膀胱癌圖像引導(dǎo)放療中基于骨骼與基于內(nèi)植標(biāo)記物錐形束CT校準(zhǔn)比較

田龍，席強，趙鑫，劉月霞，張遵浩

1.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院，河北張家口075000；2.張家口教育學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院，河北張家口075000；3.河北醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院，河北石家莊050000

前言

精確放療已成為行業(yè)內(nèi)主導(dǎo)［1］，圖像引導(dǎo)放療（Image-Guided Radiation Therapy,IGRT）可有效提高膀胱癌靶區(qū)適形度和劑量，降低周圍正常組織、器官，例如直腸、前列腺等劑量［2-3］。IGRT的關(guān)鍵在于放療中、放療前確定靶區(qū)位置［4-6］，為此可利用正交X線［7］、內(nèi)植電磁感應(yīng)追蹤器［8］、超聲探測［9］等方法，來定位腫瘤靶區(qū)。

隨著錐形束CT（Cone Beam CT,CBCT）技術(shù)的普及和成熟，越來越多的放療科室裝備了載有CBCT的加速器［10］。多數(shù)放療科室在治療前進行CBCT 掃描，并基于軟組織或骨骼自動校準(zhǔn)來調(diào)整每日誤差［11］。已證明膀胱癌IGRT 中，基于軟組織自動校準(zhǔn)方法尚存不足，因此基于相鄰骨骼（例如骶骨）自動校準(zhǔn)可能是更好的選擇［11］。在已有文獻證明基于內(nèi)植標(biāo)記物校準(zhǔn)充足可靠性前提下，考慮到膀胱會因多種因素（包括直腸、膀胱充盈度變化、腸胃蠕動等）發(fā)生相對于相鄰骨骼的位移［11］。本研究以基于內(nèi)植標(biāo)記物手動校準(zhǔn)為參考，比較其同基于相鄰骨骼自動校準(zhǔn)之間準(zhǔn)確性的差異。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備

（1）西門子ARTISTE 直線加速器（裝載MV 級CBCT系統(tǒng)），如圖1所示；（2）西門子大孔徑CT模擬機，如圖2所示；（3）Visicoil金球標(biāo)記物（具有良好射線不透性，直徑0.075 cm，長度1 cm），如圖3所示。

圖1 西門子ARTISTE加速器及其所載MV-CBCT成像設(shè)備Fig.1 Siemens ARTISTE accelerator and MV-cone beam computed tomography(MV-CBCT)device

圖2 西門子大孔徑模擬CTFig.2 Siemens big-bore simulation CT

圖3 Visicoil金球標(biāo)記物Fig.3 Visicoil golden markers

1.2 試驗方法

（1）患者：篩選河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院放療科2015年12月～2016年12月期間接受膀胱癌IGRT治療患者12 名。所有病人之前未接受包括手術(shù)、化療、激素治療等在內(nèi)的任何治療。病人體征如表1所示。

表1 病人體征Tab.1 Signs of enrolled patients

（2）標(biāo)記物安放：采用截石位仰臥，通過經(jīng)直腸超聲引導(dǎo)術(shù)和細針抽吸術(shù)將標(biāo)記物植入膀胱癌靶區(qū)不同的層面，如圖4所示，圖中灰色方框為物理師所設(shè)置的選擇框，白色輪廓為膀胱外輪廓，金球標(biāo)記物位于靶區(qū)范圍內(nèi)。標(biāo)記物之間距離大于15 mm，其中7人植入1～2枚標(biāo)記物，5人植入3～4枚標(biāo)記物。

（3）CT 模擬：采用仰臥位，使用西門子大孔徑模擬CT進行增強掃描和重建。掃描范圍：第五腰椎到肛門，除膀胱外其他區(qū)域掃描層厚為3 mm，膀胱區(qū)域1 mm，以保證標(biāo)記物可視性。其中8人接受4DCT掃描，4人接受3DCT掃描。

（4）放療：使用西門子ARTISTE直線加速器實施治療。總劑量4 500 cGy，分次20次，分次劑量225 cGy，規(guī)定達到95%的處方劑量目標(biāo)。

（5）MV 級CBCT 掃描和校準(zhǔn)：對所有病人于每日治療前進行MV級CBCT掃描，共240次，均執(zhí)行基于相鄰骨骼（骶骨）自動校準(zhǔn)和基于內(nèi)植標(biāo)記物手動校準(zhǔn)兩種方法，記錄每次校準(zhǔn)平移差異，忽略旋轉(zhuǎn)差異。

（6）3個方向及3D空間向量差異計算：對于兩種校準(zhǔn)結(jié)果在左右（LR）、頭腳（SI）、前后（AP）等各個方向差異，即（ΔX,ΔY,ΔZ），筆者分別使用以下公式計算［11］：

