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(shù)密切相關(guān)［1］。腦腫瘤放療靶區(qū)周圍往往有腦干、垂體、眼球和視神經(jīng)等重要正常組織，需要精準(zhǔn)放療。但在放療實(shí)踐過程中，我們發(fā)現(xiàn)擺位誤差會(huì)導(dǎo)致放療靶區(qū)產(chǎn)生“熱點(diǎn)”和“冷點(diǎn)”，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(zhǔn)放療的重要環(huán)節(jié)［2］。

影像引導(dǎo)放療（image-guide radiotherapy，IGRT），可以采集患者治療時(shí)的影像信息、校正擺位誤差和控制放療計(jì)劃的實(shí)施［3］。我院放療科Elekta Synergy加速器利用其機(jī)載的CBCT系統(tǒng)，通過kV級(jí)射線源產(chǎn)生的X射線，對(duì)患者進(jìn)行環(huán)繞掃描，由非硅晶探測器板采集的信號(hào)，經(jīng)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(jìn)行對(duì)比，通過移動(dòng)治療床，修正治療時(shí)的擺位誤差，從而提高治療時(shí)擺位的精度，實(shí)現(xiàn)圖像引導(dǎo)。在IGRT放療中，圖像配準(zhǔn)方式是影響擺位精度的重要因素。Elekta XVI圖像引導(dǎo)軟件中有骨配準(zhǔn)和灰度配準(zhǔn)兩種自動(dòng)配準(zhǔn)方式，本研究旨在通過比較這兩種配準(zhǔn)方法，嘗試初步探討適合于腦腫瘤精準(zhǔn)放療擺位的配準(zhǔn)方式。

方 法

1. 研究對(duì)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(zhì)瘤72例，腦膜瘤18例，腦淋巴瘤10例。

2. 研究方法

采用的設(shè)備：瑞典Elekta公司的Synergy直線加速器XVI圖像引導(dǎo)系統(tǒng)和Oncentra 4.1治療計(jì)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(jù)患者感受的舒適程度選擇頭枕A或B，并用熱塑網(wǎng)膜面罩固定在底板上。在CT下，根據(jù)LAP激光線在熱塑膜上標(biāo)記“十”字線，并在“十”字線交叉處貼上鉛點(diǎn)后進(jìn)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(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行患者信息的確認(rèn)。

2.2 計(jì)劃設(shè)計(jì)和治療中心的確定

主診醫(yī)生根據(jù)2018年NCCN-中樞神經(jīng)系統(tǒng)指南中相關(guān)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(shè)置射野的等中心點(diǎn)，建立三維坐標(biāo)系，并根據(jù)靶區(qū)和危及器官限定的處方劑量進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)。在計(jì)劃完成后經(jīng)主診醫(yī)生審核批準(zhǔn)，并經(jīng)物理師驗(yàn)證后，物理師將計(jì)劃通過網(wǎng)絡(luò)傳至Synergy直線加速器，同時(shí)將計(jì)劃CT影像和等中心點(diǎn)坐標(biāo)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(jù)治療中心對(duì)患者進(jìn)行復(fù)位，重新貼標(biāo)記線，標(biāo)記線的交叉點(diǎn)就是等中心點(diǎn)。

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(shí)患者的體位進(jìn)行擺位，移動(dòng)治療床，激光線對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記線，利用機(jī)載CBCT系統(tǒng)進(jìn)行CBCT圖像采集。掃描方式為Fast Head and Neck，掃描參數(shù)為濾線器F0，準(zhǔn)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(jī)架旋轉(zhuǎn)角度為320~160°。圖像采集后，在XVI圖像引導(dǎo)系統(tǒng)的工作站上用兩種自動(dòng)配準(zhǔn)方法對(duì)CBCT圖像和定位CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)（圖1）。

