感興趣體積IVS技術在腹部腫瘤配準范圍的研究

趙利榮，周一兵

陸軍軍醫大學第二附屬醫院 腫瘤科，重慶 400037

引言

隨著適形放療、調強放療等復雜技術在臨床上的推廣應用，對射野精度的要求越來越高[1-3]。為解決上述問題，將加速器與成像設備結合在一起，在治療時采集相關的圖像信息，進行位置和劑量的校準，稱為圖像引導放射治 療（Image-Guided Radiation Therapy，IGRT）[4-5]。IGRT為精準放療的先決條件[6-8]，目前臨床應用的圖像引導設備包括電子射野影像裝置（Electronic Portal Imaging Device，EPID）和 KV或MV錐形束CT等[9]。KV級CBCT是目前國內外應用最廣泛和成熟的影像引導設備[10]，該系統采集的圖像具有接近診斷標準的CT圖像，放療醫生可以很方便以此為依據進行軟件自動配準，或選擇手動配準，對圖像配準結果的審核提供可信賴的方法。

然而，于國產加速器來說，單獨配置進口的CBCT會大大增加經濟成本。國內很多三甲醫院放療中心面臨放療病人數量較多、工作量繁雜的現狀[11]。若每次治療前都執行CBCT影像引導，顯然會付出巨大的時間成本，蘇州雷泰公司的電子射野影像系統（Image Verification System，IVS）解決了經濟性和時效性問題。然而，實際運用這套國產的EPID系統IVS的圖像配準問題中，應該考慮感興趣體積（Volume of Interest，VOI）配準數值以及不同VOI的選擇對配準結果的影響。

基于以上現狀，本研究采用德國博醫來的盆腔仿真模體作為研究對象，通過開展不同 VOI 的選擇對于定位 CT圖像與每次放療前的EPID圖像自動配準結果的影響。分別獲取 CT 定位圖像和位置偏差已知的 20 組EPID 圖像，采用IVS系統自帶的醫學圖像配準軟件，選擇不同的 VOI得到三組不同的配準結果，并對該配準結果與已知真實誤差值進行對比分析。

1 材料與方法

1.1 CT圖像獲取

用鉛點標記盆腔模體，并使用飛利浦大孔徑CT模擬定位機Bigbore對盆腔仿真模體進行掃描，掃描條件為：電壓 120 kV，325層厚 2 mm，層間距2 mm，分辨率為512×512，像素大小為0.88 mm×0.88 mm。

1.2 盆腔模體圖像處理

將盆腔模體的CT掃描圖像傳入Oncentra計劃系統，利用Oncentra計劃系統在圖像上勾畫出虛擬的靶區（約5 cm×6 cm），將計劃中心設置為虛擬靶區的中心，制定0°和90°的驗證野后傳入IVS 位置驗證系統。

1.3 盆腔模體位置驗證

利用盆腔模體的體表標記和激光燈系統進行擺位，使等中心與盆腔模體的計劃中心一致后行IVS位置驗證掃描，以檢驗x、y、z三個方向上的位置吻合情況，然后進行模體位置微調，進一步確保擺位的精確性。調整好中心原點坐標后，分別在x、y、z方向上移動治療床，并保證其另外兩個方向位置不變。再對x、y、z三個方向同時移床并進行 IVS 掃描，移動距離依次為 0.2、0.5、1.0 cm，得到 20 組IVS 圖像。將所有IVS圖像與計劃 CT 圖像進行在線匹配，匹配范圍分別是以靶區為中心的默認的范圍35 cm×35 cm×35 cm、適中范圍25 cm×25 cm×25 cm、較小的適應靶區的范圍10 cm×10 cm×10 cm，分別記錄匹配結果并進行統計分析。IVS軟件系統操作流程圖如圖1所示：① 參考圖像的傳輸與接收[與照射計劃同中心的數字重建射線影像（Digitally Reconstructed Radiograph，DRR）]；② 患者在加速器治療床進行擺位；③ 啟動EPID非晶硅圖像采集板，設置參數，分別獲取0、90°（或270°）的正交圖像；④ 圖像配準分析、糾正擺位誤差、必要時重新標記等中心的位置；⑤ 定期采集圖像查看治療的位置精度，適時糾正誤差。

