CT模擬定位機(jī)在調(diào)強(qiáng)放療位置驗(yàn)證中的應(yīng)用

齊洪志，楊玉剛，郝潔，許林，尚革

新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 腫瘤中心，新疆 烏魯木齊 830054

引言

影像技術(shù)和計(jì)算機(jī)能力的最新發(fā)展使人們能夠獲取大型三維影像數(shù)據(jù)集，用于放射治療定位和復(fù)雜治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)，得益于此，調(diào)強(qiáng)放射治療逐漸取代了三維適形放射治療，成為放射治療的主要應(yīng)用技術(shù)[1-2]。調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于靶區(qū)劑量高度適形、靶區(qū)內(nèi)不同劑量強(qiáng)度可以靈活調(diào)節(jié)以及靶區(qū)邊緣劑量快速跌落，使照射區(qū)內(nèi)靶區(qū)獲得致死劑量，危及器官受照最小劑量成為可能，這對(duì)放射治療擺位的精準(zhǔn)度也提出了更高的要求。目前，在放射治療前進(jìn)行靶區(qū)位置驗(yàn)證已經(jīng)成為放療共識(shí)[3]。在加速器機(jī)載影像設(shè)備出現(xiàn)之前，主要使用常規(guī)模擬定位機(jī)進(jìn)行位置驗(yàn)證。利用電子射野影像系統(tǒng)（Electronic Portal Imaging Device，EPID）和錐形束CT（Cone Beam Computed Tomography，CBCT）進(jìn)行位置驗(yàn)證雖然具有一定的優(yōu)勢(shì)[4-5]，但受制于加速器配置，并且在使用時(shí)間上也與放療實(shí)施有一定的沖突。據(jù)調(diào)查，截至2022 年，全國(guó)仍有50%以上的放療機(jī)構(gòu)未配置CBCT，且各醫(yī)療機(jī)構(gòu)CT 模擬定位機(jī)配置數(shù)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)[6]。如果使用CT 模擬定位機(jī)進(jìn)行放療前的位置驗(yàn)證，既可以解決位置驗(yàn)證患者與放療患者使用機(jī)器時(shí)間沖突的問(wèn)題，又可為尚未配置EPID 和CBCT的醫(yī)療機(jī)構(gòu)確保實(shí)施精準(zhǔn)放射治療提供選擇依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 儀器設(shè)備

飛利浦BrillianceTMBig Bore CT 模擬定位機(jī)，可提供85 cm 物理孔徑，治療床位移精度0.5 mm，滿足放射治療定位中各種掃描體位需求。Lap 可移動(dòng)激光燈，位移精度0.1 mm。采用瓦里安CX 醫(yī)用電子直線加速器EPID 和醫(yī)科達(dá)CBCT XVI 系統(tǒng)。

1.2 一般資料

選取2021 年6 月至2021 年12 月在我院實(shí)施調(diào)強(qiáng)放療的60 例患者，其中頭頸部、胸腹部和盆腔部各20 例。體位固定方式使用定位膜加塑型墊固定，并在患者身上用記號(hào)筆勾畫(huà)出水解熱塑膜的邊界，固定患者的碳纖維底座與CT 模擬定位機(jī)床板通過(guò)適配器固定。塑型墊使用前置于80℃的恒溫烤箱中加熱，然后取出置于患者體下，根據(jù)患者照射體位進(jìn)行塑形，待溫度冷卻后定型，優(yōu)勢(shì)在于無(wú)須抽放氣且形狀保持較好，不易變形。放射治療前使用CT 模擬定位機(jī)進(jìn)行位置驗(yàn)證，記錄驗(yàn)證結(jié)果，將患者隨機(jī)分配到瓦里安EPID 系統(tǒng)和醫(yī)科達(dá)CBCT XVI系統(tǒng)重新進(jìn)行放療前的位置驗(yàn)證并記錄結(jié)果。