2.4 圖像配準(zhǔn)方法

根據(jù)醫(yī)科達(dá)IGRT協(xié)作組的推薦，將配準(zhǔn)區(qū)域設(shè)置為計(jì)劃CT影像外輪廓外擴(kuò)1 cm。XVI系統(tǒng)有手動(dòng)配準(zhǔn)和自動(dòng)配準(zhǔn)，手動(dòng)配準(zhǔn)的結(jié)果受限于操作者的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，臨床應(yīng)用較少。而自動(dòng)配準(zhǔn)是根據(jù)圖像的電子密度自動(dòng)識(shí)別完成，包括骨配準(zhǔn)和灰度配準(zhǔn)這兩種自動(dòng)配準(zhǔn)方法。

本研究采用自動(dòng)配準(zhǔn)方法中的骨配準(zhǔn)和灰度配準(zhǔn)這兩種方法。配準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)是以CBCT圖像和定位CT圖像的重合度為依據(jù)，觀察相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)是否達(dá)到重合的相應(yīng)要求。研究時(shí)對(duì)每例患者分別選取骨配準(zhǔn)和灰度配準(zhǔn)這兩種方法進(jìn)行分析，記錄骨配準(zhǔn)和灰度配準(zhǔn)時(shí)各自在坐標(biāo)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(jì)學(xué)分析

本研究為單中心研究，使用SPSS19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。各組數(shù)據(jù)的均值小于標(biāo)準(zhǔn)差，服從正態(tài)分布（圖2），兩種配準(zhǔn)方式在X、Y、Z三個(gè)線性方向上分別采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，各組數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，數(shù)據(jù)分析結(jié)果以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

兩種配準(zhǔn)方式所得到的全部數(shù)據(jù)如圖3和4所示，其中圖3為骨配準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，圖4為灰度配準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。骨配準(zhǔn)與灰度配準(zhǔn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析見表1。結(jié)果顯示，兩種配準(zhǔn)方式的擺位誤差都不大，均＜0.5 cm，骨配準(zhǔn)的均值及標(biāo)準(zhǔn)差在X、Y、Z三個(gè)方向上均小于灰度配準(zhǔn)，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(jì)學(xué)意義。這提示Synergy加速器CBCT應(yīng)用于腦腫瘤，骨配準(zhǔn)方式更有利于縮小擺位誤差，提高擺位精度。

表1 兩種配準(zhǔn)方式的數(shù)據(jù)分析結(jié)果 ，cm

表1 兩種配準(zhǔn)方式的數(shù)據(jù)分析結(jié)果 ，cm

配準(zhǔn)方式骨配準(zhǔn)灰度配準(zhǔn)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(jīng)系統(tǒng)的腫瘤多指發(fā)生在腦和脊椎管內(nèi)腫瘤。相對(duì)于腦腫瘤，脊椎管內(nèi)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(yùn)動(dòng)和腦脊液流動(dòng)的影響，椎體活動(dòng)度大；而其中全腦全脊髓照射更是涉及多個(gè)中心，多個(gè)照射野的銜接等技術(shù)難點(diǎn)；CBCT掃描參數(shù)、配準(zhǔn)區(qū)域和配準(zhǔn)方式的選擇較為復(fù)雜。所以脊椎管內(nèi)腫瘤的配準(zhǔn)方式有待后續(xù)進(jìn)一步的研究。本研究聚焦于腦腫瘤放療的圖像配準(zhǔn)方式，期望該研究能對(duì)降低腦腫瘤放療的擺位誤差提供初步的數(shù)據(jù)分析。

Synergy加速器的CBCT所實(shí)現(xiàn)的圖像引導(dǎo)放療，主要是通過XVI軟件進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，計(jì)算出擺位校正的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可直接傳送給加速器，通過治療床的移動(dòng)完成患者位置的修正，進(jìn)一步提高治療精準(zhǔn)性。

本次研究對(duì)Synergy加速器CBCT的兩種自動(dòng)配準(zhǔn)方式，即骨配準(zhǔn)與灰度配準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。這兩種配準(zhǔn)方式采用不同的算法，骨配準(zhǔn)算法為分級(jí)斜面匹配算法，通過最小距離尋找影像的邊界進(jìn)行匹配［5］?；叶扰錅?zhǔn)的算法主要基于影像的相關(guān)性自動(dòng)配準(zhǔn)，基于快速傅里葉變換找到配準(zhǔn)的最優(yōu)解，適用于平面平移及旋轉(zhuǎn)［6］。