圖1 IVS軟件操作流程圖

1.4 治療前質量保證

為保證結果的準確性，必須在實施影響引導之前采用合適的質量保證措施，以消除或者盡量減少與影像引導放療設備無關的系統誤差。采用Winston-Lutz Test方法校準加速器的等中心位置后，參照YYT0890-201標準[12]，對IVS位置驗證系統進行質控（圖2），確保影像引導設備的等中心和加速器的等中心重合，保證等中心的偏差不超過0.1 mm。對醫科達加速器治療床的旋轉精度也進行了校準，保證床的旋轉精度<±0.1°。對IVS圖像質量也進行了質量保證措施，包括：圖像的線性、成像延遲、圖像的畸變、低對比度、空間分辨率等方面。

圖2 IVS中心位置驗證

1.5 EPID圖像引導系統IVS 系統

IVS是通過加速器和圖像處理技術的結合，使得物理師能夠在放療之前甚至病人固定在治療床上接收放療期間，立刻獲得腫瘤圖像。IVS位置驗證系統屬于EPID的一種，圖像采集系統采用非晶硅平板探測器，分辨率為2688×2688，物理探測范圍為41 cm×41 cm，它是利用加速器治療射束成像，一般僅需要1～2 MU。利用 IVS計算機軟件，可以將采集圖像和CT重建的DRR圖像進行對比，從而調節病人的位置或者射野擺位，以便更精確地照射目標腫瘤并避開周圍的正常組織。

1.6 統計學分析

應用軟件Origin 8.0 pro軟件計算盆腔模體3D方向誤差的平均值、標準偏差和方均根偏差值。應用軟件SPSS 20.0軟件，分別對三種不同的VOI 選取區域進行了兩兩間的配對樣本t檢驗，以P<0.05表示有統計學差異。

2 結果

本實驗選取盆腔模體，預設20組誤差值已知的擺位偏差。IVS位置驗證系統掃描的盆腔模體的位置驗證（圖3）。人為預設的20組不同的擺位誤差值分別在0和90°進行了IVS系統的拍片，圖3上為0的正位片，圖3下為90°的側位片，將IVS系統影像板采集的DR和CT重建的DRR進行配準。

圖3 IVS 系統掃描的盆腔模體的位置驗證圖

對于實驗結果處理方法，本研究設定了標準：首先在坐標為（x，y，z）為（0，0，0）時，配準結果設為（x0，y0，z0），計算兩組圖像配準結果的相對偏差并計算絕對偏差。設原始移動坐標為（x，y，z），配準后坐標為（x1，y1，z1），則三維方向的絕對偏差X、Y、Z，見式(1)。

20組盆腔模體擺位誤差結果分別減去相對應的已知誤差值，結果用箱式誤差分析圖顯示，如圖4所示。從圖中可以看出選擇不同的VOI配準范圍，對配準結果有較大影響。三種不同VOI配準范圍的統計誤差如表1 所示：對于20組不同的擺位偏差，VOI為35 cm×35 cm×35 cm時3D方向的平均值（M）分別為1.0、0.3、0.4 mm；統計的標準差（SD）分別為 0.3、0.6、0.4 mm；而對于VOI為25 cm×25 cm×25 cm和10 cm×10 cm×10 cm時，3D方向的均值均大于VOI為35 cm×35 cm×35 cm的均值，并且通過配對樣本t檢驗的分析可以看出，VOI為35 cm×35 cm×35cm與VOI為25 cm×25 cm×25 cm和10 cm×10 cm×10cm相比，x、y、z三個方向的擺位誤差差異均具有統計學意義（P<0.05）；而對于VOI為25 cm×25 cm×25 cm與10 cm×10 cm×10 cm相比，x、y、z三個方向的擺位誤差無統計學意義（P>0.05）。

