CT用于腹部放射治療前等中心位置驗證的臨床應用

張愛華 張 軍 胡 健 戈 偉*

在腹部腫瘤的放射治療中，容易受到腹式呼吸、腹部脂肪厚、皮膚松弛、胃腸蠕動及充盈程度不同等因素的影響[1]。為確保患者受照射時的實際中心位置與計劃位置一致，放射治療前進行等中心位置驗證是最重要的一個環(huán)節(jié)[2]。臨床常規(guī)對放射治療位置驗證行模擬機二維位置驗證，或加速器在線錐形束計算機斷層攝影(cone-beam computed tomography，CBCT)位置驗證。現(xiàn)有的放射治療模擬機使用頻率過高導致經(jīng)常出現(xiàn)設備故障，加速器自帶的影像設備只能用于該加速器使用，而其他無自帶影像設備的加速器無法使用。針對上述問題經(jīng)過多年研發(fā)，本研究研發(fā)出一套CT模擬驗證軟件系統(tǒng)，作用于常規(guī)CT上，可以精確地為腹部患者進行放射治療前等中心位置驗證，以解決因放射治療設備條件限制影響工作效率，使放射治療前位置驗證的重要環(huán)節(jié)順利進行。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018年7-11月在武漢大學人民醫(yī)院準備行放射治療的50例腹部腫瘤患者，所有患者均采用真空負壓氣墊袋加碳纖維板底座固定，均采用CT靶區(qū)定位掃描，層厚為5 mm，用激光槍在患者體部做擺位坐標標記。圖像數(shù)據(jù)傳輸至RTQA CT Simulator軟件進行靶區(qū)勾畫，然后由該系統(tǒng)傳輸至Varian加速器的Eclipse計劃系統(tǒng)進行計劃設計，待計劃確認后將患者帶至定位室對放射治療計劃行等中心位置驗證后對所有患者再次進行加速器在線CBCT位置驗證。

1.2 納入與排除標準

(1)納入標準：①經(jīng)病理確診為腫瘤需行腹部放射治療；②意識清楚、聽力、語言表達無障礙，了解自身病情；③自愿參加本研究并填寫知情同意書。

(2)排除標準：①既往有心腦血管疾病、重要器官損害；②有嚴重并發(fā)癥或精神障礙、感知障礙；③已參與其他研究。

1.3 儀器設備

自行設計研發(fā)的CT 模擬驗證系統(tǒng)；RTQACT Simulator軟件系統(tǒng)(上海康達醫(yī)療器械公司)；Discovery CT 590 RT型CT機(美國GE公司)，配備三維可移動激光燈系統(tǒng)，該CT所配帶的軟件無配準驗證功能；加速器的Eclipse計劃系統(tǒng)(美國Varian公司)；體位固定裝置(真空負壓墊)及碳纖維底板(廣州科萊瑞迪公司)；Varian 23IX型直線加速器(美國Varian公司)。

1.4 位置驗證方法

1.4.1 常規(guī)CT機等中心位置驗證

(1)誤差驗證：使用模體進行系統(tǒng)誤差的驗證，在x(左右)、y(前后)和z(頭腳)3個方向的系統(tǒng)誤差分別均＜1 mm。經(jīng)Eclipse治療計劃系統(tǒng)做出患者的治療計劃，并確定靶區(qū)治療坐標后將生成的RT文件傳輸至自行研發(fā)的RTQACTSimulator軟件。

(2)患者體位：患者取仰臥于CT機床上，按照首次體位固定標準擺位到患者治療點位置，按照激光燈在體表指示的3個位置分別貼上鉛點，其中兩個鉛點在患者的水平X軸和上下Y軸上。行CT預掃描，在定位像中確定鉛點的位置，以鉛點所在的位置為中心前后3 cm設置層厚為1 mm，其他層厚為5 mm進行掃描，頭腳方向的掃描總長為20 cm。

(3)圖像獲取：由RTQA CT Simulator軟件獲取驗證CT的圖像，并使用軟件中的標定功能，找到鉛點所在層面，其中患者左右兩個點作為水平X軸上的點，上下方向的點為Y軸上的點，標定驗證治療中心的位置。

(4)圖像配準：將驗證CT圖像和定位CT圖像進行配準，其中配準分為手工配準和自動配準，配準無誤后，RTQA CT Simulator軟件以定位CT圖像的坐標系為參考坐標系，計算出定位CT的計劃擬定治療中心和驗證CT上標定的治療中心的偏移量，該偏移量即復位等中心x(左右)、y(前后)和z(頭腳)3個方向的誤差量值。