1.3 位置驗(yàn)證方法

在放療計(jì)劃系統(tǒng)中選取患者照射等中心橫斷面，顯示照射等中心位置，并通過(guò)測(cè)量工具測(cè)量等中心至固定解剖結(jié)構(gòu)（如顱骨邊緣、椎體、骨盆邊緣等相對(duì)穩(wěn)定的解剖結(jié)構(gòu)）之間的距離，測(cè)量患者左右（Lateral，Lat）和前后（Vertical，Vrt）兩個(gè)方向的距離（圖1）。在CT模擬定位機(jī)上，按照計(jì)劃系統(tǒng)給出的移床坐標(biāo)將可移動(dòng)激光燈從定位參考位置移動(dòng)到照射等中心位置，并在該位置設(shè)置金屬標(biāo)記點(diǎn)，掃描條件層厚2 mm，1 mm 重建，掃描范圍以金屬標(biāo)記點(diǎn)為中心掃描48 mm（該CT 模擬定位機(jī)最小掃描范圍），以減少患者不必要接受的輻射劑量。在CT 掃描圖像中找到3 個(gè)金屬標(biāo)記點(diǎn)的層面，與計(jì)劃系統(tǒng)中等中心層面比較，確定照射等中心后，調(diào)節(jié)可移動(dòng)激光燈，在體膜等中心處粘貼膠布，畫(huà)好標(biāo)記線，醫(yī)生、物理師、技師簽字確認(rèn)，位置驗(yàn)證工作即結(jié)束。

圖1 等中心在治療計(jì)劃系統(tǒng)（a）和CT模擬定位機(jī)（b）中測(cè)量結(jié)果

1.4 加速器離線配準(zhǔn)和模擬加速器復(fù)位過(guò)程

將患者移至加速器上，按照等中心標(biāo)記線進(jìn)行擺位，并進(jìn)行EPID 拍片或者CBCT 采集照射部位圖像。瓦里安CX 加速器采用EPID 進(jìn)行位置驗(yàn)證，醫(yī)科達(dá)Synergy采用CBCT 進(jìn)行位置驗(yàn)證。

1.5 CT圖像與CBCT圖像的差異

由于影像采集方式和圖像重建算法等因素的差異，CT 模擬定位機(jī)提供的三維影像從對(duì)比度、分辨率和偽影等方面，均明顯優(yōu)于CBCT 提供的三維影像（圖2），尤其是在局部有氣腔存在的情況，CBCT 影像有明顯的條狀偽影，造成周圍器官影像對(duì)比度變差，無(wú)法辨識(shí)清楚器官與器官之間以及正常器官與腫瘤之間的關(guān)系，這給位置驗(yàn)證帶來(lái)了一定的困擾。

圖2 同一橫斷面CT圖像（a）與CBCT圖像（b）對(duì)照?qǐng)D

1.6 位置驗(yàn)證前后計(jì)劃比較

將CT 模擬定位機(jī)獲取的位置驗(yàn)證影像回傳至放療計(jì)劃系統(tǒng)，與原計(jì)劃影像進(jìn)行圖像融合，融合后將原放療計(jì)劃移至位置驗(yàn)證影像上，重新計(jì)算劑量分布，得到驗(yàn)證影像的放療計(jì)劃。在原放療計(jì)劃CT 圖像中選取與位置驗(yàn)證影像相同層面的影像，重建1 組與驗(yàn)證影像相同層數(shù)和層厚的影像結(jié)構(gòu)，并將原放療計(jì)劃移至該影像上，計(jì)劃等中心不變，重新計(jì)算劑量分布，得到定位CT 影像的放療計(jì)劃（圖3）。將兩組放療計(jì)劃與放療劑量輸出，導(dǎo)入Arc-CHECK 軟件，進(jìn)行分析。同時(shí)將放療計(jì)劃移至CT 模擬機(jī)位置驗(yàn)證影像上進(jìn)行劑量計(jì)算，并與相同層厚與層數(shù)的原定位CT 影像上生成的計(jì)劃進(jìn)行比較，判斷通過(guò)不同分析標(biāo)準(zhǔn)得到的γ 通過(guò)率是否符合臨床要求，從劑量學(xué)角度證明應(yīng)用的準(zhǔn)確性。

圖3 位置驗(yàn)證前后治療計(jì)劃系統(tǒng)（a）和CT模擬定位機(jī)（b）劑量分布對(duì)照?qǐng)D

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 25.0 統(tǒng)計(jì)軟件將上述不同位置驗(yàn)證方式的結(jié)果進(jìn)行平均值比較和配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)采用±s表示，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 位置驗(yàn)證位移偏差結(jié)果

CT 模擬定位機(jī)位置驗(yàn)證人數(shù)共60 例，其中，CBCT 和EPID 位置驗(yàn)證各30 例。3 種方式位置驗(yàn)證在Lat、Vrt、Lng 方向的平均位移結(jié)果如表1 所示。其中，在Lat、Vrt 方向，3 種位置驗(yàn)證方式的平均位移差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Lat 方向：CTvs.CBCTt=1.045、P=0.305，CTvs.EPIDt=0.474、P= 0.639；Vrt 方向：CTvs.CBCTt=0.282、P=0.780，CTvs.EPIDt=-0.460、P=0.649），在Lng 方向，CT 模擬機(jī)驗(yàn)證方式平均位移顯著低于CBCT和EPID（CTvs.CBCTt=-3.630、P=0.001，CTvs.EPIDt=-5.297、P＜0.001）。

