓柱形模體詳細對比了不同IGRT方法成像劑量，CBCT正交拍照在100 kV、100 mA、80 ms曝光條件下成像劑量為0.74 mGy，CBCT掃描在100 kV、20 mA、20 ms曝光條件下成像劑量為4.77 mGy，是前者6.45倍。(2) 成像時間。CBCT正交拍照全部過程大約需要1 min，CBCT掃描全部過程至少需要1.5～2 min，甚至更久[11-12]。因此，在二者差距可以接受前提下，CBCT正交拍照相比掃描更具適應基層醫(yī)院繁重的臨床工作和有限的治療條件，可選擇作為最合適膀胱癌的IGRT方法。

本研究僅計算了空間三角形質(zhì)心相對平移位移，未計算相對旋轉(zhuǎn)幅度，以后將利用六維床[15-16]對相對旋轉(zhuǎn)幅度進行計算，從而優(yōu)化實驗結(jié)果。