周夢(mèng)熙，王 凡，董 東，陳香存

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◇臨床醫(yī)學(xué)研究◇

CT-on-rail圖像引導(dǎo)技術(shù)在肺癌放療中的應(yīng)用

周夢(mèng)熙，王 凡，董 東，陳香存

目的 比較滑軌CT(CT-on-rail)和電子射野影像系統(tǒng)(EPID)兩種圖像引導(dǎo)放射治療(IGRT)技術(shù)在肺癌放療中的應(yīng)用，并比較不同圖像匹配方式對(duì)放療擺位精度的影響。方法 對(duì)16例肺癌患者在放療期間每周行1次EPID和CT掃描并進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，得出X、Y、Z 3個(gè)線性方向的誤差值，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，對(duì)2種IGRT方法進(jìn)行比較；滑軌CT組分別有灰度、輪廓和骨性標(biāo)志模式，觀察3種配準(zhǔn)方式對(duì)擺位精度的影響。結(jié)果 CT和EPID配準(zhǔn)的X、Y、Z三維方向差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05) 。CT配準(zhǔn)組中通過(guò)3種配準(zhǔn)方法得出，X軸、Z軸圖像匹配采用灰度模式比輪廓和骨性標(biāo)志模式精度高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；Y軸上灰度模式和輪廓模式精度高于骨性標(biāo)志模式，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。結(jié)論 基于CT-on-rail系統(tǒng)進(jìn)行的圖像引導(dǎo)放射治療比基于EPID系統(tǒng)進(jìn)行的圖像引導(dǎo)放射治療精度高；在使用滑軌CT進(jìn)行肺癌圖像引導(dǎo)放療時(shí)，建議首選灰度模式配準(zhǔn)。

滑軌CT；電子射野影像系統(tǒng)；圖像引導(dǎo)放射治療；擺位誤差

圖像引導(dǎo)放射治療(image guided radiation therapy, IGRT)是一種新型的、通過(guò)一系列影像系統(tǒng)進(jìn)行靶區(qū)定位和患者擺位的腫瘤放療技術(shù)[1]。在腫瘤放療過(guò)程中結(jié)合CT、核磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)、正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像(positron emission tomography, PET)或超聲等影像設(shè)備，借助某些特殊解剖結(jié)構(gòu)與計(jì)劃圖像進(jìn)行配準(zhǔn)融合，其目的是減少放療期間靶區(qū)位移誤差和擺位誤差，監(jiān)測(cè)和校正放療時(shí)腫瘤和正常組織運(yùn)動(dòng)引起的誤差，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腫瘤及其標(biāo)志物[2]，更好地保護(hù)正常組織器官，減輕放療副作用，提高腫瘤照射量。IGRT包括電子射野影像系統(tǒng)(electronic portal imaging device, EPID)、KV級(jí)X線攝片和透視、滑軌CT(CT-on-rail)、錐形束CT(cone beam computerized tomography，CBCT)等。當(dāng)前最常用的是CT-on-rail和KV級(jí)或MV級(jí)CBCT，其采集靶區(qū)2D圖像，并迅速將其重建為3D圖像，在整個(gè)治療過(guò)程中對(duì)放射線和熒光進(jìn)行監(jiān)控，以減少靶區(qū)運(yùn)動(dòng)和周圍正常組織生理變化引起的擺位變化[3]。肺癌放療過(guò)程中，由于分次間的擺位誤差、分次間的靶區(qū)移位和變形以及分次中的運(yùn)動(dòng)誤差，肺癌精確放療的擺位重復(fù)性較差，放療精確度不如其他部位尤其是頭頸部腫瘤，不僅會(huì)影響對(duì)病灶的療效，還會(huì)增加對(duì)正常組織的放射性損傷。目前已有不少研究針對(duì)CBCT和EPID在肺癌放療精度上進(jìn)行比較，而對(duì)滑軌CT和EPID進(jìn)行圖像配準(zhǔn)的研究較少。該文對(duì)滑軌CT和EPID兩種IGRT方法在肺癌放療中的應(yīng)用進(jìn)行研究，并比較分析灰度、輪廓、骨性標(biāo)志3種不同圖像配準(zhǔn)方式對(duì)擺位精度的影響。

