CT-on-rail圖像引導技術在肺癌放療中的應用

周夢熙，王 凡，董 東，陳香存

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◇臨床醫學研究◇

CT-on-rail圖像引導技術在肺癌放療中的應用

周夢熙，王 凡，董 東，陳香存

目的 比較滑軌CT(CT-on-rail)和電子射野影像系統(EPID)兩種圖像引導放射治療(IGRT)技術在肺癌放療中的應用，并比較不同圖像匹配方式對放療擺位精度的影響。方法 對16例肺癌患者在放療期間每周行1次EPID和CT掃描并進行圖像配準，得出X、Y、Z 3個線性方向的誤差值，進行統計學分析，對2種IGRT方法進行比較；滑軌CT組分別有灰度、輪廓和骨性標志模式，觀察3種配準方式對擺位精度的影響。結果 CT和EPID配準的X、Y、Z三維方向差異均有統計學意義(P<0.05) 。CT配準組中通過3種配準方法得出，X軸、Z軸圖像匹配采用灰度模式比輪廓和骨性標志模式精度高，差異有統計學意義(P<0.05)；Y軸上灰度模式和輪廓模式精度高于骨性標志模式，差異有統計學意義(P<0.05)。結論 基于CT-on-rail系統進行的圖像引導放射治療比基于EPID系統進行的圖像引導放射治療精度高；在使用滑軌CT進行肺癌圖像引導放療時，建議首選灰度模式配準。

滑軌CT；電子射野影像系統；圖像引導放射治療；擺位誤差

圖像引導放射治療(image guided radiation therapy, IGRT)是一種新型的、通過一系列影像系統進行靶區定位和患者擺位的腫瘤放療技術[1]。在腫瘤放療過程中結合CT、核磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)、正電子發射計算機斷層顯像(positron emission tomography, PET)或超聲等影像設備，借助某些特殊解剖結構與計劃圖像進行配準融合，其目的是減少放療期間靶區位移誤差和擺位誤差，監測和校正放療時腫瘤和正常組織運動引起的誤差，實時監測腫瘤及其標志物[2]，更好地保護正常組織器官，減輕放療副作用，提高腫瘤照射量。IGRT包括電子射野影像系統(electronic portal imaging device, EPID)、KV級X線攝片和透視、滑軌CT(CT-on-rail)、錐形束CT(cone beam computerized tomography，CBCT)等。當前最常用的是CT-on-rail和KV級或MV級CBCT，其采集靶區2D圖像，并迅速將其重建為3D圖像，在整個治療過程中對放射線和熒光進行監控，以減少靶區運動和周圍正常組織生理變化引起的擺位變化[3]。肺癌放療過程中，由于分次間的擺位誤差、分次間的靶區移位和變形以及分次中的運動誤差，肺癌精確放療的擺位重復性較差，放療精確度不如其他部位尤其是頭頸部腫瘤，不僅會影響對病灶的療效，還會增加對正常組織的放射性損傷。目前已有不少研究針對CBCT和EPID在肺癌放療精度上進行比較，而對滑軌CT和EPID進行圖像配準的研究較少。該文對滑軌CT和EPID兩種IGRT方法在肺癌放療中的應用進行研究，并比較分析灰度、輪廓、骨性標志3種不同圖像配準方式對擺位精度的影響。

1 材料與方法

1.1 病例資料 收集2015年8月～2016年2月經影像學和病理學確診為肺癌并于安徽醫科大學第一附屬醫院放療科行肺癌精確放療的16例患者的臨床資料，其中男12例，女4例；年齡20～70歲，中位年齡45歲；放射治療采用2 Gy/次，5次/周，DT 60 Gy/30 f，個別患者由于病灶體積過大或臨近部位2年內已接受過放射治療，故減少劑量至40～46 Gy/20～23 f。考慮IGRT全過程耗時較長，排除高齡、身體狀況差、無法配合的患者，所有研究對象KPS評分≥70分。

