Synergy CBCT兩種配準方式對腦腫瘤放療擺位誤差的研究

朱俐穎 胡小洋 孫 磊 盛曉芳 汪 洋,

放射治療是腦腫瘤治療的重要手段之一，療效與放療技術密切相關［1］。腦腫瘤放療靶區(qū)周圍往往有腦干、垂體、眼球和視神經等重要正常組織，需要精準放療。但在放療實踐過程中，我們發(fā)現擺位誤差會導致放療靶區(qū)產生“熱點”和“冷點”，以及重要正常組織接受不必要的照射。因此，高精度的擺位是腦腫瘤精準放療的重要環(huán)節(jié)［2］。

影像引導放療（image-guide radiotherapy，IGRT），可以采集患者治療時的影像信息、校正擺位誤差和控制放療計劃的實施［3］。我院放療科Elekta Synergy加速器利用其機載的CBCT系統(tǒng)，通過kV級射線源產生的X射線，對患者進行環(huán)繞掃描，由非硅晶探測器板采集的信號，經過圖像三維重建處理后獲得患者的容積影像。并與定位CT的圖像進行對比，通過移動治療床，修正治療時的擺位誤差，從而提高治療時擺位的精度，實現圖像引導。在IGRT放療中，圖像配準方式是影響擺位精度的重要因素。Elekta XVI圖像引導軟件中有骨配準和灰度配準兩種自動配準方式，本研究旨在通過比較這兩種配準方法，嘗試初步探討適合于腦腫瘤精準放療擺位的配準方式。

方 法

1. 研究對象

納入2018年9月—2019年2月在我院接受放療的連續(xù)的100例腦腫瘤患者。其中男性60例，女性40例，年齡15~76歲，中位年齡42歲。病理分類：腦膠質瘤72例，腦膜瘤18例，腦淋巴瘤10例。

2. 研究方法

采用的設備：瑞典Elekta公司的Synergy直線加速器XVI圖像引導系統(tǒng)和Oncentra 4.1治療計劃系統(tǒng)；美國GE的Optima660 CT；熱塑膜及美國CIVCO的底板和頭枕；德國LAP激光系統(tǒng)。

2.1 定位CT掃描和圖像獲取

患者體位采用仰臥位，根據患者感受的舒適程度選擇頭枕A或B，并用熱塑網膜面罩固定在底板上。在CT下，根據LAP激光線在熱塑膜上標記“十”字線，并在“十”字線交叉處貼上鉛點后進行CT掃描，掃描范圍為頭頂至第二頸椎下緣，層厚2.5 mm。然后將掃描的圖像傳至Oncentra治療計劃系統(tǒng)進行患者信息的確認。

2.2 計劃設計和治療中心的確定

主診醫(yī)生根據2018年NCCN-中樞神經系統(tǒng)指南中相關腫瘤靶區(qū)勾畫原則勾畫腫瘤靶區(qū)和危及器官，由物理師在靶區(qū)的中心設置射野的等中心點，建立三維坐標系，并根據靶區(qū)和危及器官限定的處方劑量進行計劃設計。在計劃完成后經主診醫(yī)生審核批準，并經物理師驗證后，物理師將計劃通過網絡傳至Synergy直線加速器，同時將計劃CT影像和等中心點坐標等信息傳入XVI系統(tǒng)工作站中。放療技師，物理師和醫(yī)生根據治療中心對患者進行復位，重新貼標記線，標記線的交叉點就是等中心點。

2.3 患者擺位和CBCT圖像獲取

首次治療前由2名技師按定位時患者的體位進行擺位，移動治療床，激光線對準標記線，利用機載CBCT系統(tǒng)進行CBCT圖像采集。掃描方式為Fast Head and Neck，掃描參數為濾線器F0，準直器S20，曝光條件為100 kV、18.3 mA，圖像共采集183幀，總掃描劑量為0.5 mGy，機架旋轉角度為320~160°。圖像采集后，在XVI圖像引導系統(tǒng)的工作站上用兩種自動配準方法對CBCT圖像和定位CT圖像進行配準（圖1）。

2.4 圖像配準方法

根據醫(yī)科達IGRT協(xié)作組的推薦，將配準區(qū)域設置為計劃CT影像外輪廓外擴1 cm。XVI系統(tǒng)有手動配準和自動配準，手動配準的結果受限于操作者的知識和經驗，臨床應用較少。而自動配準是根據圖像的電子密度自動識別完成，包括骨配準和灰度配準這兩種自動配準方法。

本研究采用自動配準方法中的骨配準和灰度配準這兩種方法。配準標準是以CBCT圖像和定位CT圖像的重合度為依據，觀察相關解剖結構是否達到重合的相應要求。研究時對每例患者分別選取骨配準和灰度配準這兩種方法進行分析，記錄骨配準和灰度配準時各自在坐標軸X、Y、Z上的誤差值（X代表床的左右方向、Y代表床的前后方向、Z代表床的上下方向）。

3. 統(tǒng)計學分析

本研究為單中心研究，使用SPSS19.0軟件對數據進行分析。各組數據的均值小于標準差，服從正態(tài)分布（圖2），兩種配準方式在X、Y、Z三個線性方向上分別采用配對樣本t檢驗，各組數據以均數±標準差表示，數據分析結果以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

結 果

兩種配準方式所得到的全部數據如圖3和4所示，其中圖3為骨配準的數據，圖4為灰度配準的數據。骨配準與灰度配準數據的統(tǒng)計學分析見表1。結果顯示，兩種配準方式的擺位誤差都不大，均＜0.5 cm，骨配準的均值及標準差在X、Y、Z三個方向上均小于灰度配準，在X、Y、Z方向上的P值分別為0.002、0.000和0.000，兩組差異具有統(tǒng)計學意義。這提示Synergy加速器CBCT應用于腦腫瘤，骨配準方式更有利于縮小擺位誤差，提高擺位精度。