1 材料與方法

1.1 病例資料 收集2015年8月～2016年2月經(jīng)影像學(xué)和病理學(xué)確診為肺癌并于安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放療科行肺癌精確放療的16例患者的臨床資料，其中男12例，女4例；年齡20～70歲，中位年齡45歲；放射治療采用2 Gy/次，5次/周，DT 60 Gy/30 f，個(gè)別患者由于病灶體積過(guò)大或臨近部位2年內(nèi)已接受過(guò)放射治療，故減少劑量至40～46 Gy/20～23 f?？紤]IGRT全過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，排除高齡、身體狀況差、無(wú)法配合的患者，所有研究對(duì)象KPS評(píng)分≥70分。

1.2 擺位、CT掃描及計(jì)劃制定 所有患者取仰臥位，雙手上舉抱肘置于額頭上，經(jīng)真空體模固定體位，在模擬機(jī)下定位，三維激光燈擺位，9點(diǎn)法標(biāo)記。定位后于西門子Artist加速器配備的滑軌CT掃描CT圖像，掃描范圍從環(huán)狀軟骨至雙側(cè)肋膈角，厚層為5 mm。將掃描CT圖像傳輸至放射治療計(jì)劃系統(tǒng)，進(jìn)行靶區(qū)及重要危及器官包括皮膚、脊髓、肺、心臟、食管等的勾畫(huà)。采用Philips Pinnacle系統(tǒng)制定放療計(jì)劃。

1.3 圖像采集及配準(zhǔn) 從放療計(jì)劃執(zhí)行第1天起，每周進(jìn)行1次圖像引導(dǎo)放射治療和圖像配準(zhǔn)，首先行體模固定，激光燈定位，后續(xù)操作均由2名放療科技術(shù)人員和1名放療科臨床醫(yī)師共同完成，排除主觀意見(jiàn)引起的誤差。先拍攝EPID 0°和90°正側(cè)位片，技術(shù)人員通過(guò)一些特殊解剖結(jié)構(gòu)手動(dòng)與計(jì)劃CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。EPID正位片配準(zhǔn)可得到X軸(左右)和Y軸(頭腳)2個(gè)方向的誤差值；EPID側(cè)位片可得出Y軸(頭腳)和Z軸(上下)2個(gè)方向的誤差值，本研究以正位片得到的Y值為準(zhǔn)，記錄每組數(shù)據(jù)。

EPID攝片結(jié)束后行滑軌CT圖像掃描。西門子公司的 CT Vision 系統(tǒng)采用ONCOR加速器和大孔徑OPEN CT機(jī)在同一治療室內(nèi)共用1張治療床，CT 機(jī)可沿導(dǎo)軌移動(dòng)，稱為CT-on-rail 或者 In Room CT[4]。由放療技術(shù)人員和臨床醫(yī)師共同將治療床水平旋轉(zhuǎn)180°后，使CT機(jī)沿導(dǎo)軌移動(dòng)到治療部位進(jìn)行CT掃描，將所得CT掃描圖像和與計(jì)劃CT圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，包括灰度模式、輪廓模式和骨性標(biāo)志模式配準(zhǔn)，獲取患者X、Y、Z 3個(gè)方向上的線性誤差值。其中灰度配準(zhǔn)是計(jì)算機(jī)根據(jù)掃描圖像不同組織的灰階值自動(dòng)進(jìn)行圖像匹配，輪廓配準(zhǔn)是以靶區(qū)為中心的體表輪廓為準(zhǔn)，骨性標(biāo)志以椎體和棘突為標(biāo)準(zhǔn)。由技術(shù)人員手動(dòng)移動(dòng)使CT掃描圖像在冠狀面、矢狀面、橫斷面上與計(jì)劃CT圖像最大程度重合，記錄3種配準(zhǔn)方式的誤差結(jié)果。若所得線性誤差 ≤0.3 cm 即將治療床旋轉(zhuǎn)180°后直接進(jìn)行肺癌精確放射治療，若線性誤差>0.3 cm 即先行誤差校正后行放療。在配準(zhǔn)全程中囑患者平靜呼吸，盡量避免劇烈咳嗽等大幅度胸部運(yùn)動(dòng)。每次配準(zhǔn)后重新進(jìn)行靶區(qū)勾畫(huà)和放療計(jì)劃的制定。