1.4.2 直線加速器在線CBCT位置驗證

(1)參考圖像：采用定位CT圖像作為3D-CBCT的參考圖像，從瓦里安加速器網(wǎng)絡系統(tǒng)(ARIA)數(shù)據(jù)庫調(diào)用。圖像采集：在千伏級能量源(kV-Source)處附加半濾線器，從182°逆時針旋轉(zhuǎn)至178°(或反向)，采集圖像360°，千伏級探測板(V-detector)距離kVSource 150 cm，在水平方向移動4.8 cm，Reconstruction工作站重建生成三維CT圖像直徑為45 cm，z(頭腳)方向16 cm的CBCT圖像[3]。

(2)圖像配準對比：采集CBCT圖像后，在3個方向?qū)臋M斷面、冠狀面和矢狀面分別采用骨性配準、灰度值配準和手動配準3種配準方式分別與參考圖像進行配準對比，兩者產(chǎn)生的差值為x(左右)、y(前后)和z(頭腳)3個方向的比較[4]。3個方向上的誤差分別記錄為Ex、Ey、Ez，根據(jù)參考中山大學附屬腫瘤醫(yī)院制定的質(zhì)量控制標準(腹部誤差以±5 mm作為位置驗證合格標準)，任一方向上誤差在±3～±5 mm時需進行修正，當誤差＞±5 mm時，要求對患者進行重新擺位重新校對。

1.5 統(tǒng)計學方法

采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行處理，計數(shù)資料采用例數(shù)和百分比表示；數(shù)據(jù)呈非正態(tài)分布，等級資料比較采用秩和檢驗；計量資料用均數(shù)±標準差()表示，采用配對t檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 兩種驗證模式采集圖像辨識度

CBCT拍攝的圖像在右側(cè)胃旁有明顯的條紋干擾，導致圖像不清晰，這是因為空腔更容易受到不均勻性的影響，而導致逆向成像有條紋干擾，而常規(guī)CT則無明顯該條紋干擾；CBCT的圖像由于對比度差，而導致正常器官以及腫瘤組織很難辨識，而在常規(guī)CT圖像中可以很容易識別出正常器官以及腫瘤組織，見圖1。

圖1 兩種驗證模式的采集圖像

2.2 兩種位置驗證模式誤差結果

分別記錄并統(tǒng)計常規(guī)CT等中心位置驗證和加速器在線CBCT位置驗證在x(左右)、y(前后)和z(頭腳)3個方向的平移誤差，并將誤差分為3個等級范圍Ea≤±3 mm，±3 mm＜Eb≤±5 mm，Ec＞±5 mm。①常規(guī)CT等中心定量分析位置驗證時x方向上各誤差等級范圍例數(shù)依次為Ea12例(24%)、Eb34例(68%)和EC4例(8%)，y(前后)方向上為Ea9例(18%)、Eb35例(70%)和Ec6例(12%)，z(頭腳)方向上為Ea28例 (56%)、Eb18例(36%)和Ec4例(8%)；②加速器在線CBCT位置驗證時x(左右)方向為Ea11例(22%)、Eb28例(56%)和Ec11例(22%)，y(前后)方向上為Ea8例(16%)、Eb29例(58%)和Ec13例(26%)，z(頭腳)方向上為Ea22例(44%)、Eb18例(36%)和Ec10例(20%)。

2.3 兩種位置驗證平移誤差等級比較

在誤差等級中，常規(guī)CT等中心位置驗證誤差等級Ea為49例，Eb為87例，Ec為14例；加速器在線CBCT位置驗證Ea為41例，Eb為75例，Ec為34例；常規(guī)CT等中心位置驗證誤差等級在Ea和Eb上的例數(shù)多于加速器在線CBCT位置驗證誤差等級上的例數(shù)；在Ec上常規(guī)CT等中心位置驗證誤差等級例數(shù)比加速器CBCT驗證誤差等級例數(shù)少。表明常規(guī)CT等中心位置驗證誤差量值小于加速器在線CBCT位置驗證，經(jīng)統(tǒng)計學Z檢驗，差異有統(tǒng)計學意義(Z=-2.296，P＜0.05)，見表1。

表1 兩種驗證方式3個方向平移誤差等級比較(例)

2.4 兩種位置驗證平移誤差比較

兩種驗證方法x(左右)、y(前后)和z(頭腳)3個方向上的平移誤差EX、EY和EZ比較，差異均有統(tǒng)計學意義(t=-5.623，t=-5.371，t=-6.342；P＜0.05)，見表2。

表2 兩種位置驗證方式不同方向平移誤差比較(mm，)

表2 兩種位置驗證方式不同方向平移誤差比較(mm，)

