張白霖，戴振暉，朱琳，楊耕，朱遠(yuǎn)湖，招什武，蔡春雅，李飛，王學(xué)濤

廣州中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院放療中心，廣東廣州510006

前言

單次高劑量的立體定向放射手術(shù)（Stereotactic Radiosurgery, SRS）通常使用頭部框架固定方式實(shí)現(xiàn)，這種方式提供了高精度的靶區(qū)定位和病人不可移動(dòng)性，這種主動(dòng)強(qiáng)迫的方式幾乎沒(méi)有在分次立體定向放射治療（Stereotactic Radiotherapy, SRT）中應(yīng)用。使用無(wú)框架方法有以下好處：極大提高病人舒適度、實(shí)現(xiàn)分次治療的可行性和優(yōu)化臨床醫(yī)療流程（基于框架的方式要求圖像采集和治療在同一天進(jìn)行）。

配合圖像引導(dǎo)的無(wú)框架SRS 和SRT 已經(jīng)在很多機(jī)構(gòu)成功應(yīng)用于臨床，精確度和框架治療方式相似［1-4］。臨床中引入錐形束CT（CBCT）提供病人解剖結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量三維圖像，CBCT成為輔助病人擺位的強(qiáng)有力工具。盡管如此，CBCT也存在以下缺陷：（1）需要圍繞等中心旋轉(zhuǎn)獲取圖像，因此受限于床角為0°（±2.5°）的情況；（2）治療中無(wú)法獲取圖像。當(dāng)使用非共面照射技術(shù)開(kāi)展放療時(shí)，CBCT無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)病人最終的治療位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)，可能導(dǎo)致治療失?。?］。

使用光學(xué)表面影像技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證擺位和監(jiān)測(cè)病人運(yùn)動(dòng)，符合度達(dá)到1 mm，并且不受床角限制［6］。使用這種系統(tǒng)，每日探測(cè)的病人表面被配準(zhǔn)到一個(gè)事先記錄的參考表面（通?；谟?jì)劃CT生成或在第一次治療前采集的表面影像），計(jì)算出兩個(gè)表面在三維空間中達(dá)到最佳匹配時(shí)所需床移數(shù)據(jù)，輔助病人擺位。該系統(tǒng)還可以在治療過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人，在病人擺位準(zhǔn)確度超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值時(shí)中斷或者修正［7-9］。

本文使用一個(gè)顱腦體模進(jìn)行各種條件下的治療擺位及運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)比較CBCT 技術(shù)，評(píng)估瓦里安直線加速器EDGE 上搭載的光學(xué)表面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Optical Surface Monitoring System,OSMS）對(duì)頭部偏差探測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備介紹

OSMS是基于視頻的三維表面圖像系統(tǒng)，用于獲取病人在放療前及放療中的身體表面圖像。它包括3個(gè)吊頂攝像頭：2個(gè)橫向位于治療床的左右兩邊，另一個(gè)位于治療床床腳。投影裝置向病人投照紅光斑，投影裝置兩邊的2個(gè)圖像傳感器獲得病人及其身上的光斑圖像。綜合3個(gè)攝像頭采集的圖像，運(yùn)用近距離數(shù)字光斑成像法重建體模的三維表面［10］。此系統(tǒng)不需要身體表面標(biāo)記點(diǎn)，并且成像過(guò)程不產(chǎn)生輻射。瓦里安加速器的OBI 系統(tǒng)配備有kV-CBCT 設(shè)備，對(duì)于頭部通常使用“全扇面”模式（Full-Fan）掃描，管電壓100 kVp，管電流80 mA，曝光時(shí)間25 ms，視場(chǎng)野為直徑25 cm、長(zhǎng)18 cm的圓柱型區(qū)域。

1.2 設(shè)備校準(zhǔn)

OSMS系統(tǒng)被校準(zhǔn)到直線加速器坐標(biāo)系，系統(tǒng)每月每天進(jìn)行QA，保證攝像頭正確校準(zhǔn)到治療等中心，校準(zhǔn)使用一塊白色專用校準(zhǔn)面板，上有32×32 矩陣分布的黑色圓點(diǎn)（直徑1 cm），相鄰點(diǎn)距離2 cm，板上4 個(gè)角附近各有一個(gè)直徑1.7 cm 的黑色圓點(diǎn)。月檢要求當(dāng)4個(gè)較大點(diǎn)被手動(dòng)選擇時(shí)，所有圖像上的黑點(diǎn)都應(yīng)準(zhǔn)確顯示和識(shí)別出來(lái)。日檢要求核對(duì)攝像頭是否在正確的位置，以及按照月檢校準(zhǔn)數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)黑點(diǎn)。CBCT 系統(tǒng)使用IsoCal 校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)XI 影像設(shè)備等中心點(diǎn)［11］。通過(guò)MV尋找治療等中心點(diǎn)，然后獲得kV等中心點(diǎn)與治療等中心點(diǎn)的相對(duì)位置，保證CBCT等中心在治療等中心點(diǎn)的1.5 mm半徑內(nèi)。