2 結(jié)果

本研究收集16例肺癌患者，共進(jìn)行了87次EPID攝片與In Room CT掃描，操作過(guò)程中患者均未出現(xiàn)不適現(xiàn)象，依從性100%。擺位、掃描、配準(zhǔn)和治療平均時(shí)間EPID組為20 min，CT組為25 min。EPID組和CT組以及灰度模式、輪廓模式、骨性標(biāo)志模式3種配準(zhǔn)方法所得誤差結(jié)果及對(duì)比如下。

2.1 EPID和CT-on-rail配準(zhǔn)擺位誤差的比較 通過(guò)兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)顯示CT-on-rail配準(zhǔn)組X、Y、Z軸的平移誤差均小于EPID配準(zhǔn)組，在X、Y、Z 3個(gè)方向差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05) 。見(jiàn)表1。

表1 EPID和CT-on-rail配準(zhǔn)3個(gè)方向的擺位誤差比較±s)

2.2 不同配準(zhǔn)方式間擺位誤差的比較 通過(guò)K-W檢驗(yàn)顯示灰度模式、輪廓模式和骨性標(biāo)志模式3種配準(zhǔn)方式之差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)表2。對(duì)3組數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩配對(duì)t檢驗(yàn)，X軸、Z軸圖像匹配采用灰度模式比輪廓和骨性標(biāo)志模式精度高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；Y軸上灰度模式和輪廓模式精度高于骨性標(biāo)志模式，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

表2 3種不同配準(zhǔn)方式3個(gè)方向的擺位誤差比較±s)

與灰度模式比較：*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001;與骨性標(biāo)志模式比較：#P<0.05

3 討論

放療高劑量區(qū)的偏移不僅影響病灶放療療效，還會(huì)增加對(duì)周圍正常組織器官的放射性損傷，較為明顯的為放射性肺炎、放射性食管炎。肺癌放療過(guò)程中有很多影響放療精度的因素，包括以下3個(gè)方面：分次治療的擺位誤差，包括皮下脂肪肌肉、定位機(jī)床和治療機(jī)床差異、激光燈定位、體表定位線的寬度和清晰度引起的誤差；分次間的靶區(qū)移位和變形，包括患者的消瘦和增胖、靶區(qū)的縮小變形、靶區(qū)和危及器官相對(duì)位置的改變；分次中的靶區(qū)運(yùn)動(dòng)，包括呼吸運(yùn)動(dòng)和心跳運(yùn)動(dòng)[5]。據(jù)Borst et al[6]報(bào)道，肺部腫瘤患者將有51%出現(xiàn)大于5 mm的擺位誤差。因此，IGRT在肺癌精確放療中的應(yīng)用值得探討。

EPID是獲取圖像的最常用方法，具有操作簡(jiǎn)便、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)時(shí)測(cè)量和糾正擺位誤差，可降低系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，提高擺位精度[7]。但也有一定的局限性，例如，對(duì)軟組織的顯像能力不足，操作時(shí)只能使用兆級(jí)能量，使患者在治療時(shí)，被迫接受額外劑量[8]。西門子CT-on-rail系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首套集滑軌CT和直線加速器于同一機(jī)房、共用同一治療床的圖像引導(dǎo)放療系統(tǒng)。該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于成像速度快、成像劑量低，優(yōu)良的軟組織對(duì)比度、清晰的圖像分辨率，完整的解剖可觀性，機(jī)架系統(tǒng)支持滑軌式設(shè)計(jì)，可靠的DICOM連接性5個(gè)方面[9]。治療機(jī)床的精確水平移動(dòng)不僅提高放療精度，還能節(jié)省治療時(shí)間。In Room CT掃描的圖像可以達(dá)到比傳統(tǒng)的EPID更好的組織對(duì)比度而且該系統(tǒng)的射線利用效率高，患者接受的射線劑量少[10]。本次研究結(jié)果也提示滑軌CT相對(duì)于EPID在X、Y、Z軸上誤差值更小，放療精度更高。建議在肺癌放療過(guò)程中首選應(yīng)用滑軌CT進(jìn)行圖像引導(dǎo)放療，不僅更好監(jiān)測(cè)靶區(qū)的變化，還能對(duì)周圍敏感組織包括食管、肺、心臟、脊髓等進(jìn)行劑量保護(hù)。

