CT模擬定位機在調強放療位置驗證中的應用

齊洪志，楊玉剛，郝潔，許林，尚革

新疆醫科大學第一附屬醫院 腫瘤中心，新疆 烏魯木齊 830054

引言

影像技術和計算機能力的最新發展使人們能夠獲取大型三維影像數據集，用于放射治療定位和復雜治療計劃的設計，得益于此，調強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用技術[1-2]。調強放射治療技術的優點在于靶區劑量高度適形、靶區內不同劑量強度可以靈活調節以及靶區邊緣劑量快速跌落，使照射區內靶區獲得致死劑量，危及器官受照最小劑量成為可能，這對放射治療擺位的精準度也提出了更高的要求。目前，在放射治療前進行靶區位置驗證已經成為放療共識[3]。在加速器機載影像設備出現之前，主要使用常規模擬定位機進行位置驗證。利用電子射野影像系統（Electronic Portal Imaging Device，EPID）和錐形束CT（Cone Beam Computed Tomography，CBCT）進行位置驗證雖然具有一定的優勢[4-5]，但受制于加速器配置，并且在使用時間上也與放療實施有一定的沖突。據調查，截至2022 年，全國仍有50%以上的放療機構未配置CBCT，且各醫療機構CT 模擬定位機配置數量呈現快速增長的趨勢[6]。如果使用CT 模擬定位機進行放療前的位置驗證，既可以解決位置驗證患者與放療患者使用機器時間沖突的問題，又可為尚未配置EPID 和CBCT的醫療機構確保實施精準放射治療提供選擇依據。

1 資料與方法

1.1 儀器設備

飛利浦BrillianceTMBig Bore CT 模擬定位機，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 可移動激光燈，位移精度0.1 mm。采用瓦里安CX 醫用電子直線加速器EPID 和醫科達CBCT XVI 系統。

1.2 一般資料

選取2021 年6 月至2021 年12 月在我院實施調強放療的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筆勾畫出水解熱塑膜的邊界，固定患者的碳纖維底座與CT 模擬定位機床板通過適配器固定。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，根據患者照射體位進行塑形，待溫度冷卻后定型，優勢在于無須抽放氣且形狀保持較好，不易變形。放射治療前使用CT 模擬定位機進行位置驗證，記錄驗證結果，將患者隨機分配到瓦里安EPID 系統和醫科達CBCT XVI系統重新進行放療前的位置驗證并記錄結果。

1.3 位置驗證方法

在放療計劃系統中選取患者照射等中心橫斷面，顯示照射等中心位置，并通過測量工具測量等中心至固定解剖結構（如顱骨邊緣、椎體、骨盆邊緣等相對穩定的解剖結構）之間的距離，測量患者左右（Lateral，Lat）和前后（Vertical，Vrt）兩個方向的距離（圖1）。在CT模擬定位機上，按照計劃系統給出的移床坐標將可移動激光燈從定位參考位置移動到照射等中心位置，并在該位置設置金屬標記點，掃描條件層厚2 mm，1 mm 重建，掃描范圍以金屬標記點為中心掃描48 mm（該CT 模擬定位機最小掃描范圍），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 個金屬標記點的層面，與計劃系統中等中心層面比較，確定照射等中心后，調節可移動激光燈，在體膜等中心處粘貼膠布，畫好標記線，醫生、物理師、技師簽字確認，位置驗證工作即結束。

圖1 等中心在治療計劃系統（a）和CT模擬定位機（b）中測量結果

1.4 加速器離線配準和模擬加速器復位過程

將患者移至加速器上，按照等中心標記線進行擺位，并進行EPID 拍片或者CBCT 采集照射部位圖像。瓦里安CX 加速器采用EPID 進行位置驗證，醫科達Synergy采用CBCT 進行位置驗證。

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 模擬定位機提供的三維影像從對比度、分辨率和偽影等方面，均明顯優于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比度變差，無法辨識清楚器官與器官之間以及正常器官與腫瘤之間的關系，這給位置驗證帶來了一定的困擾。

圖2 同一橫斷面CT圖像（a）與CBCT圖像（b）對照圖

1.6 位置驗證前后計劃比較

將CT 模擬定位機獲取的位置驗證影像回傳至放療計劃系統，與原計劃影像進行圖像融合，融合后將原放療計劃移至位置驗證影像上，重新計算劑量分布，得到驗證影像的放療計劃。在原放療計劃CT 圖像中選取與位置驗證影像相同層面的影像，重建1 組與驗證影像相同層數和層厚的影像結構，并將原放療計劃移至該影像上，計劃等中心不變，重新計算劑量分布，得到定位CT 影像的放療計劃（圖3）。將兩組放療計劃與放療劑量輸出，導入Arc-CHECK 軟件，進行分析。同時將放療計劃移至CT 模擬機位置驗證影像上進行劑量計算，并與相同層厚與層數的原定位CT 影像上生成的計劃進行比較，判斷通過不同分析標準得到的γ 通過率是否符合臨床要求，從劑量學角度證明應用的準確性。

圖3 位置驗證前后治療計劃系統（a）和CT模擬定位機（b）劑量分布對照圖

1.7 統計學分析

采用SPSS 25.0 統計軟件將上述不同位置驗證方式的結果進行平均值比較和配對樣本t檢驗，數據采用±s表示，以P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 位置驗證位移偏差結果

