鼻咽癌放療中紅外定位系統與錐形束CT的擺位精度比較

張羽祺，葛云，蔡晶，儲開岳，金建華，葛斌斌，陳穎，黃曉林，李偉峰

1.南京大學電子科學與工程學院，江蘇南京210023；2.南通市腫瘤醫院放射科，江蘇南通226300

前言

放射治療的主要目的是利用射線照射殺死腫瘤細胞，同時盡可能保護周邊的健康組織和器官免受或者少受射線的照射［1-3］。對于鼻咽癌患者，調強放射治療具有很大的優勢，然而腫瘤周邊重要器官居多，這對放射治療的位置和精度提出了極高的要求。尤其在分次治療過程中，準確且可靠的患者擺位對于放射治療中射線劑量的輸送至關重要［4-5］。錐形束CT（CBCT）是安裝在直線加速器上用于圖像引導治療的三維成像設備，相比于其他類別的CT，CBCT 對于骨骼、關節等硬組織結構的成像效果好，對比明顯，所以CBCT也被認為是全身各部位放射治療擺位的可靠衡量標準。但是，考慮到成像的輻射劑量較大，患者通常每周進行一次CBCT，但是人體各局部可能發生相對運動或者移動，所以分次間存在不確定度。此外，基于CBCT 的擺位驗證需要經過CT 模擬定位、勾畫靶區、設計治療計劃、首次擺位、CBCT掃描和糾正擺位誤差等步驟，過程較為繁瑣［6］。另一方面，在過去幾十年中，癌癥患者的數量逐步增多，對放射治療的需求不斷增加，這對治療設備的工作效率和可靠性提出了極高的要求。因此，對于放射治療過程中擺位精度的研究具有非常重要的意義［7-8］。國內外的研究者們嘗試了基于光學的擺位驗證系統，該方法相較于傳統的CT 定位具有高效、無輻射和易操作等特點［9-11］。SentinelTM監控與擺位驗證系統，CatalystTM和AlignRT 采用3D 光學表面定位及追蹤技術［12］，結合計算機系統對患者的三維輪廓進行掃描并且重建，并與CT 掃描得到的輪廓對比來進行配準擺位。其中Sentinel 系統獲取參考影像的時間與治療時間間隔較長，其等中心與實際治療等中心會存在偏差，且Sentinel 影像分辨率相較于Catalyst 系統低，計劃系統生成影像不能直接顯示患者體表輪廓，而且由于掃描層厚、重建精度等影響，可能會導致系統偏差［13］。SentinelTM、CatalystTM、AlignRT 系統主要監測體表輪廓相對位置，患者在治療床上躺下后，受呼吸運動、胃容量大小、膀胱充盈度等影響，患者腹背方向上的數據會存在誤差［14-15］。結合先前的研究工作，南京大學自主研發的放療紅外定位系統（Optical Positioning System,OPS）是一種在放射治療中使用且以醫用直線加速器為輻射源的超高精度定位系統。OPS 利用虛擬現實技術及實施跟蹤技術可以將患者腫瘤中心精準擺位到加速器等中心上，達到精確擺位和精準放療的目的。本文基于南京大學自主研發的OPS系統，研究其和CBCT及室內激光定位系統擺位精度的差異性。

1 材料與方法

1.1 病例選擇

隨機選取南通市腫瘤醫院2018年4月～11月收治的鼻咽癌調強放射治療患者21 例，其中，男13 例，女8 例，年齡25～78 歲，中位年齡58 歲。患者對治療方案均知情同意，且得到醫院倫理委員會批準。

1.2 材料設備

采用Elekta SynergyTMIGRT 加速器機載千伏級CBCT 和圖像采集系統與圖像處理系統（XVI）；Philips Bigbore CT 模擬定位機；Philips Pinnacle39.0放射治療計劃系統；西門子MRI；IBA COMPASS3D驗證系統；OPS-08A型放療紅外定位系統。

1.3 OPS

OPS根據定位球定位腫瘤中心的位置，擺位誤差為腫瘤中心實時坐標和已注冊的加速器等中心坐標之間的偏差值。

1.3.1 等中心注冊等中心依據標準為機架與治療床旋轉軸的交點。使用固定在機架或治療床上的定位球記錄旋轉軌跡，然后根據旋轉軌跡計算旋轉軸，兩條旋轉軸的交點即為等中心點。