注：表中Ex為左右方向誤差；Ey為前后方向誤差；Ez為頭腳方向誤差

3 討論

腹部患者放射治療，由于受腹式呼吸和胃腸充盈不同程度的影響，為提高臨床受照靶區(qū)劑量，避免正常組織和危及器官受照，對擺位的精度提出了很高的要求，為確保放射治療質(zhì)量及安全，在首次治療前均進行位置驗證[5-8]。臨床上一般采用模擬機行二維位置驗證，或者在直線加速器上進行在線CBCT位置驗證，二維模擬機驗證由于是X射線攝片膠片成像，采用0°和90°的角度采集獲取相關正側(cè)位影像并和數(shù)字化重建影像(digitally reconstructed radiography，DRR)進行比對，用骨性標記作為參考點，故其清晰度和位置精度欠佳[9]。在線行CBCT位置驗證.每位患者從體位擺放完畢，到CBCT圖像采集，再到位置配準，這一系列環(huán)節(jié)需耗費加速器大量時間，而放射治療患者日益增多，導致放射治療設備滿足不了現(xiàn)有診療需求，使在線CBCT位置驗證技術在實際應用中的使用并不理想，且未帶圖像引導放射治療(image guided radiation therapy，IGRT)的加速器無法使用。本研究將自行研發(fā)CT模擬驗證系統(tǒng)運用于常規(guī)CT上，有效地解決二維模擬機驗證和在線加速器CBCT驗證存在的弊端。該系統(tǒng)可將放射治療的圖像存儲、發(fā)送和圖像融合配準，靶區(qū)勾畫，驅(qū)動激光燈指示復位中心，將計劃等中心和復位等中心進行比對，進而測算出誤差量值，完成位置驗證。本研究結果顯示，運用CT模擬驗證系統(tǒng)將常規(guī)CT用于腹部放射治療等中心位置驗證和直線加速器在線CBCT位置驗證，平移誤差在x(左右)、y(前后)和z(頭腳)3個方向上，誤差等級分級比較，常規(guī)CT位置驗證優(yōu)于CBCT位置驗證，差異有統(tǒng)計學意義。常規(guī)CT用于腹部放射治療等中心定量分析位置驗證的圖像清晰度和辨識度比加速器在線CBCT位置驗證的圖像清晰度和辨識度要高。這是由于運用CT模擬驗證系統(tǒng)將常規(guī)CT用于腹部放射治療等中心位置驗證，是360°獲取圖像采集，且在橫斷面進行顯像，是對患者掃描圖像的還原，更直觀的提供了中心層面的高密度分辨率圖像，不僅骨性標記點被清晰標志出，其腹部腫瘤周圍的軟組織、腫瘤組織也顯示的比較清晰[10]。現(xiàn)階段，對于多層螺旋CT技術而言，其探測儀器的主要材料為稀土陶瓷，這一材料具有輸出率較高，以及穩(wěn)定性較好等特點。常規(guī)CT機的控測器高達300～800個并與相對的X射線管只做旋轉(zhuǎn)運動，因此能收集較多數(shù)據(jù)，掃描時間為5 s以內(nèi)，使偽影大幅減少，圖像質(zhì)量提高，故提高了圖像配準的清晰度[11]。常規(guī)CT機借助CT模擬驗證系統(tǒng)作為技術支持，采用移動激光系統(tǒng)機器控制且顯示精度為0.1 mm，故可以提高三維方向上平均精度[12]。CBCT是一種計算機斷層成像技術，使用圓錐形光束對被檢體進行360°旋轉(zhuǎn)掃描，用錐束CT重建算法對獲得的二維圖像進行重建，從而獲得三維立體的放射圖像[13]。由于錐形束CT系統(tǒng)硬件加工工藝限制，導致的各探測元單元靈敏度和效率不一致，單個探測元損壞以及一些不可控的原因，CBCT圖像中往往會出現(xiàn)與被掃描組織結構無關且均以重建中心為圓心，灰度值不同于周圍像素的一系列偽影。偽影的出現(xiàn)大福降低了CBCT圖像的質(zhì)量與真實性，對于腹部低密度的軟組織而言影響更大[14-15]。導致相對于常規(guī)CT成像清晰度差，并導致精度有所降低。

4 結論

本研究表明，利用研發(fā)軟件將常規(guī)CT運用于腹部放射治療等中心位置驗證，因其具有成像清晰度高且可以精準配準等優(yōu)點，既保障了腹部放射治療質(zhì)量安全，又提高了常規(guī)CT機的使用率，使得醫(yī)療資源應用最大化，具有重要的臨床應用價值。

由于位移誤差由x(左右)、y(前后)和z(頭腳)3個方向上的平移誤差和繞此3個方向的旋轉(zhuǎn)誤差組成，由于加速器治療床只能沿著x(左右)方向旋轉(zhuǎn)，其他的兩個方向不能旋轉(zhuǎn)，故本次研究未對腹部放射治療患者做繞此3個方向上的旋轉(zhuǎn)誤差做統(tǒng)計，是本研究的欠缺之處。為此，本研究將改進軟件設計，使其具備對3個方向旋轉(zhuǎn)誤差的分析功能，再做進一步的研究，以完善該欠缺。