Siemens IONTRIS質子重離子設備臨床應用中的配準策略

劉珠磊，尤丹,4，周丹，李永強

1.上海市質子重離子醫院 放射物理科，上海 201321；2.上海市放射腫瘤學重點實驗室，上海 201321；3.上海質子重離子放射治療工程技術研究中心，上海 201321；4.復旦大學附屬腫瘤醫院 放射物理科，上海 201321

引言

高能帶電粒子治療腫瘤始于20世紀50年代，美國伯克列·勞倫斯國家實驗室將不同帶電粒子首次用于腫瘤的放射治療，但受限于當時的技術水平，未能取得成功[1]。1990年，全球首臺醫用質子同步加速器在美國加州羅瑪琳達大學安裝使用。得益于計算機技術的發展，使得放射醫學技術取得了突破性的飛躍，質子放射治療獲得成功，取得了滿意的臨床結果，減輕了并發癥，同時腫瘤控制率也有所提高[2-3]。從此，質子放射治療得到了快速發展。重離子放射治療僅有日本國立放射醫學研究所和德國國家重離子研究所兩家機構在進行相關研究，其相關臨床實踐證實，碳離子較傳統X射線、γ射線和質子在放射治療中具有更高的生物效應和療效提升的能力[4]。為了達到較高的患者擺位精度，Siemens IONTRIS質子重離子治療設備配備了先進的高精度六維機械人治療床，可以進行六個方向的擺位誤差校正，其自帶的影像引導系統配備了高精度機械人手臂、X線管、高分辨率平板探測器和自動配準軟件，但是四間治療室共用同一個同步加速器[5-6]，即同一時刻同步加速器僅可將束流輸送至某一個治療室，另一治療室此時僅可進行擺位、影像引導等工作。因此就存在不同治療室之間束流的銜接問題，最佳情況是既不浪費束流又不讓患者床上等待束流的時間過長。本研究利用此影像引導系統分別獲取了頭部、頭頸部、胸部和腹部的擺位誤差，且分別記錄了計算機自動配準和治療師手動配準得到的擺位誤差；利用統計學方法對兩種配準方式的擺位誤差進行對比分析，從而確定對于不同部位采取不同的配準策略，以更加高效、準確地完成配準，減少患者治療床上等待時間。

1 材料與方法

1.1 影像引導系統

影像引導系統安裝于治療室天花板上，由X線管組件、平板探測器、C形機械臂和一臺控制計算機組成，C形機械臂兩端分別為X線管組件和平板探測器[7]。需要做患者治療前的影像引導時，該C形機械臂會將X線成像系統移至治療床處分別拍攝患者擬照射區域的一張正位片和一張側位片。影像引導系統的誤差每日質量保證結果必須小于1 mm。

1.2 臨床資料

通過簡單隨機抽樣方法，選擇2018年1月至12月在上海市質子重離子醫院接受治療的45例患者進入本次研究，其中頭部10例（靶區局限于頭部），頭頸部（靶區分布于頭部和頸部）10例，胸部15例，腹部10例。每位患者在接受制模、定位、治療前都接受了醫院標準操作流程規定的宣教，以使患者最大程度上理解和配合治療過程。

1.3 患者固定材料

富瑞公司生產的放療專用發泡膠、美國CIVICO?公司生產的頭頸部熱塑模和頭頸肩碳纖維板，用于固定患者頭部和頸部，以達到良好的重復性。5例胸部患者采用美國CIVICO?公司生產的真空墊固定，5例胸部患者采用美國CIVICO?公司生產的頸胸部熱塑模和美國Qfix?公司生產的一體碳纖維板組合固定，5例胸部患者采用美國CIVICO?公司生產的真空墊和胸部熱塑模組合固定。5例腹部患者采用美國Qfix?公司生產的belly board，專門用于放射治療的腹部俯臥位固定，5例腹部患者采用美國CIVICO?公司生產的真空墊、熱塑模和泡沫墊組合固定。