1.3.2 腫瘤中心定位OPS 坐標系和CT 坐標系之間的變換矩陣T是根據紅外監控系統建立的，它將OPS坐標系中的點映射到CT坐標系中，如下所示：

其中，PCT是在CT 圖像中定義的定位球的坐標，POPS是在OPS 坐標系中紅外相機捕捉的定位球的位置。A是由旋轉角度定義的矩陣，D是一個三維向量，它的3 個維度分別表示左右、頭腳和腹背3 個方向上的位移。實際應用中，我們采用6 對點（CT 坐標系下的6 個點坐標和OPS 坐標系下的6 個點坐標）對轉換矩陣進行參數優化，優化過程采用的是貪心算法，參數優化后得到的矩陣為T。利用變換矩陣T將OPS 系統下等中心的坐標COPS轉換到CT 坐標系下，求得等中心坐標CCT。CTumor是放療師根據CT 模擬圖像勾畫靶區確定的腫瘤中心的位置，擺位誤差E表示等中心坐標CCT和腫瘤中心坐標CTumor之間的差值，這是一個三維向量，分別表示兩者在左右、頭腳和腹背3個方向上的擺位誤差。由于變換矩陣T構建兩個坐標系之間的實時轉換，從而快速有效地計算了實時擺位誤差，指導放療高效準確進行。

1.4 患者擺位

本文研究OPS在放療擺位中的應用，與CBCT的擺位驗證進行對比。圖1 顯示了鼻咽癌患者放療擺位的總體工作流程，具體步驟如下：放療患者仰臥在治療床上，采用制作好的頭頸肩熱塑膜固定，利用室內激光定位系統在熱塑膜上畫十字線，然后在熱塑膜上固定6 個定位球，為了更好地定位腫瘤中心，定位球在左右、頭腳和腹背3 個方向上呈不對稱分布。治療時再次對放療患者進行固定，使頭頸、鼻尖、下頜骨和肩部等身體部位與先前定位時的頭頸肩熱塑膜相吻合，患者擺位與模擬定位時一致。首次擺位時，將室內激光定位系統對準熱塑膜上的十字線標記進行初次擺位，然后執行CBCT 掃描驗證擺位誤差，根據CBCT 驗證結果移動治療床，接著OPS 系統會實時跟蹤熱塑膜上的定位球，根據先前記錄的定位球和腫瘤中心之間的相對位置計算實時的擺位誤差。在本文的研究中，將CBCT 配準結果作為評估OPS系統擺位精度的標準，公式如下：

其中，Elaser是室內激光定位系統的擺位誤差，EOPS是本文提出的OPS 擺位誤差，RCBCT表示初次擺位后通過CBCT 檢測到的擺位誤差，ROPS表示經過CBCT 驗證并微調后OPS檢測到的實時擺位誤差。

圖1 鼻咽癌患者放療擺位的總體工作流程Fig.1 Overall workflow of the positioning in nasopharyngeal carcinoma radiotherapy

1.5 評估方法

在臨床擺位研究中，當與頭頸部的CBCT檢測到的擺位誤差小于2.0 mm 時，可以進行放射治療，否則患者位置需要調整，直到滿足要求為止。關于兩種方法之間的一致性比較，當特定方法與CBCT在頭頸部的擺位誤差相差不超過2.0 mm 時，則認為該方法的擺位結果與CBCT 一致。在本研究中定義“91%～100%”為幾乎完全一致，“81%～90%”為高度一致，“71%～80%”為中等一致，“61%～70%”為一般一致，低于60%被定義為較低一致。

2 結果

OPS 和室內激光定位系統在鼻咽癌放療擺位中與CBCT 的一致性（一致性標準為±2.0 mm）表現如下：OPS 系統在左右方向（用x 軸表示）與CBCT 的擺位一致性為95.2%，即幾乎完全一致；OPS 系統在腹背方向（用y 軸表示）與CBCT 的擺位一致性為71.4%，表現為中等一致；OPS 系統在頭腳方向（用z軸表示）與CBCT 的擺位一致性為100.0%，即幾乎完全一致。室內激光定位系統在左右方向（用x 軸表示）與CBCT 的擺位一致性為66.7%，即一般一致；室內激光定位系統在腹背方向（用y 軸表示）與CBCT的擺位一致性為71.4%，表現為中等一致；室內激光定位系統在頭腳方向（用z 軸表示）與CBCT 的擺位一致性為33.3%，即較低一致。

