一種根據標記點結構精確確定放療原始等中心的方法

程龍，時飛躍，王敏，秦偉，吳倩倩, 蔣紅兵,2

1. 南京醫科大學附屬南京醫院（南京市第一醫院）a. 醫療設備處；b. 腫瘤放療中心，江蘇 南京 210006；2. 南京市急救中心，江蘇 南京 210003

引言

近年來，隨著計算機技術與醫學影像學的進步，腫瘤放射治療技術得到了極大的發展，步入了精確定位、精確計劃、精確治療的“三精”治療時代[1-2]。文獻指出放射治療體位偏移3 mm 療效會下降3.3%，偏移5 mm 療效會下降18.4%，偏移6 mm 療效會下降33.1%。偏移量增加不僅會使病灶得不到足夠的劑量照射，達不到治療效果，還會損傷人體的正常組織[3-4]。放療原始等中心作為計劃系統中患者坐標系的原點，其坐標的準確性將直接影響治療等中心的定位，進而影響擺位誤差、靶區劑量大小及相應的劑量分布[5-6]。精確放療一般采用等中心照射[7]，開展精確放療時，等中心精度的質控應該控制在±1 mm[8-9]。本文提出一種利用標記點結構來精確確定原始等中心的方法，以期為實現“精確定位”的目標提供有益的參考。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

選取南京醫科大學附屬南京醫院（南京市第一醫院）2021年1—6月收治的40例接受放射治療的胸腹部腫瘤患者。其中男性21例，女性19例，年齡40～89歲，平均年齡67歲，中位年齡68歲。其中胃癌4例，乳腺癌11例，肺癌12例，胸腺瘤5例，胰腺癌2例，宮頸癌3例，直腸癌2例，膽管癌1例。本研究經我院倫理委員會批準，且患者均簽署知情同意書。

1.2 儀器設備

西門子SOMATOM Sensation Open CT的CT模擬定位機，配備平板床、主機、輔機以及Vsim工作站；LAP DORADD 3的可移動激光定位系統，機架兩側與上方共有三支激光燈，可實現激光燈沿患者腹背和左右方向移動；瓦里安Eclipse治療計劃系統；金屬標記點（通常稱為鉛標記點），直徑為1.5 mm。

1.3 體位固定與定位掃描

體位固定：所有患者均為仰臥位，一般使用體部熱塑膜將患者固定在碳素纖維板上。CT定位掃描：采取與制作固定裝置相同的體位，在患者身體表面用記號筆標出激光燈的投影交點，通常用“+”在患者的前面與左、右面分別標記，在標記的中心點分別貼一個直徑1.5 mm的金屬標記點，行CT模擬掃描。層厚與層間距均為5 mm。

1.4 原始等中心坐標的獲取

（1）常規方法：實施CT掃描后，將CT圖像傳輸至瓦里安Eclipse治療計劃系統，物理師選取標記點所在CT層面，若標記點出現在多層CT圖像上，選取標記點較為清晰的一層作為參考層面；利用Eclipse等中心定位十字工具手動移至參考層面左、中、右3個標記點的中心，3個標記點的中心交線形成的交點即為原始等中心，該原始等中心為制定治療計劃時的坐標系原點，該點坐標在DICOM坐標系下為（Xm，Ym，Zm），下文出現的坐標均是在DICOM坐標系下的坐標，圖1展示了使用計劃系統等中心定位十字工具確定原始等中心的常規方法。

圖1 利用Eclipse計劃系統十字工具確定原始等中心

（2）標記點結構法：通過Eclipse計劃系統新建3個新結構，分別將其命名為Marker 1、Marker 2、Marker 3。其中Marker 1代表左側標記點，Marker 2代表中間標記點，Marker 3代表右側標記點，選擇計劃系統中High Resolution Segment（高分辨率分割）菜單工具手動勾畫Marker 1、Marker 2、Marker 3左、中、右3個標記點的結構，接著分別對其制定計劃，以其結構作為Target volume設計1個0°射野，獲取Marker 1、Marker 2、Marker 3的幾何中心坐標（X1，Y1，Z1）、(X2，Y2，Z2)、(X3，Y3，Z3)。本方法確定的原始等中心坐標（Xs，Ys，Zs），根據幾何關系，其中Xs=X2，Ys= (Y1+Y3)/2，Zs= (Z1+Z2+Z3)/3，左右方向差異ΔX=|Xs-Xm|，腹背方向差異ΔY=|Ys-Ym|，頭腳方向差異ΔZ=|Zs-Zm|，總距離差異。圖2是通過手動勾畫左、中、右3個標記點的結構示意圖。

圖2 手動勾畫左、中、右3個標記點示意圖

1.5 水平傾斜角度θ差異分析

物理師使用計劃系統等中心定位十字工具時，其水平軸有可能不經過左、右2個標記點的幾何中心，導致水平軸與左、右標記點的實際幾何中心的連線產生水平傾斜角度θ，θ=|arctan(Y3-Y1)/(X3-X1)|，見圖3。

圖3 水平傾斜角度示意圖

1.6 統計學分析

采用SPSS 23.0軟件進行統計分析，對標記點出現在不同CT層面的各ΔX、ΔY、ΔZ、ΔS進行正態性分布驗證，符合正態分布的數據采用單樣本t檢驗，因等中心質控精度控制在1 mm，將檢驗值設為1，對于標記點出現在完整2層的ΔZ、ΔS進行單樣本t檢驗時檢驗值設為2，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 原始等中心位置差異