表1 3種方式位置驗(yàn)證結(jié)果（±s，mm）

表1 3種方式位置驗(yàn)證結(jié)果（±s，mm）

注：Lat：左右；Vrt：前后；Lng：頭腳。

驗(yàn)證方式Lat方向Vrt方向Lng方向CT（n=60） 1.5333±0.6456 1.2600±0.5063 1.0333±0.3676 CBCT（n=30） 1.4200±0.6201 1.2267±0.4870 1.5600±0.7079 EPID（n=30） 1.4067±0.6617 1.3167±0.4457 1.5833±0.5820

2.2 3種驗(yàn)證方法結(jié)果比較

60 例患者隨機(jī)分配到瓦里安和醫(yī)科達(dá)加速器，每臺(tái)加速器30 例患者，對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行分析，見(jiàn)表2、圖4，使用CT 模擬定位機(jī)進(jìn)行位置驗(yàn)證在Lng 方向擺位誤差的范圍顯著小于CBCT 和EPID（P＜0.05）。

表2 3種驗(yàn)證方法結(jié)果比較（mm）

圖4 3種位置驗(yàn)證方式擺位誤差分布圖

2.3 兩組放療計(jì)劃劑量分布比較

位置驗(yàn)證前后兩組CT 影像有略微變化，導(dǎo)致同一組計(jì)劃在兩組影像上的劑量分布也發(fā)生了輕微改變，將兩組計(jì)劃的劑量文件導(dǎo)入到ArcCHECK 軟件中，并設(shè)置3 組不同的分析標(biāo)準(zhǔn)（1 mm/3%、2 mm/3%和3 mm/3%），將兩組計(jì)劃進(jìn)行比較，3 個(gè)軸面的劑量分布如圖5 所示，通過(guò)軟件分析得到1 mm/3%、2 mm/3%和3 mm/3%的γ 通過(guò)率通過(guò)率分別為95.48%±0.7543%、98.60%±0.7920%、99.80%±0.2847%，可以看出同一計(jì)劃在位置驗(yàn)證前后兩組影像的劑量分布的γ 通過(guò)率均大于95%，滿足臨床要求。

圖5 等中心在治療計(jì)劃系統(tǒng)（a）和CT模擬定位機(jī)（b）在3個(gè)軸面的劑量分布

3 討論

隨著放射治療技術(shù)的發(fā)展，放療位置驗(yàn)證的形式也在不斷更新，從二維影像到三維影像引導(dǎo)放射治療[7-9]，以及光學(xué)體表監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)管理策略的運(yùn)用[10-11]，均表明了位置驗(yàn)證對(duì)于精準(zhǔn)放療的重要性。以往對(duì)于放療位置驗(yàn)證多圍繞與EPID 和CBCT 的應(yīng)用[12-15]，或不同CBCT 配準(zhǔn)技術(shù)之間對(duì)位置驗(yàn)證的研究[16-17]，以及不同影像引導(dǎo)方式的影像劑量差異[18]。張愛(ài)華等[19]利用研發(fā)的CT 模擬驗(yàn)證軟件系統(tǒng)，使用CT 模擬定位機(jī)對(duì)腹部腫瘤進(jìn)行放療位置驗(yàn)證。而臨床上，大部分的醫(yī)院仍然使用常規(guī)模擬定位機(jī)進(jìn)行放療前的位置驗(yàn)證，CT 模擬定位機(jī)更多是用于放療定位使用。

本研究通過(guò)使用CT 模擬定位機(jī)進(jìn)行放療前位置驗(yàn)證，一方面增加了CT 模擬定位機(jī)的使用率，為那些沒(méi)有配備CBCT 或者EPID 的醫(yī)療機(jī)構(gòu)以及放療患者人數(shù)較多，無(wú)法滿足所有患者在加速器上進(jìn)行位置驗(yàn)證的醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供了一個(gè)新途徑；另一方面，相對(duì)于常規(guī)模擬定位機(jī)、EPID 和CBCT 進(jìn)行位置驗(yàn)證，CT 模擬定位機(jī)的掃描圖像質(zhì)量更有優(yōu)勢(shì)，診斷級(jí)的影像更有利于觀察等中心附近危及器官的相對(duì)位置，尤其是軟組織的分辨率明顯優(yōu)于上述3 種驗(yàn)證方式。位置驗(yàn)證后將掃描圖像回傳至計(jì)劃系統(tǒng)與CT 定位影像進(jìn)行融合配準(zhǔn)，可以進(jìn)一步分析位置驗(yàn)證結(jié)果。