圖2 表示鼻咽癌患者在x 軸（左右）、y 軸（腹背）和z 軸（頭腳）的擺位誤差。紅色虛線表示OPS 檢測到的擺位誤差的平均值，藍色虛線表示室內激光定位系統的擺位誤差的平均值，黑色虛線表示兩種方法的誤差范圍為2.0 mm。對于鼻咽癌，OPS 在左右方向和頭腳方向與CBCT的擺位偏差很小，幾乎完全一致；在腹背方向上表現出中等的一致性。

圖2 21例鼻咽患者在x軸（左右）、y軸（腹背）和z軸（頭腳）的擺位誤差Fig.2 Positioning errors of 21 patients with nasopharyngeal carcinoma in x(left-right),y(superior-inferior)and z(anterior-posterior)directions

為了研究腹背方向呈現的差異性，隨機抽取一例差異表現較大的病人，圖3 顯示了該患者CT 圖像的正視圖和側視圖，圖中的紅球為計劃腫瘤中心，圖4 顯示了該患者CBCT 圖像的正視圖和側視圖，圖中紅球為CBCT 配準找到的計劃腫瘤中心。CBCT 使用的是剛性配準，它將頸椎上的參考點對準計劃CT圖像來定位腫瘤位置，保證其擺位準確性的前提是計劃腫瘤中心應該和實際腫瘤組織之間呈剛性或準剛性結構，但是鼻咽癌腫瘤位于鼻咽區域，相對頸椎明顯可以發生運動，計劃腫瘤中心和腫瘤組織之間呈現出非剛性結構。而由OPS 進行的配準和頸椎骨的彎曲無關，它可以準確地定位鼻咽癌腫瘤位置，即使對于細微的頸椎骨彎曲變化，OPS仍然可以實現快速、實時和精準的擺位。綜上所述，CBCT 和OPS 在腹背方向的中等一致性基本是由頸椎骨的彎曲引起的，OPS 在鼻咽癌擺位精度方面比CBCT 更具優勢。值得注意的是，在擺位耗時方面，OPS 大概需要30 s，而CBCT 擺位大約需要10～15 min，而且OPS 是智能化擺位，和擺位專家的水平無關。

3 討論

放射治療已經進入精準放療時代，腫瘤中心的定位和患者擺位的精確度是提高放射治療質量的重要前提，也是殺死腫瘤細胞提高治療效率的關鍵環節。本文對OPS 系統在鼻咽癌放射治療方面進行擺位精度的研究，將其和室內激光定位系統及CBCT進行比較，結果顯示OPS在擺位精度方面與CBCT在總體上表現出很高的一致性。

對于常規的放療患者，需要在首次擺位之后使用CBCT進行內部解剖結構的驗證以計算擺位誤差，對于誤差超過一定范圍的情況則需要手動配準。由于成像劑量的影響，患者一般一周使用一次CBCT以實現精準擺位，并且患者在治療過程中無法使用CBCT［16-17］。而本文提出的OPS 系統可以進行實時擺位驗證，并且幾乎不占用額外時間，分次間治療時不需要頻繁使用CBCT進行精準擺位，避免患者受到不必要的輻射劑量，在一定程度上提高了患者治療的擺位精度和治療安全性。

室內激光定位系統采用3 個方向的激光十字線進行定位，任何一個十字投影激光線的偏差都有可能導致較大的擺位誤差。相比之下，OPS采用自由式配準技術，具有較高的抗干擾能力［18］。另一方面，CBCT 在使用過程中比較依賴使用人員的技術水平，由于人員的使用經驗、身體疲勞程度、判斷力和工作時間等因素都有可能對結果造成影響，而OPS 主要依賴計算機進行智能化擺位，由人員操作帶來的誤差幾乎忽略不計。

總的來說，OPS在鼻咽癌放射治療擺位方面非常有效，實現了準確、快速的患者擺位，其擺位結果與CBCT 有較高的一致性。對于放療的患者而言，OPS在滿足放射治療精度的情況下，還能具有如下特點：減少輻射劑量，實時監控患者的擺位誤差，降低放療擺位時間成本，提高治療效率，增強治療安全性。

圖3 某患者的CT正視和側視圖Fig.3 CT front view and side view of a patient

圖4 同一例患者的CBCT正視和側視圖Fig.4 CBCT front view and side view of the same patient