1.3 設(shè)備使用

OSMS將參考表面作為標(biāo)準(zhǔn)，參考表面可基于計(jì)劃CT 圖像的外輪廓生成，也可基于OSMS 采集的圖像生成。如圖1所示，在參考表面勾畫(huà)感興趣區(qū)域ROI，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)重建的表面與參考表面進(jìn)行剛性配準(zhǔn)，計(jì)算出兩者在六維上（3 個(gè)方向位移，3 個(gè)方向旋轉(zhuǎn)）的位置偏差。CBCT 重建的三維圖像可與參考CT 進(jìn)行配準(zhǔn)，獲得治療床6 個(gè)方向上的校正信息。選擇HU值區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化匹配，本工作使用預(yù)設(shè)的骨性HU值對(duì)頭部體模進(jìn)行匹配。為保證機(jī)頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，床不會(huì)碰撞治療機(jī)頭或影像設(shè)備，CBCT圖像只在床角0°（±2.5°）時(shí)獲得。

圖1 OSMS工作站示意圖Fig.1 Optical surface monitoring system(OSMS)workstation interface

1.4 評(píng)估方法

用一個(gè)顱腦體模評(píng)估OSMS定位準(zhǔn)確度，體模包含顱內(nèi)骨結(jié)構(gòu)，具有臉部表面。體模放置在治療床上，不帶面罩不使用框架，使用西門(mén)子CT掃描，層厚1 mm，CT 圖像導(dǎo)入Eclipse 治療計(jì)劃系統(tǒng)，生成一個(gè)體表輪廓。創(chuàng)建一個(gè)虛擬的治療計(jì)劃，在體模中選取治療等中心。

1.4.1 評(píng)估治療前擺位準(zhǔn)確性使用OSMS 引導(dǎo)擺位，匹配區(qū)域包含額頭、眼睛、鼻子和面頰骨，與治療計(jì)劃系統(tǒng)（TPS）中的CT 輪廓進(jìn)行匹配，此時(shí)治療床的位置記做“OSMS 擺位”。再行CBCT 掃描，CBCT圖像與TPS中CT圖像進(jìn)行骨性自動(dòng)配準(zhǔn)，配準(zhǔn)獲得的治療床修正位移即為OSMS 系統(tǒng)相對(duì)CBCT 系統(tǒng)的擺位準(zhǔn)確性。

1.4.2 評(píng)估治療中監(jiān)測(cè)偏移精確度OSMS采集當(dāng)前位置圖像并設(shè)置為參考圖像，在加速器Service 模式下控制治療床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，預(yù)設(shè)位移分別在6個(gè)方向上進(jìn)行：包括上下、左右、前后3 個(gè)方向上-3.0、-2.0、-1.0、-0.2、-0.1、0.1、0.2、1.0、2.0 和3.0 cm，以及旋轉(zhuǎn)（rotation）、前傾（pitch）、滾動(dòng)（roll）3 個(gè)方向上-2.0°、-1.0°、-0.5°、-0.3°、-0.2°、-0.1°、0.1°、0.2°、0.3°、0.5°、1.0°和2.0°。另外，分30次在6個(gè)方向同時(shí)隨機(jī)偏移。記錄OSMS系統(tǒng)顯示的偏移監(jiān)測(cè)值，預(yù)設(shè)值與監(jiān)測(cè)值差異反映OSMS在±3 cm和±2°內(nèi)的偏移監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度。

1.4.3 評(píng)估特定條件下OSMS的正常使用將床角調(diào)至90°和45°，按1.4.2 節(jié)的方法評(píng)估OSMS 的探測(cè)準(zhǔn)確度。床角調(diào)回0°，機(jī)架角45°，加速器機(jī)頭擋住OSMS其中一個(gè)攝像頭，評(píng)估OSMS在僅雙攝像頭可用條件下的探測(cè)準(zhǔn)確度。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

