張西志，李 軍，張先穩(wěn)，桂龍剛，侯笑笑，孫新臣，李金凱

(1.蘇北人民醫(yī)院放療科，江蘇 揚(yáng)州 225001；2.南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放療科，江蘇 南京 210029)

放療已經(jīng)進(jìn)入精確治療時(shí)代，患者在腫瘤放療中都會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差主要來源于器官運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的靶區(qū)位移誤差和擺位誤差[1]。肺癌患者由于受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響較大，其治療誤差往往較大。

圖像引導(dǎo)放療(image guided radiotherapy，IGRT)是實(shí)現(xiàn)精確放療的重要手段之一，IGRT通過在治療前或治療中獲取圖像來引導(dǎo)治療，以減少患者放療期間產(chǎn)生的擺位誤差[2-4]。利用千伏級(jí)錐形束CT(conical beam CT，CBCT)進(jìn)行圖像在線校正是目前運(yùn)用最廣泛的IGRT技術(shù)。本文將比較CBCT技術(shù)中剛性圖像配準(zhǔn)算法和形變圖像配準(zhǔn)算法的價(jià)值，并以肺癌放療為例，統(tǒng)計(jì)其治療過程中的平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差，利用經(jīng)驗(yàn)公式來估算臨床靶體積(clinical target volume，CTV)外放計(jì)劃靶體積(planning target volume,PTV)，PTV在左右(X)、頭腳(Y)、垂直(Z)方向上等3個(gè)方向上的外放值。

1 材料與方法

1.1病例選擇2015年3月至2015年8月采用VARIAN Clinac-IX加速器進(jìn)行IGRT的10例肺癌患者，其中男7例，女3例；年齡范圍46～73歲，中位年齡55歲。病理類型包括小細(xì)胞肺癌2例、肺腺癌5例以及肺鱗癌3例。

1.2體位固定和CT定位所有患者采用仰臥位，用真空負(fù)壓墊進(jìn)行體位固定，并在體表和真空負(fù)壓墊上作好定位標(biāo)記，并用16排70 cm大孔徑CT進(jìn)行斷層掃描，掃描范圍為環(huán)狀甲膜至縱膈肌下緣，掃描層厚5 mm，掃描后的CT圖像通過Varian Aria網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸至Eclipses TPS系統(tǒng)中。

1.3計(jì)劃CT與CBCT圖像配準(zhǔn)每例患者分次治療前均采用VARIAN Clinac-IX加速器CBCT掃描，掃描角度為順時(shí)針182°至180°，總的掃描角度為358°。1)將TPS計(jì)劃中的CT圖像和獲取的CBCT圖像利用自動(dòng)剛性配準(zhǔn)和剛性輔助校準(zhǔn)方法來完成剛性圖像配準(zhǔn)；2)利用基于像素的形變圖像配準(zhǔn)算法將TPS計(jì)劃中的CT圖像和CBCT圖像完成配準(zhǔn)，并進(jìn)行輪廓自動(dòng)勾畫，并將其與CBCT勾畫的輪廓進(jìn)行對(duì)比分析，分析指標(biāo)包括相似性系數(shù)(DSC)、陽(yáng)性靈敏度(SENS)和預(yù)測(cè)值(PPV)，其中DSC可反映2種輪廓的重疊區(qū)域及平均值，SENS反映了陽(yáng)性檢測(cè)的樣本占總數(shù)的百分比，PPV是指陽(yáng)性檢測(cè)的樣本總數(shù)中，樣本占陽(yáng)性檢測(cè)的百分比。

1.4CTV外擴(kuò)分析由于人體器官非剛性，且擺位誤差不可避免，所以為了減少治療偏差，通常應(yīng)對(duì)CTV的外邊界進(jìn)行外擴(kuò)。具體來講，由人體器官不自主運(yùn)動(dòng)所引起的CTV外邊界的運(yùn)動(dòng)范圍稱為內(nèi)擴(kuò)邊(internal margin，IM)，由擺位誤差引起CTV邊界運(yùn)動(dòng)范圍稱為擺位擴(kuò)邊(setup margin，SM)[5]。在圖像配準(zhǔn)過程中，可采集得到每例患者在X、Y、Z方向上的誤差值。根據(jù)這些誤差值，我們通?？衫媒?jīng)驗(yàn)公式M=2.5∑+0.7δ來計(jì)算CTV在X、Y、Z等3個(gè)方向上的外放邊界值[6-7]。其中δ為所有患者誤差值的標(biāo)準(zhǔn)差，該值可認(rèn)為是隨機(jī)誤差；∑為所有患者誤差值的標(biāo)準(zhǔn)差的平均值，該值可認(rèn)為是系統(tǒng)誤差；M為CTV外放成PTV的外擴(kuò)估計(jì)值。

2 結(jié)果

2.1剛性圖像配準(zhǔn)算法與形變圖像配準(zhǔn)算法DSC值比較剛性圖像配準(zhǔn)算法和形變圖像配準(zhǔn)算法的DSC值比較結(jié)果顯示，對(duì)于體表輪廓、左肺、右肺及心臟形變圖像配準(zhǔn)算法的DSC值均高于剛性圖像配準(zhǔn)算法(P均<0.05)。見表1。