然而，CT-on-rail系統(tǒng)仍存在一些不足，體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：擺位、掃描和配準(zhǔn)平均時(shí)間EPID組為20 min，CT組為25 min，耗時(shí)較長(zhǎng)，增加工作量，臨床實(shí)際應(yīng)用困難；患者全程保持雙手上舉抱肘姿勢(shì)，加上天氣和自身因素，部分患者無(wú)法堅(jiān)持；滑軌CT雖然避免了CT掃描后治療的重復(fù)擺位誤差，但是在治療床旋轉(zhuǎn)180°過(guò)程中因震蕩、旋轉(zhuǎn)而造成的誤差不可避免；仍存在呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)放療精度的影響；不同觀察者主觀判斷的不同，也會(huì)對(duì)配準(zhǔn)精度產(chǎn)生影響。

本研究結(jié)果顯示利用骨性模式配準(zhǔn)在三維方向誤差均大于灰度模式配準(zhǔn)；在Y軸上與輪廓配準(zhǔn)也存在差異。骨性配準(zhǔn)以骨密度計(jì)算，速度快，適合于骨組織較多，且相互連接移動(dòng)較小的頭部腫瘤及盆腔部腫瘤[11]?；叶扰錅?zhǔn)是運(yùn)算配準(zhǔn)框內(nèi)所有不同灰階值，是一種精確配準(zhǔn)運(yùn)算方式，主要適用于一些骨性組織較少部位，或一些骨性配準(zhǔn)不能實(shí)現(xiàn)者，尤其照射靶區(qū)周圍是低密度組織時(shí)更具優(yōu)勢(shì)[12]，如胸部腫瘤、肝膽部腫瘤等。肺癌照射野范圍內(nèi)無(wú)近距離骨性標(biāo)志，一般以肩胛骨、胸骨、椎體和棘突為標(biāo)準(zhǔn)，以上骨性結(jié)構(gòu)不僅受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，還與雙手上舉抱肘的體位、患者與真空體模的匹配程度密切相關(guān)。肺癌周圍富有軟組織，各組織相連緊密，位置相對(duì)固定，而灰度配準(zhǔn)正是以配準(zhǔn)框內(nèi)不同組織的灰階值來(lái)運(yùn)算，對(duì)于肺癌十分適用。Wang et al[13]收納19例肺癌患者進(jìn)行帶有呼吸門控IGRT，比較骨性配準(zhǔn)及灰度配準(zhǔn)2種方式之間的差異，結(jié)果顯示灰度配準(zhǔn)在頭腳方向誤差較骨性配準(zhǔn)更小。本研究結(jié)果顯示輪廓模式在X軸和Z軸上精度不如灰度模式，而在Y軸上與灰度模式差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，原因在于輪廓模式是以照射靶區(qū)為中心的體表輪廓為標(biāo)準(zhǔn)，主要影響因素為皮下脂肪和肌肉厚度增減和體位改變，影響掃描CT圖像與計(jì)劃CT在X軸和Z軸上的重合度，而對(duì)Y軸影響很小。因此在每次定位配準(zhǔn)前應(yīng)詢問(wèn)患者體重，考慮體重因素導(dǎo)致的擺位誤差。

圖像引導(dǎo)放射治療是肺癌精確放療中的一個(gè)巨大進(jìn)步，但仍然有一些因素導(dǎo)致臨床適用性較小和放療精度下降，需要進(jìn)一步研究和探討。

[1] Simpson D R, Lawson J D, Nath S K, et al. A survey of image-guided radiation therapy use in the united states[J]. Cancer, 2010, 116(16):3953-60.