1.4 Siemens SOMATOM Definition AS CT模擬機

具有78 cm孔徑機架，旋轉360°用時0.33 s；具有高分辨率的清晰圖像，以及低劑量成像，用于獲取患者定位CT圖像。

1.5 LAP ASTOR激光定位系統

用于在患者皮膚和固定模具上投射出激光線，使患者在之后的治療中，能重復精確定位。在治療室內，裝有兩個十字線激光燈和一個線型激光燈。

1.6 擺位誤差的獲取

完成患者擺位后，移動治療床和影像引導系統至治療計劃設定的影像引導位置，踩下透視踏板3～5 s后，再即刻踩下攝片踏板，影像引導裝置轉動90°后，重復一次此過程，獲取患者正位和側位驗證片。將影像引導獲取的圖像與CT定位重建出的數字重建圖像（Digitally Reconstructed Radiography，DRR）先通過自動配準軟件進行配準，記錄下配準結果，然后治療師再進行手動配準，記錄下配準結果，以使兩者在最大程度上重合[8]。最后，經臨床醫師確認好配準結果后，治療床移動至校正好的治療位置，即可開始治療。記錄DRR與影像引導圖像之間在六維方向上的誤差即為擺位誤差，其中僅通過自動軟件配準后的擺位誤差為自動配準擺位誤差，通過手動配準后的擺位誤差為手動配準擺位誤差；六個方向分別是沿x軸平移的左右平移方向（lat）、沿y軸平移的頭腳平移軸向（long）、沿z軸平移的前后平移方向（vert）、沿z軸旋轉的等中心旋轉方向（iso）、沿x軸旋轉的俯仰旋轉方向（pitch）、沿y軸旋轉的橫滾旋轉（roll）方向，見圖1。

圖1 擺位誤差配準界面（a）和六維方向示意圖（b）

1.7 統計學處理

隨機選擇的45例腫瘤患者收集到的六維擺位誤差數據共計900組。采用SPSS 23.0軟件對900組數據中的自動配準擺位誤差與手動配準擺位誤差，按照不同部位分別進行了配對樣本t檢驗以分析兩者是否有統計學差異，P＜0.05認為有統計學差異，然后利用SPSS 23.0軟件的圖表構建器做出了相應的箱圖分布，以更直觀地對比兩者差別。自動配準是治療師手動配準的輔助手段，其配準結果必須經過治療師的確認，手動配準才是最后的金標準。通過配對樣本t檢驗的方法來比較自動配準與手動配準的差異，可以發現自動配準在不同部位的優劣。有較多統計學差異的部位說明自動配準在該部位不宜使用，反之，則適于使用。

2 結果

2.1 頭部患者自動配準和手動配準擺位誤差的對比

兩種配準方式僅在左右平移方向配準擺位誤差差異存在統計學意義（P＜0.05）（表1和圖2）。

圖2 頭部自動和手動配準擺位誤差箱圖

表1 頭部患者自動配準和手動配準擺位誤差的比較（n=100）

2.2 頭頸部患者自動配準和手動配準擺位誤差的對比

兩種配準方式在前后平移方向、等中心旋轉方向和橫滾方向差異均存在統計學意義（P＜0.05）（表2和圖3）。

圖3 頭頸部自動和手動配準擺位誤差箱圖

表2 頭頸部患者自動配準和手動配準擺位誤差的比較（n=100）

2.3 胸部患者自動配準和手動配準擺位誤差的對比

兩種配準方式在左右、頭腳、前后平移和等中心旋轉方向上均存在統計學差異（表3和圖4）。

表3 胸部患者自動配準和手動配準擺位誤差的比較

圖4 胸部自動和手動配準擺位誤差箱圖

2.4 腹部患者自動配準和手動配準擺位誤差的對比

兩種配準方式在頭腳平移方向和橫滾旋轉方向存在統計學差異（表4和圖5）。

圖5 腹部自動和手動配準擺位誤差箱圖

表4 腹部患者自動配準和手動配準擺位誤差的比較

3 討論

放射治療的影像引導發展到現在已經形成了以錐形束CT、kV 級平面攝像、兆伏級電子射野影像系統為主流手段[9-10]的格局。目前，根據國際粒子放療協作組織網絡公布的資料，全球范圍內僅有德國海德堡離子治療中心、馬爾堡離子治療中心和中國上海市質子重離子醫院三家醫療機構擁有Siemens IONTRIS質子重離子治療設備，此設備配準策略的相關內容尚無人研究。盛馨等[11]采用Siemens CTVision直線加速器自帶的滑軌CT獲取了22例頭頸部腫瘤患者的手動配準、骨性配準、灰度值配準3種配準方式三維擺位誤差，發現三種配準方式結果無統計學差異，實際應用中建議先行骨性配準再進行手動微調。

相比之下本研究更加全面地涵蓋了四個部位的45例患者的900組六維擺位誤差數據，同樣得出了可以指導配準實踐的實用性結論。六維誤差的手動配準在三個旋轉方向上存在一定難度，需要治療師的豐富經驗和多次嘗試，以達到DRR和驗證片最完美的配準。六維誤差尤其在頭部之外的部位，在一定程度上，自動配準軟件的算法還難以達到經驗豐富的治療師配準水平；這也是自動配準與手動配準存在差異的根本原因，這個問題可提供給軟件開發方作為下一版本軟件升級解決的首要問題。隨著人工智能在醫學圖像處理領域的快速發展，相信這一問題會迎刃而解[12]。姚明青等[13]提出了一種基于深度強化學習的多模態醫學圖像配準可使配準誤差減少30%左右，而且還可以解決大幅度形變的問題。然而本文沒有研究病例數目相對較少的四肢和盆腔部位的腫瘤的配準情況，另外，按照部位分類研究配準策略的方法略顯粗糙，未來可以更加細化地按照病種、不同固定方式來分別研究，得到更加準確的結論。