1.2 擺位、CT掃描及計劃制定 所有患者取仰臥位，雙手上舉抱肘置于額頭上，經真空體模固定體位，在模擬機下定位，三維激光燈擺位，9點法標記。定位后于西門子Artist加速器配備的滑軌CT掃描CT圖像，掃描范圍從環狀軟骨至雙側肋膈角，厚層為5 mm。將掃描CT圖像傳輸至放射治療計劃系統，進行靶區及重要危及器官包括皮膚、脊髓、肺、心臟、食管等的勾畫。采用Philips Pinnacle系統制定放療計劃。

1.3 圖像采集及配準 從放療計劃執行第1天起，每周進行1次圖像引導放射治療和圖像配準，首先行體模固定，激光燈定位，后續操作均由2名放療科技術人員和1名放療科臨床醫師共同完成，排除主觀意見引起的誤差。先拍攝EPID 0°和90°正側位片，技術人員通過一些特殊解剖結構手動與計劃CT圖像進行配準。EPID正位片配準可得到X軸(左右)和Y軸(頭腳)2個方向的誤差值；EPID側位片可得出Y軸(頭腳)和Z軸(上下)2個方向的誤差值，本研究以正位片得到的Y值為準，記錄每組數據。

EPID攝片結束后行滑軌CT圖像掃描。西門子公司的 CT Vision 系統采用ONCOR加速器和大孔徑OPEN CT機在同一治療室內共用1張治療床，CT 機可沿導軌移動，稱為CT-on-rail 或者 In Room CT[4]。由放療技術人員和臨床醫師共同將治療床水平旋轉180°后，使CT機沿導軌移動到治療部位進行CT掃描，將所得CT掃描圖像和與計劃CT圖像進行圖像配準，包括灰度模式、輪廓模式和骨性標志模式配準，獲取患者X、Y、Z 3個方向上的線性誤差值。其中灰度配準是計算機根據掃描圖像不同組織的灰階值自動進行圖像匹配，輪廓配準是以靶區為中心的體表輪廓為準，骨性標志以椎體和棘突為標準。由技術人員手動移動使CT掃描圖像在冠狀面、矢狀面、橫斷面上與計劃CT圖像最大程度重合，記錄3種配準方式的誤差結果。若所得線性誤差 ≤0.3 cm 即將治療床旋轉180°后直接進行肺癌精確放射治療，若線性誤差>0.3 cm 即先行誤差校正后行放療。在配準全程中囑患者平靜呼吸，盡量避免劇烈咳嗽等大幅度胸部運動。每次配準后重新進行靶區勾畫和放療計劃的制定。

2 結果

本研究收集16例肺癌患者，共進行了87次EPID攝片與In Room CT掃描，操作過程中患者均未出現不適現象，依從性100%。擺位、掃描、配準和治療平均時間EPID組為20 min，CT組為25 min。EPID組和CT組以及灰度模式、輪廓模式、骨性標志模式3種配準方法所得誤差結果及對比如下。

2.1 EPID和CT-on-rail配準擺位誤差的比較 通過兩獨立樣本t檢驗顯示CT-on-rail配準組X、Y、Z軸的平移誤差均小于EPID配準組，在X、Y、Z 3個方向差異均有統計學意義(P<0.05) 。見表1。

表1 EPID和CT-on-rail配準3個方向的擺位誤差比較±s)

2.2 不同配準方式間擺位誤差的比較 通過K-W檢驗顯示灰度模式、輪廓模式和骨性標志模式3種配準方式之差異有統計學意義(P<0.05)，見表2。對3組數據進行兩兩配對t檢驗，X軸、Z軸圖像匹配采用灰度模式比輪廓和骨性標志模式精度高，差異有統計學意義(P<0.05)；Y軸上灰度模式和輪廓模式精度高于骨性標志模式，差異有統計學意義(P<0.05)。

表2 3種不同配準方式3個方向的擺位誤差比較±s)

與灰度模式比較：*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001;與骨性標志模式比較：#P<0.05

3 討論

放療高劑量區的偏移不僅影響病灶放療療效，還會增加對周圍正常組織器官的放射性損傷，較為明顯的為放射性肺炎、放射性食管炎。肺癌放療過程中有很多影響放療精度的因素，包括以下3個方面：分次治療的擺位誤差，包括皮下脂肪肌肉、定位機床和治療機床差異、激光燈定位、體表定位線的寬度和清晰度引起的誤差；分次間的靶區移位和變形，包括患者的消瘦和增胖、靶區的縮小變形、靶區和危及器官相對位置的改變；分次中的靶區運動，包括呼吸運動和心跳運動[5]。據Borst et al[6]報道，肺部腫瘤患者將有51%出現大于5 mm的擺位誤差。因此，IGRT在肺癌精確放療中的應用值得探討。