統(tǒng)計(jì)分析采用95%可信區(qū)間，用Shapiro-wilk 檢驗(yàn)樣本是否為正態(tài)分布，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，用平均值表示系統(tǒng)偏差，用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示不確定度，因此采用t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 OSMS治療前擺位準(zhǔn)確性

OSMS和CBCT均將計(jì)劃CT作為配準(zhǔn)對(duì)象，OSMS擺位與CBCT擺位的符合度達(dá)到亞毫米級(jí)。粗略擺位的偏移小于1 cm和1°時(shí)，二者最大平移距離差為0.6 mm，最大旋轉(zhuǎn)角度差為0.2°。粗略擺位的偏移大于1 cm和1°時(shí)，二者最大平移距離差為1.1 mm，最大旋轉(zhuǎn)角度差為0.3°。

2.2 OSMS治療中監(jiān)測(cè)偏移精確度

當(dāng)OSMS 使用自身采集重建的圖像作為參考圖像進(jìn)行配準(zhǔn)時(shí)，結(jié)果如圖2～圖4和表1所示，單方向位移預(yù)設(shè)距離時(shí)，探測(cè)平移偏差范圍（0.1±0.2）mm，探測(cè)角度偏差范圍0.10°±0.07°。其中滾動(dòng)（roll）方向偏差相對(duì)較大，并且偏差值與預(yù)設(shè)值正相關(guān)。OSMS用于二次治療擺位及治療中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的精確度較高。

圖2 上下方向預(yù)設(shè)移動(dòng)時(shí)的探測(cè)偏差Fig.2 Detection deviation with predefined shift in vertical direction

圖3 前后方向預(yù)設(shè)移動(dòng)的探測(cè)偏差Fig.3 Detection deviation with predefined shift in longitudinal direction

2.3 床角非零時(shí)OSMS的準(zhǔn)確度

治療床旋轉(zhuǎn)90°，單方向位移3 cm 內(nèi)和旋轉(zhuǎn)2°內(nèi)的探測(cè)偏差在（0.0±0.3）mm 和0.00°±0.05°；治療床旋轉(zhuǎn)45°，單方向位移3 cm 內(nèi)和旋轉(zhuǎn)2°內(nèi)的偏差在（0.0±0.2）mm和0.01°±0.07°，證明床角非零不會(huì)影響OSMS 的使用。僅雙攝像頭可用條件下的治療中監(jiān)測(cè)偏移精確度為平均偏差（0.1±0.8）mm和0.10°±0.15°，和3個(gè)攝像頭采集圖像時(shí)結(jié)果相似，但是標(biāo)準(zhǔn)偏差略高，說(shuō)明當(dāng)有攝像頭被遮擋視線時(shí)，探測(cè)不確定度有所增加。

圖4 左右方向預(yù)設(shè)移動(dòng)的探測(cè)偏差Fig.4 Detection deviation with predefined shift in lateral direction

3 討論

放射治療已進(jìn)入精確放療時(shí)代，調(diào)強(qiáng)放射治療精度可以達(dá)到毫米級(jí)別，在數(shù)毫米范圍內(nèi)，為了有效保護(hù)正常組織，放療劑量梯度很大。精確放療定位是對(duì)患者放療質(zhì)量進(jìn)行控制的重要前提，它也是有效提升放療質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文基于OSMS 進(jìn)行頭部腫瘤放療實(shí)時(shí)定位準(zhǔn)確性的初步研究，結(jié)果表明：治療前擺位，OSMS 相對(duì)CBCT 定位的平均差異較小（1 mm 范圍內(nèi)）；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)偏差小于1 mm。OSMS 皮膚表面配準(zhǔn)能夠與CBCT 內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)建立相關(guān)性。對(duì)于常規(guī)分割放療及分次立體定向放療，第一次治療時(shí)，可以先通過(guò)OSMS 匹配計(jì)劃CT的外輪廓對(duì)病人進(jìn)行預(yù)擺位，然后使用CBCT進(jìn)行內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)最終擺位，最后使用OSMS產(chǎn)生一幅新的表面參考圖像，這副圖像用于之后分次間（多次治療間）的擺位及分次中（單次治療過(guò)程中）的監(jiān)測(cè)。OSMS與EDGE設(shè)備完全整合，OSMS產(chǎn)生的治療床位移信息能夠快速傳送至加速器控制系統(tǒng)調(diào)整擺位，幾乎不需要占用額外的時(shí)間，而CBCT采集和重建需約1～2 min［12］。分次間，需多次使用CBCT 驗(yàn)證擺位，引入OSMS一方面縮短各分次的擺位時(shí)間，另一方面減少CBCT掃描對(duì)病人造成的輻射劑量（通常一次掃描產(chǎn)生的劑量約1～2 cGy）［13-15］。另外，在非零床角導(dǎo)致CBCT無(wú)法使用的條件下，OSMS依然能夠?qū)崿F(xiàn)擺位，這是OSMS相比CBCT在擺位上的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