CT 模擬定位機位置驗證人數共60 例，其中，CBCT 和EPID 位置驗證各30 例。3 種方式位置驗證在Lat、Vrt、Lng 方向的平均位移結果如表1 所示。其中，在Lat、Vrt 方向，3 種位置驗證方式的平均位移差異無統計學意義（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 模擬機驗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種方式位置驗證結果（±s，mm）

表1 3種方式位置驗證結果（±s，mm）

注：Lat：左右；Vrt：前后；Lng：頭腳。

驗證方式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種驗證方法結果比較

60 例患者隨機分配到瓦里安和醫科達加速器，每臺加速器30 例患者，對驗證結果進行分析，見表2、圖4，使用CT 模擬定位機進行位置驗證在Lng 方向擺位誤差的范圍顯著小于CBCT 和EPID（P＜0.05）。

表2 3種驗證方法結果比較（mm）

圖4 3種位置驗證方式擺位誤差分布圖

2.3 兩組放療計劃劑量分布比較

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

圖5 等中心在治療計劃系統（a）和CT模擬定位機（b）在3個軸面的劑量分布

3 討論

隨著放射治療技術的發展，放療位置驗證的形式也在不斷更新，從二維影像到三維影像引導放射治療[7-9]，以及光學體表監測和運動管理策略的運用[10-11]，均表明了位置驗證對于精準放療的重要性。以往對于放療位置驗證多圍繞與EPID 和CBCT 的應用[12-15]，或不同CBCT 配準技術之間對位置驗證的研究[16-17]，以及不同影像引導方式的影像劑量差異[18]。張愛華等[19]利用研發的CT 模擬驗證軟件系統，使用CT 模擬定位機對腹部腫瘤進行放療位置驗證。而臨床上，大部分的醫院仍然使用常規模擬定位機進行放療前的位置驗證，CT 模擬定位機更多是用于放療定位使用。

本研究通過使用CT 模擬定位機進行放療前位置驗證，一方面增加了CT 模擬定位機的使用率，為那些沒有配備CBCT 或者EPID 的醫療機構以及放療患者人數較多，無法滿足所有患者在加速器上進行位置驗證的醫療機構提供了一個新途徑；另一方面，相對于常規模擬定位機、EPID 和CBCT 進行位置驗證，CT 模擬定位機的掃描圖像質量更有優勢，診斷級的影像更有利于觀察等中心附近危及器官的相對位置，尤其是軟組織的分辨率明顯優于上述3 種驗證方式。位置驗證后將掃描圖像回傳至計劃系統與CT 定位影像進行融合配準，可以進一步分析位置驗證結果。

本研究中，Lng 方向的位移是通過回傳位置驗證影像與CT 定位影像融合配準得到的，在位置驗證時只能測量Lat 方向和Vrt 方向的位移。從結果上看，使用CT模擬定位機驗證時，Lng 方向的平均位移要小于EPID和CBCT 驗證方式的結果，原因是測量時首先要確定照射等中心的層面，即3 個金屬標記點所在的層面。如果發現該層面與CT 定位時的等中心層面不相符，就需要做相應的調整，通過醫生和物理師相互確認找到最相符的層面，將金屬標記點重新標記后再次掃描得到與CT定位時最相符的等中心層面，再將十字標記線移至3 個金屬標記的中心，得到等中心點，從等中心點測量Lat方向和Vrt 方向的位移。在3 個軸向旋轉角度方面，使用二維影像進行位置驗證是無法獲取擺位角度偏差的，CT 模擬定位機可以通過將位置驗證影像回傳到計劃系統中，通過圖像融合獲取角度擺位誤差，屬于離線位置驗證，使用CBCT 在位置驗證的過程中就能獲得角度擺位誤差，屬于在線位置驗證。本研究并未在結果中體現角度偏差的數據，是因為本機構的加速器沒有配置六維床，在實際使用過程中角度擺位偏差只用于評估，并不能直接按照位置配準給出的角度誤差進行校正。從CBCT 和EPID 位置驗證的結果看，在Lat 方向和Vrt 方向的平均位移與CT 模擬定位機相比無統計學差異，說明CT 模擬定位機位置驗證總體上是符合位置驗證要求的，將放療計劃移至CT 模擬機位置驗證影像上進行劑量計算，通過不同分析標準得到的γ 通過率均符合臨床要求，從劑量學角度證明了其應用的準確性[20-21]。

此外，需注意，無論采取何種方式進行放療前位置驗證，均必須對所采用的驗證設備進行嚴格的質量保證措施，尤其是對于CBCT 的使用，務必要定期對影像中心和加速器等中心進行校準，確保二者一致時才能保證影像引導的正確性。另外實施放射治療的一個重要限制因素是治療期間和分次治療間的運動不確定性導致的目標位置偏差。在放射治療的路徑中，運動管理策略已從治療前定位、治療計劃、成像和驗證過程中得到越來越多的開發和臨床實施[22-23]。所以，了解在放療中使用運動管理的科學基礎和臨床原理，以及在此類情況下準確應對處理系統和隨機誤差至關重要。

4 結論

CT 模擬定位機能夠滿足臨床上調強放療位置驗證的需求，以及獲取軟組織分辨率更好的位置驗證影像，方便醫生觀察靶區和危及器官的相對關系，可在最大程度地利用該設備的同時，解決部分醫院未配置CBCT 進行調強放療位置驗證的難題。