EPID是獲取圖像的最常用方法，具有操作簡便、快速、經濟等優點，能實時測量和糾正擺位誤差，可降低系統誤差和隨機誤差，提高擺位精度[7]。但也有一定的局限性，例如，對軟組織的顯像能力不足，操作時只能使用兆級能量，使患者在治療時，被迫接受額外劑量[8]。西門子CT-on-rail系統是國內首套集滑軌CT和直線加速器于同一機房、共用同一治療床的圖像引導放療系統。該系統優勢在于成像速度快、成像劑量低，優良的軟組織對比度、清晰的圖像分辨率，完整的解剖可觀性，機架系統支持滑軌式設計，可靠的DICOM連接性5個方面[9]。治療機床的精確水平移動不僅提高放療精度，還能節省治療時間。In Room CT掃描的圖像可以達到比傳統的EPID更好的組織對比度而且該系統的射線利用效率高，患者接受的射線劑量少[10]。本次研究結果也提示滑軌CT相對于EPID在X、Y、Z軸上誤差值更小，放療精度更高。建議在肺癌放療過程中首選應用滑軌CT進行圖像引導放療，不僅更好監測靶區的變化，還能對周圍敏感組織包括食管、肺、心臟、脊髓等進行劑量保護。

然而，CT-on-rail系統仍存在一些不足，體現在以下幾點：擺位、掃描和配準平均時間EPID組為20 min，CT組為25 min，耗時較長，增加工作量，臨床實際應用困難；患者全程保持雙手上舉抱肘姿勢，加上天氣和自身因素，部分患者無法堅持；滑軌CT雖然避免了CT掃描后治療的重復擺位誤差，但是在治療床旋轉180°過程中因震蕩、旋轉而造成的誤差不可避免；仍存在呼吸運動對放療精度的影響；不同觀察者主觀判斷的不同，也會對配準精度產生影響。

本研究結果顯示利用骨性模式配準在三維方向誤差均大于灰度模式配準；在Y軸上與輪廓配準也存在差異。骨性配準以骨密度計算，速度快，適合于骨組織較多，且相互連接移動較小的頭部腫瘤及盆腔部腫瘤[11]。灰度配準是運算配準框內所有不同灰階值，是一種精確配準運算方式，主要適用于一些骨性組織較少部位，或一些骨性配準不能實現者，尤其照射靶區周圍是低密度組織時更具優勢[12]，如胸部腫瘤、肝膽部腫瘤等。肺癌照射野范圍內無近距離骨性標志，一般以肩胛骨、胸骨、椎體和棘突為標準，以上骨性結構不僅受呼吸運動的影響，還與雙手上舉抱肘的體位、患者與真空體模的匹配程度密切相關。肺癌周圍富有軟組織，各組織相連緊密，位置相對固定，而灰度配準正是以配準框內不同組織的灰階值來運算，對于肺癌十分適用。Wang et al[13]收納19例肺癌患者進行帶有呼吸門控IGRT，比較骨性配準及灰度配準2種方式之間的差異，結果顯示灰度配準在頭腳方向誤差較骨性配準更小。本研究結果顯示輪廓模式在X軸和Z軸上精度不如灰度模式，而在Y軸上與灰度模式差異無統計學意義，原因在于輪廓模式是以照射靶區為中心的體表輪廓為標準，主要影響因素為皮下脂肪和肌肉厚度增減和體位改變，影響掃描CT圖像與計劃CT在X軸和Z軸上的重合度，而對Y軸影響很小。因此在每次定位配準前應詢問患者體重，考慮體重因素導致的擺位誤差。

圖像引導放射治療是肺癌精確放療中的一個巨大進步，但仍然有一些因素導致臨床適用性較小和放療精度下降，需要進一步研究和探討。

[1] Simpson D R, Lawson J D, Nath S K, et al. A survey of image-guided radiation therapy use in the united states[J]. Cancer, 2010, 116(16):3953-60.