表1 兩種配準方式的數據分析結果 ，cm

表1 兩種配準方式的數據分析結果 ，cm

配準方式骨配準灰度配準P值X-0.051±0.136-0.055±0.135 0.002 Y-0.059±0.130-0.065±0.129 0.000 Z 0.057±0.132 0.065±0.129 0.000

討 論

中樞神經系統(tǒng)的腫瘤多指發(fā)生在腦和脊椎管內腫瘤。相對于腦腫瘤，脊椎管內腫瘤的發(fā)生率較低［4］，其體位固定方式與腦腫瘤不同；放療過程中易受呼吸運動和腦脊液流動的影響，椎體活動度大；而其中全腦全脊髓照射更是涉及多個中心，多個照射野的銜接等技術難點；CBCT掃描參數、配準區(qū)域和配準方式的選擇較為復雜。所以脊椎管內腫瘤的配準方式有待后續(xù)進一步的研究。本研究聚焦于腦腫瘤放療的圖像配準方式，期望該研究能對降低腦腫瘤放療的擺位誤差提供初步的數據分析。

Synergy加速器的CBCT所實現的圖像引導放療，主要是通過XVI軟件進行圖像配準，計算出擺位校正的數據，該數據可直接傳送給加速器，通過治療床的移動完成患者位置的修正，進一步提高治療精準性。

本次研究對Synergy加速器CBCT的兩種自動配準方式，即骨配準與灰度配準進行對比分析。這兩種配準方式采用不同的算法，骨配準算法為分級斜面匹配算法，通過最小距離尋找影像的邊界進行匹配［5］?；叶扰錅实乃惴ㄖ饕谟跋竦南嚓P性自動配準，基于快速傅里葉變換找到配準的最優(yōu)解，適用于平面平移及旋轉［6］。

在腦腫瘤放療中，頭部的骨性結構明顯，在治療時頭部經面罩固定后很少明顯移動。采用骨配準的方式，可根據其算法直接快速地得到配準結果，而灰度配準的算法，是根據影像的相關性配準，與骨配準相比，配準所需計算的數據量較大，配準時間略長，易受周圍組織和外界條件的干擾，對數據的穩(wěn)定性有影響，從而容易產生計算誤差。

莫穎等［7］進行了擺位誤差對靶區(qū)劑量影響的研究，指出擺位誤差在±3 mm內，靶區(qū)接受的照射劑量與理論值接近。沈浩等［8］在對計劃驗證的研究中，發(fā)現當X、Y方向上誤差＜2 mm時，對計劃驗證通過率影響較?。划擷、Y誤差＞3 mm時，計劃驗證的通過率低于90%，并隨著誤差的增大，通過率逐漸降低。玉貴永等［9］對鼻咽癌的擺位誤差對靶區(qū)及其周圍危機器官影響的研究中，表明擺位誤差對劑量分布范圍的影響由大到小依次是晶體、腦干、脊髓、鼻咽腫瘤等。由此可見，擺位精度對包括腦腫瘤在內的腫瘤精確放療的重要性。高精度擺位不僅保證了靶區(qū)的照射劑量，而且能有效減少靶區(qū)外擴，減小計劃靶區(qū)（planning target volume，PTV）的體積，這有利于確保靶區(qū)周圍正常組織的劑量符合劑量限值，降低了放療并發(fā)癥的發(fā)生。

本研究結果顯示，骨配準的精度高于灰度配準，差異具有統(tǒng)計學意義，本研究的結果與上述分析是一致的。所以在腦腫瘤的CBCT應用中，推薦使用骨配準的方式進行擺位校正，以提高擺位精度。

值得說明的是，采用同一種配準方式，不同配準范圍可能對于配準結果產生影響，張建等［10］的研究顯示，配準范圍的大小與配準誤差有明顯的反比關系。CT和CBCT對腦腫瘤等軟組織的邊界顯示不清晰，CBCT的圖像質量欠佳，配準區(qū)域的自動分割存在難度，易產生系統(tǒng)誤差。所以盡管腦腫瘤的位置對于顱骨基本上相對固定且形變位移不明顯，但是腫瘤區(qū)域自動配準的可靠性需要進一步地提升。故在本次研究中未選擇兩種自動配準算法對腫瘤區(qū)域進行配準對比分析。

MRI在線引導的自適應放療（MRgRT）雖然還未廣泛應用于臨床，但MRgRT可在整個放療過程中持續(xù)監(jiān)測腫瘤情況，評估治療效果，將對目前的腦腫瘤放療產生較大的影響［11］。另外，隨著人工智能技術在腦腫瘤放療中的應用，以合成CT圖像，感興趣區(qū)域分割，靶區(qū)的人工配準等先驗知識為基礎的深度學習技術在腦腫瘤放療過程中的全方位運用，將更進一步增加配準的精確性，更有利于精確放療，包括立體定向放射外科（stereotactic radiosurgery，SRS）和分次SRS技術的開展。

最后需要指出，機房內的治療是整個放療工作流程中的最后環(huán)節(jié)。在CBCT的實際使用中，因為醫(yī)生一般很少參與到每次治療，主要是放療技師對配準的結果進行確認分析。所以對技師來說，需要具備專業(yè)的放射影像、放射物理、放射技術的知識以及高度的責任心。同時在圖像配準時，技師不能完全機械地依賴設備，需要結合自身的知識和經驗，對結果進行仔細分析和確認，保證腦腫瘤放療的擺位精度，確保治療的安全可靠執(zhí)行。