40例患者中，標記點出現在1層CT圖像上的人數有11人（患者序號1～11），部分出現在2層連續CT圖像上的人數有17人（患者序號12～28），完整出現在2層連續CT圖像上的共有11人（患者序號29～39），出現在3層連續CT圖像的人數有1人（患者序號為40）。標記點結構法與常規方法原始等中心的ΔX、ΔY、ΔZ、ΔS如圖4所示，其均值與標準差統計如表1所示。

圖4 標記點結構法與常規方法原始等中心的ΔX、ΔY、ΔZ、ΔS

表1 標記點顯示在不同CT層面上時，兩種方法的原始等中心位置偏差（±s）

表1 標記點顯示在不同CT層面上時，兩種方法的原始等中心位置偏差（±s）

ΔS/mm標記點所在CT層面總數/人ΔX/mm ΔY/mm ΔZ/mm顯示1層 11 0.54±0.34 0.53±0.32 0±0 0.81±0.34 t值 -4.543 -4.859 — -1.808 P值 0.001 0.001 — 0.101部分顯示2層 17 0.43±0.32 0.51±0.29 1.16±0.50 1.43±0.43 t值 -7.404 -7.028 1.330 4.074 P值 ＜ 0.001 ＜ 0.001 0.202 0.001完整顯示2層 11 0.39±0.25 0.58±0.38 2.18±0.14 2.34±0.12 t值 -8.054 -3.642 4.541 9.465 P值 ＜ 0.001 0.005 0.001 ＜ 0.001顯示3層 1 0 0.7 1.7 1.82

標記點出現在1層CT圖像上時，ΔX、ΔY的均值小于1 mm（P＜0.05）。標記點部分或完整顯示在2層CT圖像上時，其ΔX、ΔY的均值均小于1 mm（P＜0.05）, ΔS的均值大于1 mm（P＜0.05），差異有統計學意義。當標記點完整顯示在2層CT層面上時，ΔZ與ΔS的均值均超過2 mm（P＜0.05）。表明當標記點出現在完整2層時，常規方法確定的原始等中心與標記點結構法計算結果在Z軸上產生了明顯的偏差，差異有統計學意義。

2.2 水平傾斜角度θ的差異

本研究標記點結構法獲取的左、右標記點幾何中心坐標交線與常規方法十字工具水平軸造成的水平傾斜角度差異如圖5所示。θ最大值、最小值、平均值、標準差分別為0.82°、0.02°、0.25°、0.17°，該結果表明，由于給患者貼標記點時未使左、右標記點處于同一高度，造成了平均0.25°的角度偏差，最大達到了0.82°。這是本院的研究結果，其他放療單位的數據結果可能略有不同，θ反映了左、右標記點在水平方向的重合程度。

圖5 水平傾斜角度θ

3 討論與總結

在精確放療時代，精確定位與精確擺位對精確治療起著至關重要的作用[10-11]。受到射線硬化[12]、散射[13]、部分容積效應[14]的影響，金屬標記點會在CT圖像上造成偽影，甚至會出現在多個CT層面上，影響圖像質量。標記點出現在多層圖像上會給后續治療計劃系統中原始等中心位置的確定造成一定的干擾，也會影響患者后續治療時的擺位誤差。此前陳成等提出了一種使用Control Scan和位置數據計算并精確確定含標記點的CT層面位置并進行掃描的方法，減少了標記點出現在多層CT圖像中的頻率[15]。

常規確定原始等中心的方法是利用治療計劃系統中的十字工具，通過左右、上下平移至標記點的幾何中心來實現的。當標記點只出現在1層CT圖像上時，此方法受到不同物理師主觀經驗的影響，僅使得原始等中心在X軸、Y軸方向產生一定的偏差，從圖4可以看到，無論標記點出現幾層CT圖像上，ΔX與ΔY的值圍繞著0.5 mm波動，絕大多數點的值都在1 mm以內，本研究結果顯示在由常規方法確定的40個原始等中心中，X軸與Y軸的平均偏差均小于1 mm（P＜0.05），常規方法不會對原始等中心在X軸與Y軸的準確性產生較大的干擾。但是當標記點出現在2層CT圖像上時，無論物理師制定計劃時選擇哪一層作為參考層面來確定原始等中心，都不可避免地會在Z軸上產生較大的偏差。本研究方法計算出當標記點完整出現在2層CT圖像上時，常規方法在Z軸上產生了平均2.18 mm的偏差，實際計算出的與原始等中心的平均距離為2.34 mm。此外，本研究也發現了常規方法在水平傾斜角度θ上存在平均0.25°的偏差，分析原因，一是左右頂兩側激光燈發出的激光線沒有重合，這需要物理師定期對激光燈、CT模擬定位機進行質控管理[16-17]，保證左、右兩側激光燈的位置一致[18]；二是治療師在貼體表標記點的時候沒有使左、右標記點處于同一高度，這需要加強對技師的培訓，使標記點位置貼得更加準確。這些質控工作可以提高原始等中心的準確度。目前尚未有研究定量分析θ的數值，本研究的定量結果提供了一定的參考，建議各放療單位在給患者放療前，統計水平傾斜角度θ的值，該值可給治療師的定位工作與物理師的質控工作提供參考。

本研究的不足之處：手動勾畫標記點制定計劃再獲取幾何中心坐標值，消耗的時間較長，下一步將嘗試使用自動勾畫的方法。但根據本文的初步研究結果，本方法可以精確計算原始等中心的坐標，可為后續物理師制定治療計劃時設置計劃等中心點的位置及下一步治療師使用錐形束CT糾正患者的擺位誤差、提高治療精度提供堅實的基礎。

綜上所述，針對使用常規方法標記點出現在多層CT圖像上時，造成原始等中心可能會在Z軸上產生較大偏差的問題，本研究的方法彌補了以上的缺陷并能精確計算其坐標，有利于提高等中心治療的精度，助力精確放療。