[2] 于金明,袁雙虎.圖像引導放射治療研究及其發展[J]. 中華腫瘤雜志, 2006, 28(2):81-3.

[3] Eng T, Ha C S. Image-guided radiation therapy in lymphoma management[J]. Radiat Oncol J, 2015，33(3):161-71.

[4] 夏邦傳,徐子海.基于CT-on-rail系統開展的圖像引導自適應放療研究進展[J]. 中國醫療設備, 2013, 28(1):62-5.

[5] 殷蔚伯,谷銑之.腫瘤放射治療學[M]. 4版.北京:中國協和醫科大學出版社, 2008 : 175.

[6] Borst G R, Sonke J J, Betgen A, et al. Kilo-voltage cone-beam computed tomography setup measurements for lung cancer patients: first clinical results and comparison with electronic portal-imaging device[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2007, 68(2): 555-61.

[7] 郭根燕, 劉曉嵐, 鄭 旭, 等. 電子射野影像系統對鼻咽癌調強放療擺位誤差的測量[J]. 中國輻射衛生, 2011, 20(3):321-4.

[8] 陸 維, 許婷婷. 應用CBCT、EPID研究鼻咽癌2種體位固定方式擺位誤差的比較分析[J]. 中國癌癥雜志,2014,24(7):535-9.

[9] 甘曉根, 徐子海.西門子SOMATOM OPEN CT簡介及在放射治療中的優勢[J]. 臨床工程,2011,26(3):100-1.

[10] 夏邦傳, 廖福錫, 徐子海. 西門子CT圖像引導下的放療系統簡介[J]. 醫療衛生裝備, 2010,31(8):115-7.

[11] 尚 凱,遲子峰.胸段食管癌IGRT中擺位誤差分析[J]. 中華放射腫瘤學雜志, 2015, 24(1):70-3.

[12] 吳志勤,張 力.肺癌圖像引導放療不同配準方式對擺位誤差的影響[J]. 溫州醫科大學學報,2014,44(11):822-4.

[13] Wang X, Zhong R, Bai S, et al. Lung tumor reproducibility with active breath control(ABC) in image-guided radiotherapy based on cone-beam computed tomography with two registration methods[J]. Radiother Oncol, 2011,99(2):148-54.

The application of IGRT based on CT-on-rail system in lung cancer

Zhou Mengxi, Wang Fan, Dong Dong, et al

(DeptofRadiationOncology,TheFirstAffiliatedHospitalofAnhuiMedicalUniversity,Hefei230022)

ObjectiveTo compare the application of CT-on-rail system and EPID of radiotherapy in lung cancer and to explore the effects of different matching models on positioning precision. Methods 16 patients with lung cancer were recruited in this study. Each patient received IGRT based on CT-on-rail system and EPID each week, respectively. Compared the difference of set-up errors between two groups. Besides, the group of CT-on-rail system included grey-scale model, bone model and outline model，and the difference among them were compared. Results There was significant difference between the average set-up errors of EPID and CT-on-rail system in the direction of X, Y and Z axis(P<0.05). In the lung cancer patients treated using CT-on-rail system, image matching using grey-scale model precise in the direction of X and Z axis(P<0.05), while grey-scale and outline model precise in the direction of Y axis(P<0.05). Conclusion CT-on-rail system is better than EPID in detecting set-up error of the lung cancer patient. Grey-scale model should be applied in the image matching of IGRT in lung cancer.

CT-on-rail; EPID; image guided radiation therapy; set-up error

時間：2016-8-10 11:04:49

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1065.R.20160810.1104.018.html

2016-07-28接收

安徽省高等學校省級自然科學研究項目(KJ2009A82)

安徽醫科大學第一附屬醫院腫瘤放療科，合肥 230022

周夢熙，女，碩士研究生；

王 凡，男，教授，主任醫師，碩士生導師，責任作者，E-mail：wangfan1965@126.com

R 734.2

A

1000-1492(2016)10-1477-04

10.19405/j.cnki.issn1000-1492.2016.10.018