表1 不同VOI 3D方向誤差統計

圖4 盆腔模體20擺位誤差的箱式誤差分析圖

3 討論

IGRT是在患者進行治療前、治療中利用各種影像設備，對腫瘤及正常器官進行監控，并根據器官位置的變化調整治療位置、治療條件，使照射野緊隨靶區。最終目的使劑量的實際投射區域與計劃投射區域相一致。

EPID驗證是IGRT的常用形式[13]，利用加速器治療射束成像，對軟組織分辨率相對較低，通常以骨性標記作為參考與計劃系統重建的DRR圖像進行配準，是治療實施過程中最為直接快速的驗證方式之一。主要特點包括：① 利用加速器治療射束成像，減少機械誤差；② 軟組織分辨率相對較低，建議在配準時以骨性標記為主要參考；③ 配準的參考圖像是與DRR圖像基于等中心進行配準，靶區位置比較直觀；④ 整個圖像采集、配準、移床、治療的時間比較短，提高了患者的舒適度。

本科室安裝的國產EPID影像引導系統IVS采用全自動支撐架，可以實現快速配準和一鍵移床的功能，和KV級CBCT相比優勢為：拍攝每幅射野影像僅需1～2 MU，患者接受的額外劑量低；只需要拍攝正位、側位兩幅影像，直觀高效；患者的舒適度提高。通過對盆腔模體實驗的研究，總結出了科室安裝的國產EPID影像引導系統IVS的配準的一些原則：對于盆腔部位建議選取腰椎、尾椎、骨盆或者髂骨中兩到三處為骨性標記畫線，腹部盆腔正位驗證，配準主要依據為：腰椎邊緣、小骨盆、恥骨聯合、閉孔，主要觀察圖像左右方向誤差，頭腳方向只做參考；對于腹部盆腔側位驗證，配準主要依據為：腰椎邊緣、骶尾椎邊緣、恥骨聯合等，主要觀察圖像頭腳、腹背方向誤差。

本研究采取仿真模體為研究對象，我們可以預設模體的擺位誤差，在已知誤差的情況下，通過三種不同的VOI選取，逆向分析哪種條件下的結果更可靠[14-15]。如果是真實的而患者，引起擺位誤差的因素很多，很難評估單因素對擺位誤差的影響。此外，仿真模體具有非常接近真實模體的解剖結構，可以更加逼真地模擬真實患者的圖像配準，并且模體作為一個剛性物體，實驗中避免了呼吸運動等運動對實驗結果的影響。

然而本文選取的是盆腔體部模體進行研究，相關結果對于其他體部腫瘤，尤其是靶區較小的腫瘤，如體部立體定向放射治療，可能不具備太大的參考意義，相關研究還需深入[16-17]。主要有以下兩個方面的原因：① 相對而言盆腔部位基本屬于剛體，靶區相對位置固定，較大的配準區域有助于提供更多信息使得圖像配準更加準確；② 盆腔模體是靜態模體，無法提供與真實患者治療時類似的動態信息，而實際體部圖像配準容易受到外輪廓變化以及體內各種器官運動的影響，選擇太大的配準區域可能導致干擾信息遠遠大于有用信息，選擇太小的配準區域又可能導致信息量的不夠，導致配準結果的不準確。本研究采用盆腔模體比較研究不同配準范圍對于配準結果的影響，具有一定的臨床意義。

4 結論

通過對仿真盆腔模體的研究，對于腹部腫瘤而言，IVS系統的配準范圍VOI 建議選取35 cm×35 cm×35 cm，配準結果的誤差最小。這和圖像配準時信息量的多少有關系，就本研究的結果表明感興趣區域選取太小會導致配準時圖像信息的不完全，進而會導致患者治療時位置誤差增加。