[2] 于金明,袁雙虎.圖像引導(dǎo)放射治療研究及其發(fā)展[J]. 中華腫瘤雜志, 2006, 28(2):81-3.

[3] Eng T, Ha C S. Image-guided radiation therapy in lymphoma management[J]. Radiat Oncol J, 2015，33(3):161-71.

[4] 夏邦傳,徐子海.基于CT-on-rail系統(tǒng)開(kāi)展的圖像引導(dǎo)自適應(yīng)放療研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)醫(yī)療設(shè)備, 2013, 28(1):62-5.

[5] 殷蔚伯,谷銑之.腫瘤放射治療學(xué)[M]. 4版.北京:中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)出版社, 2008 : 175.

[6] Borst G R, Sonke J J, Betgen A, et al. Kilo-voltage cone-beam computed tomography setup measurements for lung cancer patients: first clinical results and comparison with electronic portal-imaging device[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2007, 68(2): 555-61.

[7] 郭根燕, 劉曉嵐, 鄭 旭, 等. 電子射野影像系統(tǒng)對(duì)鼻咽癌調(diào)強(qiáng)放療擺位誤差的測(cè)量[J]. 中國(guó)輻射衛(wèi)生, 2011, 20(3):321-4.

[8] 陸 維, 許婷婷. 應(yīng)用CBCT、EPID研究鼻咽癌2種體位固定方式擺位誤差的比較分析[J]. 中國(guó)癌癥雜志,2014,24(7):535-9.

[9] 甘曉根, 徐子海.西門子SOMATOM OPEN CT簡(jiǎn)介及在放射治療中的優(yōu)勢(shì)[J]. 臨床工程,2011,26(3):100-1.

[10] 夏邦傳, 廖福錫, 徐子海. 西門子CT圖像引導(dǎo)下的放療系統(tǒng)簡(jiǎn)介[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2010,31(8):115-7.

[11] 尚 凱,遲子峰.胸段食管癌IGRT中擺位誤差分析[J]. 中華放射腫瘤學(xué)雜志, 2015, 24(1):70-3.

[12] 吳志勤,張 力.肺癌圖像引導(dǎo)放療不同配準(zhǔn)方式對(duì)擺位誤差的影響[J]. 溫州醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2014,44(11):822-4.

[13] Wang X, Zhong R, Bai S, et al. Lung tumor reproducibility with active breath control(ABC) in image-guided radiotherapy based on cone-beam computed tomography with two registration methods[J]. Radiother Oncol, 2011,99(2):148-54.

The application of IGRT based on CT-on-rail system in lung cancer

Zhou Mengxi, Wang Fan, Dong Dong, et al

(DeptofRadiationOncology,TheFirstAffiliatedHospitalofAnhuiMedicalUniversity,Hefei230022)

ObjectiveTo compare the application of CT-on-rail system and EPID of radiotherapy in lung cancer and to explore the effects of different matching models on positioning precision. Methods 16 patients with lung cancer were recruited in this study. Each patient received IGRT based on CT-on-rail system and EPID each week, respectively. Compared the difference of set-up errors between two groups. Besides, the group of CT-on-rail system included grey-scale model, bone model and outline model，and the difference among them were compared. Results There was significant difference between the average set-up errors of EPID and CT-on-rail system in the direction of X, Y and Z axis(P<0.05). In the lung cancer patients treated using CT-on-rail system, image matching using grey-scale model precise in the direction of X and Z axis(P<0.05), while grey-scale and outline model precise in the direction of Y axis(P<0.05). Conclusion CT-on-rail system is better than EPID in detecting set-up error of the lung cancer patient. Grey-scale model should be applied in the image matching of IGRT in lung cancer.

CT-on-rail; EPID; image guided radiation therapy; set-up error

時(shí)間：2016-8-10 11:04:49

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1065.R.20160810.1104.018.html

2016-07-28接收

安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2009A82)

安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院腫瘤放療科，合肥 230022

周夢(mèng)熙，女，碩士研究生；

王 凡，男，教授，主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師，責(zé)任作者，E-mail：wangfan1965@126.com

R 734.2

A

1000-1492(2016)10-1477-04

10.19405/j.cnki.issn1000-1492.2016.10.018