在腦腫瘤放療中，頭部的骨性結(jié)構(gòu)明顯，在治療時(shí)頭部經(jīng)面罩固定后很少明顯移動(dòng)。采用骨配準(zhǔn)的方式，可根據(jù)其算法直接快速地得到配準(zhǔn)結(jié)果，而灰度配準(zhǔn)的算法，是根據(jù)影像的相關(guān)性配準(zhǔn)，與骨配準(zhǔn)相比，配準(zhǔn)所需計(jì)算的數(shù)據(jù)量較大，配準(zhǔn)時(shí)間略長，易受周圍組織和外界條件的干擾，對(duì)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性有影響，從而容易產(chǎn)生計(jì)算誤差。

莫穎等［7］進(jìn)行了擺位誤差對(duì)靶區(qū)劑量影響的研究，指出擺位誤差在±3 mm內(nèi)，靶區(qū)接受的照射劑量與理論值接近。沈浩等［8］在對(duì)計(jì)劃驗(yàn)證的研究中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)X、Y方向上誤差＜2 mm時(shí)，對(duì)計(jì)劃驗(yàn)證通過率影響較??；當(dāng)X、Y誤差＞3 mm時(shí)，計(jì)劃驗(yàn)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(duì)鼻咽癌的擺位誤差對(duì)靶區(qū)及其周圍危機(jī)器官影響的研究中，表明擺位誤差對(duì)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(duì)包括腦腫瘤在內(nèi)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(kuò)，減小計(jì)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(jié)果顯示，骨配準(zhǔn)的精度高于灰度配準(zhǔn)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，本研究的結(jié)果與上述分析是一致的。所以在腦腫瘤的CBCT應(yīng)用中，推薦使用骨配準(zhǔn)的方式進(jìn)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(zhǔn)方式，不同配準(zhǔn)范圍可能對(duì)于配準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生影響，張建等［10］的研究顯示，配準(zhǔn)范圍的大小與配準(zhǔn)誤差有明顯的反比關(guān)系。CT和CBCT對(duì)腦腫瘤等軟組織的邊界顯示不清晰，CBCT的圖像質(zhì)量欠佳，配準(zhǔn)區(qū)域的自動(dòng)分割存在難度，易產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。所以盡管腦腫瘤的位置對(duì)于顱骨基本上相對(duì)固定且形變位移不明顯，但是腫瘤區(qū)域自動(dòng)配準(zhǔn)的可靠性需要進(jìn)一步地提升。故在本次研究中未選擇兩種自動(dòng)配準(zhǔn)算法對(duì)腫瘤區(qū)域進(jìn)行配準(zhǔn)對(duì)比分析。

MRI在線引導(dǎo)的自適應(yīng)放療（MRgRT）雖然還未廣泛應(yīng)用于臨床，但MRgRT可在整個(gè)放療過程中持續(xù)監(jiān)測腫瘤情況，評(píng)估治療效果，將對(duì)目前的腦腫瘤放療產(chǎn)生較大的影響［11］。另外，隨著人工智能技術(shù)在腦腫瘤放療中的應(yīng)用，以合成CT圖像，感興趣區(qū)域分割，靶區(qū)的人工配準(zhǔn)等先驗(yàn)知識(shí)為基礎(chǔ)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)在腦腫瘤放療過程中的全方位運(yùn)用，將更進(jìn)一步增加配準(zhǔn)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(shù)的開展。

最后需要指出，機(jī)房內(nèi)的治療是整個(gè)放療工作流程中的最后環(huán)節(jié)。在CBCT的實(shí)際使用中，因?yàn)獒t(yī)生一般很少參與到每次治療，主要是放療技師對(duì)配準(zhǔn)的結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)分析。所以對(duì)技師來說，需要具備專業(yè)的放射影像、放射物理、放射技術(shù)的知識(shí)以及高度的責(zé)任心。同時(shí)在圖像配準(zhǔn)時(shí)，技師不能完全機(jī)械地依賴設(shè)備，需要結(jié)合自身的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)分析和確認(rèn)，保證腦腫瘤放療的擺位精度，確保治療的安全可靠執(zhí)行。