本研究中，Lng 方向的位移是通過(guò)回傳位置驗(yàn)證影像與CT 定位影像融合配準(zhǔn)得到的，在位置驗(yàn)證時(shí)只能測(cè)量Lat 方向和Vrt 方向的位移。從結(jié)果上看，使用CT模擬定位機(jī)驗(yàn)證時(shí)，Lng 方向的平均位移要小于EPID和CBCT 驗(yàn)證方式的結(jié)果，原因是測(cè)量時(shí)首先要確定照射等中心的層面，即3 個(gè)金屬標(biāo)記點(diǎn)所在的層面。如果發(fā)現(xiàn)該層面與CT 定位時(shí)的等中心層面不相符，就需要做相應(yīng)的調(diào)整，通過(guò)醫(yī)生和物理師相互確認(rèn)找到最相符的層面，將金屬標(biāo)記點(diǎn)重新標(biāo)記后再次掃描得到與CT定位時(shí)最相符的等中心層面，再將十字標(biāo)記線移至3 個(gè)金屬標(biāo)記的中心，得到等中心點(diǎn)，從等中心點(diǎn)測(cè)量Lat方向和Vrt 方向的位移。在3 個(gè)軸向旋轉(zhuǎn)角度方面，使用二維影像進(jìn)行位置驗(yàn)證是無(wú)法獲取擺位角度偏差的，CT 模擬定位機(jī)可以通過(guò)將位置驗(yàn)證影像回傳到計(jì)劃系統(tǒng)中，通過(guò)圖像融合獲取角度擺位誤差，屬于離線位置驗(yàn)證，使用CBCT 在位置驗(yàn)證的過(guò)程中就能獲得角度擺位誤差，屬于在線位置驗(yàn)證。本研究并未在結(jié)果中體現(xiàn)角度偏差的數(shù)據(jù)，是因?yàn)楸緳C(jī)構(gòu)的加速器沒(méi)有配置六維床，在實(shí)際使用過(guò)程中角度擺位偏差只用于評(píng)估，并不能直接按照位置配準(zhǔn)給出的角度誤差進(jìn)行校正。從CBCT 和EPID 位置驗(yàn)證的結(jié)果看，在Lat 方向和Vrt 方向的平均位移與CT 模擬定位機(jī)相比無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明CT 模擬定位機(jī)位置驗(yàn)證總體上是符合位置驗(yàn)證要求的，將放療計(jì)劃移至CT 模擬機(jī)位置驗(yàn)證影像上進(jìn)行劑量計(jì)算，通過(guò)不同分析標(biāo)準(zhǔn)得到的γ 通過(guò)率均符合臨床要求，從劑量學(xué)角度證明了其應(yīng)用的準(zhǔn)確性[20-21]。

此外，需注意，無(wú)論采取何種方式進(jìn)行放療前位置驗(yàn)證，均必須對(duì)所采用的驗(yàn)證設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量保證措施，尤其是對(duì)于CBCT 的使用，務(wù)必要定期對(duì)影像中心和加速器等中心進(jìn)行校準(zhǔn)，確保二者一致時(shí)才能保證影像引導(dǎo)的正確性。另外實(shí)施放射治療的一個(gè)重要限制因素是治療期間和分次治療間的運(yùn)動(dòng)不確定性導(dǎo)致的目標(biāo)位置偏差。在放射治療的路徑中，運(yùn)動(dòng)管理策略已從治療前定位、治療計(jì)劃、成像和驗(yàn)證過(guò)程中得到越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)和臨床實(shí)施[22-23]。所以，了解在放療中使用運(yùn)動(dòng)管理的科學(xué)基礎(chǔ)和臨床原理，以及在此類情況下準(zhǔn)確應(yīng)對(duì)處理系統(tǒng)和隨機(jī)誤差至關(guān)重要。

4 結(jié)論

CT 模擬定位機(jī)能夠滿足臨床上調(diào)強(qiáng)放療位置驗(yàn)證的需求，以及獲取軟組織分辨率更好的位置驗(yàn)證影像，方便醫(yī)生觀察靶區(qū)和危及器官的相對(duì)關(guān)系，可在最大程度地利用該設(shè)備的同時(shí)，解決部分醫(yī)院未配置CBCT 進(jìn)行調(diào)強(qiáng)放療位置驗(yàn)證的難題。