表1 剛性圖像配準(zhǔn)算法與形變圖像配準(zhǔn)算法DSC值比較

2.2擺位誤差10例肺癌患者共進(jìn)行254次CBCT掃描和配準(zhǔn)，根據(jù)配準(zhǔn)結(jié)果，分別采集X、Y、Z等3個(gè)方向上的平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差?；颊咴赬、Y、Z軸的擺位誤差分別為(0.04±0.16)cm、(0.09±0.32)cm、(-0.02±0.13)cm，患者在X、Y、Z軸形成的u、υ、w旋轉(zhuǎn)誤差分別為(0.41±0.64)°、(-0.20±0.57)°、(0.06±0.62)°。見圖1、2，表2、3。

圖2 患者在u、υ、w方向上的旋轉(zhuǎn)誤差散點(diǎn)分布圖

表2 10例肺癌患者在X、Y、Z等3個(gè)方向上的擺位誤差cm

表3 10例肺癌患者在u、υ、w等3個(gè)方向上的旋轉(zhuǎn)誤差 °

2.3靶區(qū)外擴(kuò)情況肺癌靶區(qū)的臨床外放邊界在X、Y、Z等3個(gè)方向上分別是0.78 cm、1.12 cm、0.68 cm。見表4。

表4 10例患者在X、Y、Z等3個(gè)方向上的外擴(kuò)估計(jì)值 cm

3 討論

隨著設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，放療已經(jīng)進(jìn)入精確時(shí)代，主要體現(xiàn)在對(duì)影像獲取、靶區(qū)定位及靶區(qū)勾畫等方面的精確要求愈來愈高。但患者在實(shí)際治療過程中的治療精度仍受擺位誤差和器官運(yùn)動(dòng)等因素的顯著影響。例如，多項(xiàng)研究[8-10]表明肺癌放療過程中產(chǎn)生的分次間擺位誤差約為5～40 mm。而Balter等[11]的研究結(jié)果表明當(dāng)擺位誤差大于1 cm時(shí)對(duì)靶區(qū)的影響約為6 mm。因此，為了實(shí)現(xiàn)腫瘤的精確治療，必須進(jìn)行擺位校正以減少擺位誤差。

擺位校正目前主要依靠CBCT圖像獲取和與計(jì)劃CT圖像的配準(zhǔn)技術(shù)。Borst等[12]認(rèn)為若沒有CBCT圖像配準(zhǔn)來減少誤差，51%的肺癌患者可能存在超過5 mm的擺位誤差。Purdie等[13]對(duì)28例T1～2期非小細(xì)胞肺癌立體定向放療的研究顯示，CBCT在肺癌立體定向放療中的在線圖像指導(dǎo)能夠確保靶區(qū)位置精確性。

本文研究結(jié)果顯示，與采用剛性圖像配準(zhǔn)算法相比，采用形變圖像配準(zhǔn)算法能獲得較好的DSC值(包括雙肺、脊髓、心臟、體表輪廓)，通過對(duì)10例肺癌患者進(jìn)行的254次CBCT掃描和圖像配準(zhǔn)，得到患者在X、Y、Z軸上的平均平移誤差分別為(0.06±0.15) cm、(0.10±0.31)cm、(-0.03±0.12)cm。該結(jié)果表明Y軸方向平均平移誤差最大，X軸方向次之，Z軸方向最小。系統(tǒng)誤差在X、Y、Z方向分別為0.27 cm、0.36 cm、0.24 cm，其中以Y軸方向誤差最大。X、Y、Z軸方向的隨機(jī)誤差分別為0.15 cm、0.31 cm、0.12 cm，同樣以Y軸方向誤差最大，這是因?yàn)榕c利用熱塑體膜固定體位有關(guān)，在X軸和Z軸方向上，體膜相對(duì)固定，不容易發(fā)生相對(duì)位移，而Y軸方向兩端并不是封閉的，假若抱頭姿勢(shì)稍有改動(dòng)或皮膚松弛都可能引起Y軸方向上的顯著位移偏差。

患者治療的分次間誤差由擺位誤差與器官移動(dòng)引起的誤差組成，因此在靶區(qū)勾畫時(shí)需要對(duì)CTV進(jìn)行外擴(kuò)形成實(shí)際治療的PTV。本研究采用經(jīng)驗(yàn)公式來估算CTV的外擴(kuò)值，該方法同時(shí)考慮了系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的影響，其結(jié)果能保證90%群體患者最小CTV累積劑量至少達(dá)到95%的處方劑量[6-7]，根據(jù)結(jié)果推薦推薦CTV外擴(kuò)PTV應(yīng)在X、Y、Z方向分別外擴(kuò)0.78 cm、1.12 cm、0.68 cm。

本研究也存在一定不足，例如，本研究中的所有患者均是利用真空負(fù)壓墊來固定體位的，而使用其他定位技術(shù)(例如碳素纖維定位架、熱塑體膜等)可能產(chǎn)生的誤差也不同。且在本研究中，并未對(duì)左、右肺癌患者進(jìn)行獨(dú)立分析比較，由于膈肌和心臟運(yùn)動(dòng)對(duì)左、右肺影響不同，很可能引起左、右肺靶區(qū)的位移，所以在后續(xù)研究中，有必要對(duì)左、右肺癌的結(jié)果的差異進(jìn)行進(jìn)一步研究。