圖4 植入標(biāo)記物的膀胱CBCT圖像Fig.4 CBCT images of bladder with implanted markers

其中，a代表基于內(nèi)植標(biāo)記物校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，b代表基于相鄰骨骼校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，每個病人共獲得20個結(jié)果，全部12名病人共獲得240 個結(jié)果。對于3D 空間向量差異，我們采用以下公式計算［11］：

（7）計劃靶區(qū)（PTV）邊界修正和重置：常規(guī)膀胱癌IMRT 中PTV 邊界是在臨床靶區(qū)（CTV）邊界基礎(chǔ)上外擴5～10 mm 獲得。本研究中，PTV 邊界修正和重置數(shù)值來自于基于相鄰骨骼的校準(zhǔn)，即通過Van Herk's 統(tǒng)計學(xué)公式實現(xiàn)［12］。該公式保證了90%病人PTV劑量達到95%的處方劑量目標(biāo)。公式如下：其中，M為某個方向上PTV的邊界；Σ為該方向上群體系統(tǒng)誤差，即所有病人基于相鄰骨骼校準(zhǔn)和基于標(biāo)記物校準(zhǔn)之間在該方向上差異的標(biāo)準(zhǔn)差；σ是群體隨機誤差，即所有病人基于相鄰骨骼校準(zhǔn)和基于標(biāo)記物校準(zhǔn)之間在該方向上差異的平均值。本研究計算了左右（LR）、上下（SI）和前后（AP）3個方向上的邊界。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

使用SAS 統(tǒng)計學(xué)軟件回顧性分析患者在3 個方向上基于標(biāo)記物和基于相鄰骨骼校準(zhǔn)數(shù)據(jù)差異。

2 結(jié)果

2.1 各方向差異

所有病人均接受了完整的膀胱癌IGRT 治療，均未出現(xiàn)標(biāo)記物引起的并發(fā)癥?；谙噜徆趋佬?zhǔn)和基于標(biāo)記物校準(zhǔn)在左右（LR）、上下（SI）和前后（AP）方向上差異的平均值分別為3.2、6.1 和2.6 mm，其分布如圖5～圖7所示。63 個分次（26.3%）在至少一個方向軸上出現(xiàn)大于10 mm的差異，137個分次（57.2%）在一個方向軸上出現(xiàn)大于5 mm差異。左右（LR）、上下（SI）和前后（AP）方向上最大差異分別為13、21 和12 mm。

2.2 3D空間向量差異

圖5 兩種校準(zhǔn)在左右（LR,即X方向）方向上的240個對比結(jié)果Fig.5 The 240 comparison results for two calibrations in left-right direction(X direction)

圖6 兩種校準(zhǔn)在頭腳（SI,即Y方向）方向上的240個對比結(jié)果Fig.6 The 240 comparison results for two calibrations in superiorinferior direction(Y direction)

圖7 兩種校準(zhǔn)在前后（AP,即Z方向）方向上的240個對比結(jié)果Fig.7 The 240 comparison results for two calibrations in anterior-posterior direction(Z direction)

3D空間向量差異代表了絕對空間差異?；谙噜徆趋佬?zhǔn)和基于標(biāo)記物校準(zhǔn)之間3D空間向量差異平均值為8.6 mm，如圖8所示。162 個分次（67.9%）出現(xiàn)大于5 mm 差異，94 個分次（39.5%）出現(xiàn)大于10 mm 差異。

圖8 兩種方法在3D空間向量上的240個對比結(jié)果Fig.8 The 240 comparison results for two calibrations in 3D spatial vectors

2.3 PTV邊界修正和重置

膀胱癌IGRT 基于相鄰骨骼校準(zhǔn)中，通過Van Herk's 計算出PTV 邊界應(yīng)在CTV 邊界基礎(chǔ)上外擴：左右（LR）11 mm、上下（SI）20 mm 和前后（AP）10 mm，如表2所示。

表2 PTV修正值（mm）Tab.2 Corrected values of planning target volume(mm)

2.4 標(biāo)記物數(shù)量導(dǎo)致的差異

內(nèi)植1～2 枚標(biāo)記物病人在具有顯著統(tǒng)計學(xué)特性方向上（SI，AP 和3D 空間向量，LR 不具有顯著統(tǒng)計學(xué)特性），差異明顯大于內(nèi)植3～4枚標(biāo)記物病人，如表3所示。

表3 標(biāo)記物數(shù)量導(dǎo)致的差異Tab.3 Differences caused by the number of implanted markers

2.5 掃描方式導(dǎo)致的差異

接受4DCT 掃描病人在具有顯著統(tǒng)計學(xué)特性方向上（SI和3D空間向量，LR和AP不具有顯著統(tǒng)計學(xué)特性），差異明顯大于接受3DCT 掃描病人，如表4所示。

表4 掃描方式導(dǎo)致的差異Tab.4 Differences caused by scanning methods

3 討論

MV級CBCT同kV級CBCT［11］相比，由于能量過高，光電效應(yīng)貢獻小，故對比度低，而且高能導(dǎo)致高背景噪音，也使得MV級CBCT掃描中基于軟組織灰度值校準(zhǔn)更加困難，因此基于相鄰骨骼校準(zhǔn)是更好的選擇，但同基于內(nèi)植標(biāo)記物校準(zhǔn)相比，存在一定差異，可參考其他研究報告［7-9,12］。