表1 單方向偏移的探測(cè)準(zhǔn)確度平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差值（±s）Tab.1 Detection accuracy of single-direction shift(Mean±SD)

表1 單方向偏移的探測(cè)準(zhǔn)確度平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差值（±s）Tab.1 Detection accuracy of single-direction shift(Mean±SD)

方向上下偏差/cm左右偏差/cm前后偏差/cm旋轉(zhuǎn)偏差/°前傾偏差/°滾動(dòng)偏差/°上下位移0.00±0.01 0.00±0.01 0.01±0.01 0.03±0.02 0.03±0.02-0.04±0.07左右位移-0.01±0.01 0.00±0.01 0.01±0.01 0.02±0.03-0.02±0.04-0.03±0.07前后位移-0.01±0.01 0.00±0.01 0.01±0.01 0.03±0.04 0.00±0.03 0.03±0.07旋轉(zhuǎn)-0.01±0.02 0.00±0.01 0.01±0.01 0.03±0.02 0.01±0.02 0.02±0.04前傾旋轉(zhuǎn)-0.01±0.01 0.00±0.01 0.01±0.02 0.02±0.03 0.00±0.03 0.02±0.03滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)0.00±0.01 0.00±0.01 0.01±0.01 0.03±0.02 0.01±0.02 0.01±0.04

OSMS 不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到病人自發(fā)移動(dòng)等其他突發(fā)狀況的發(fā)生，還具有實(shí)現(xiàn)門(mén)控治療的技術(shù)潛力。當(dāng)OSMS 監(jiān)測(cè)到實(shí)時(shí)圖像與參考圖像位置偏差超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，加速器暫停出束，直到偏差回到可接受閾值范圍內(nèi)再繼續(xù)出束。筆者研究組正在對(duì)本單位EDGE 上使用OSMS 開(kāi)展門(mén)控治療進(jìn)行基于體模的實(shí)驗(yàn)性研究。

本研究還使用OSMS 對(duì)網(wǎng)狀可塑面罩進(jìn)行表面重建，重建圖像不理想，表現(xiàn)為包含無(wú)數(shù)小孔的表面，說(shuō)明OSMS暫時(shí)不適用于使用網(wǎng)狀可塑面罩定位的放療。這和OSMS使用的光學(xué)表面影像技術(shù)有關(guān)，該技術(shù)投照特定光學(xué)圖案到被監(jiān)測(cè)表面，通過(guò)攝像頭識(shí)別光學(xué)圖案的扭曲程度計(jì)算重建表面輪廓，當(dāng)表面輪廓突變情況太多（如網(wǎng)狀可塑材料包含密集小孔）時(shí)，無(wú)法拍攝到完整光學(xué)圖案，導(dǎo)致重建效果不理想。除此之外，OSMS對(duì)不同膚色的監(jiān)測(cè)效果基本一致。

總體來(lái)說(shuō)，OSMS在實(shí)現(xiàn)提升病人舒適度且無(wú)額外的輻射損傷的同時(shí)，滿足如今放療對(duì)治療實(shí)施精度、治療時(shí)間的需求［2-4,16-17］。不過(guò)，由于OSMS 使用的監(jiān)測(cè)技術(shù)是基于一個(gè)重要的假設(shè)：表面輪廓與內(nèi)部腫瘤運(yùn)動(dòng)是相關(guān)的，在某些情況下這個(gè)假設(shè)可能是不成立的，尤其是肺部腫瘤［18-20］。臨床使用OSMS及其他光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，還需進(jìn)行更多研究，確保足夠的運(yùn)動(dòng)相關(guān)性。進(jìn)一步應(yīng)用于臨床，還需要評(píng)估臨床中病人自身移動(dòng)和器官變化對(duì)定位精度的影響，做更多皮膚表面和內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)性的研究。