通常放療計劃中PTV邊界在CTV邊界基礎(chǔ)上外擴5～10 mm獲得，本研究結(jié)果顯示，基于相鄰骨骼校準(zhǔn)存在一定誤差。162 個分次（67.9%）出現(xiàn)大于5 mm 3D空間向量差異，若仍應(yīng)用5 mm邊界，則會出現(xiàn)靶區(qū)劑量覆蓋不足的問題；94個分次（39.5%）出現(xiàn)大于10 mm 3D 空間向量差異，若仍應(yīng)用10 mm 邊界，則會出現(xiàn)輸出劑量無法達到要求的情況，這是由于直腸等組織體積變化所造成，且膀胱本身充盈度也容易發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其位移和形變，并出現(xiàn)差異。

基于內(nèi)植標(biāo)記物校準(zhǔn)準(zhǔn)確真實地反映了靶區(qū)位置，使得群組回顧性分析（Van Herk's 公式）所獲得的11、20 和10 mm（分別為LR、SI 和AP 方向）邊界均降低至2 mm（近似成像系統(tǒng)固有誤差），這樣得到最小PTV外擴邊界。內(nèi)植1～2枚標(biāo)記物病人差異大于3～4枚病人原因為標(biāo)記物數(shù)量越多，處理旋轉(zhuǎn)誤差能力越強，故可以修正旋轉(zhuǎn)誤差的六維機床是解決問題的關(guān)鍵［13］。接受4DCT 掃描病人差異大于3DCT 掃描病人原因為4DCT 掃描更精確地考慮了標(biāo)記物在多個呼吸循環(huán)周期中的平均位置，更真實地反映標(biāo)記物的實際位置，因此得到結(jié)果對比差異會更大［14］。

本課題之前研究了膀胱癌IGRT 中利用kV 級CBCT，基于軟組織灰度值校準(zhǔn)同基于內(nèi)植標(biāo)記物校準(zhǔn)的比較［11］，結(jié)果兩種方法在3D 空間向量、左右（LR）、頭腳（SI）、前后（AP）上差異平均值分別為6.5、0.3、4.5 和16.7 mm，同本研究8.6、3.2、6.1 和2.6 mm的結(jié)果相比差異較大，進一步證明膀胱癌IGRT中就準(zhǔn)確性來說，基于相鄰骨骼校準(zhǔn)優(yōu)于基于軟組織灰度值校準(zhǔn)。而且，骨骼和內(nèi)植標(biāo)記物在MV 和kV 級CBCT平片上均可獲得良好可視性，故在不具備內(nèi)植標(biāo)記物的條件下，膀胱癌IGRT中基于相鄰骨骼校準(zhǔn)不失為任何一種CBCT 模式下更優(yōu)的選擇。不同模式之間主要差異為軟組織可視度差別。

雖然基于內(nèi)植標(biāo)記物校準(zhǔn)是最準(zhǔn)確的，但其本身帶有一定手術(shù)風(fēng)險和額外醫(yī)療成本，并不適合普及，因此還需要開發(fā)其他圖像分析、計算方法。Zhang等［15］和張基永等［16］提出劑量校準(zhǔn)新算法，即通過CBCT掃描獲得模擬劑量分布，同計劃CT所生成的劑量分布對比，從而實現(xiàn)校準(zhǔn)；Fidanzio等［17-18］和Michael等［19］均提出基于CBCT劑量病人自適應(yīng)校準(zhǔn)算法，提高了準(zhǔn)確度且更符合自適應(yīng)放療要求；Robles等［20］通過超聲圖像定位骨骼和其他器官，或許未來可將其應(yīng)用于放療，從而在治療過程中實時了解興趣器官同骨骼之間的位置關(guān)系，實現(xiàn)多圖像聯(lián)合校準(zhǔn)。

4 結(jié)論

膀胱癌IGRT 中常用的基于相鄰骨骼自動校準(zhǔn)在準(zhǔn)確度上劣于基于膀胱內(nèi)植標(biāo)記物手動校準(zhǔn)。通過群組回顧性分析得到的新PTV邊界至少在90%分次治療中可足夠滿足靶區(qū)覆蓋要求，這對于降低基于相鄰骨骼校準(zhǔn)誤差影響，甚至保證沒有圖像引導(dǎo)下的常規(guī)IMRT治療準(zhǔn)確性至關(guān)重要。同時，編制新算法提高基于相鄰骨骼自動校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，利用新圖像分析方式實現(xiàn)多種圖像聯(lián)合校準(zhǔn)，避免內(nèi)植標(biāo)記物給病人帶來的手術(shù)風(fēng)險和經(jīng)濟負擔(dān)是未來研究的趨勢。