X射線容積成像引導不同配準方式下胸部腫瘤放療擺位誤差分析

趙文龍　劉攀　朱彤　劉景杰

【摘要】 目的：探討X射線容積成像（XVI）系統(tǒng)不同配準方式對胸部腫瘤擺位誤差的影響。方法：隨機選取2022年2月—2023年5月吉安市中心人民醫(yī)院接受放療的肺癌、食管癌和乳腺癌患者各15例，基于前三次患者治療前錐形束CT（CBCT）掃描圖像共135次，與計劃CT圖像比較，分別使用灰度值自動配準（GAR）、灰度值自動配準加手動微調(diào)（GA&MR）、骨性自動配準（BAR）和骨性自動配準加手動微調(diào)（BA&MR）四種方式進行圖像配準，得到左右（X）、頭腳（Y）和胸背（Z）方向擺位誤差并進行統(tǒng)計分析。結(jié)果：肺癌患者BAR和BA&MR兩種配準方式Y(jié)方向的差異有統(tǒng)計學意義（P=0.019），乳腺癌患者Y方向GAR和GA&MR、BAR和GA&MR間的差異均有統(tǒng)計學意義（P=0.022、0.015），Z方向GAR和GA&MR、GAR和BAR、GAR和BA&MR間的差異均有統(tǒng)計學意義（P=0.023、0.027、0.017），肺癌和乳腺癌患者GA&MR方式較其他配準方式在X、Y、Z方向上，配準誤差數(shù)值落在≤2 mm誤差范圍區(qū)間頻數(shù)數(shù)據(jù)較優(yōu)，可以更大程度提高放療精度肺癌CTV外擴PTV誤差范圍參考：X方向2.0 mm、Y方向4.4 mm、Z方向3.3 mm，乳腺癌CTV外擴PTV誤差范圍參考：X方向4.1 mm、Y方向4.7 mm、Z方向5.4 mm；食管癌患者四種配準方式計算得到的擺位誤差結(jié)果在X、Y和Z方向差異均無統(tǒng)計學意義（P>0.05），GA&MR與BA&MR在X、Y、Z方向上，配準誤差數(shù)值落在≤2 mm、>2 mm且≤4 mm誤差范圍區(qū)間頻數(shù)數(shù)據(jù)更優(yōu)，食管癌CTV外擴PTV誤差范圍參考：X方向2.4 mm、Y方向5.6 mm、Z方向3.0 mm。結(jié)論：肺癌和乳腺癌患者灰度值自動配準加手動微調(diào)（GA&MR），食管癌灰度值自動配準加手動微調(diào)（GA&MR）或骨性自動配準加手動微調(diào)（BA&MR），更能高效配準，提高治療精度。

【關(guān)鍵詞】 胸部腫瘤 放射治療 圖像配準 擺位誤差

Analysis of Setup Errors in Thoracic Tumors Radiotherapy under Different Registration Methods Guided by X-ray Volume Imaging/ZHAO Wenlong， LIU Pan， ZHU Tong， LIU Jingjie. //Medical Innovation of China， 2024， 21（04）： -151

[Abstract] Objective： To investigate the impact of different registration methods of the X-ray volume imaging （XVI） system on setup errors of thoracic tumors. Method： Fifteen patients with lung cancer， 15 patients with esophageal cancer and 15 patients with breast cancer who received radiotherapy in Jian Central People's Hospital from February 2022 to May 2023 were randomly selected. A total of 135 pre-treatment cone beam CT （CBCT） scan images were obtained and compared with the planning CT image. Four types of image registration were performed， gray value automatic registration （GAR）， gray value automatic & manual registration （GA&MR）， bone automatic registration （BAR） and bone automatic & manual registration （BA&MR）. The left-right （X）， superior-inferior （Y）， and anterior-posterior （Z） setup errors were obtained and statistically analyzed. Result： There was a statistically significant difference in the Y direction between the BAR and BA&MR methods for lung cancer patients （P=0.019）. The differences between GAR and GA&MR， BAR and GA&MR in the Y direction of breast cancer patients were statistically significant （P=0.022， 0.015）; the differences in the Z direction between the GAR and GA&MR， GAR and BAR， GAR and BA&MR methods for breast cancer patients were statistically significant （P=0.023， 0.027， 0.017）. The GA&MR method for lung cancer and breast cancer patients had better error values in the X， Y， and Z directions compared to other registration methods， with an absolute value of ≤2 mm. The frequency data in the error interval were better， which can greatly improve the accuracy of radiotherapy. The error range of lung cancer CTV external expansion PTV were referenced as X directions 2.0 mm， Y directions 4.4 mm， Z directions 3.3 mm， and breast cancer CTV external expansion PTV were referenced as X directions 4.1 mm， Y directions 4.7 mm， Z directions 5.4 mm.

The positioning error results calculated by the four registration methods for esophageal cancer patients showed no statistically significant difference in the X， Y， and Z directions （P>0.05）. GA&MR and BA&MR had better error values in the absolute values of ≤2 mm， >2 mm and ≤4 mm in the X， Y， and Z directions. The frequency data of the error area were better in the absolute values of ≤2 mm， >2 mm and ≤4 mm. The reference range of errors for esophageal cancer CTV extravasation PTV was X directions 2.4 mm， Y directions 5.6 mm， and Z directions 3.0 mm. Conclusion： Automatic gray value of patients with lung cancer and breast cancer plus manual micro -adjustment （GA&MR）， automatic gray value value value of esophageal cancer plus manual micro -adjustment （GA&MR） or osteo automatic allocation plus manual micro -adjustment （BA&MR）， which can be more efficient and standardized.Improve the accuracy of treatment.

[Key words] Thoracic tumors Radiation therapy Image registration Setup errors

胸部是惡性腫瘤好發(fā)部位之一[1]，放療在胸部腫瘤綜合治療中具有非常重要的作用[2]。目前，放療在臨床中廣泛采用分次照射模式，因此分次間治療位置的準確性成為影響放療效果的關(guān)鍵因素。錐形束CT（CBCT）圖像引導是近年來發(fā)展用于驗證擺位誤差的技術(shù)，可獲取擺位誤差對治療床位置進行在線校準，實現(xiàn)精確放療[3]。張璋等[4]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用CBCT配準分析可校正鼻咽癌患者放療擺位誤差，提高放療精確度。趙豐雨等[5]將CBCT用于盆腔腫瘤放療擺位誤差分析，結(jié)果表明CBCT的應(yīng)用可有效減少擺位誤差，提高放療適形性。但也有研究顯示，不同的配準方式對測定擺位誤差結(jié)果存在差異[6]。醫(yī)科達Synergy直線加速器X射線容積成像（XVI）是CBCT技術(shù)的一種，許多學者對XVI的原理和臨床應(yīng)用做了相關(guān)研究[7-8]，但就胸部腫瘤中關(guān)于自動配準與手動配準探討較少。本研究使用XVI系統(tǒng)采集胸部腫瘤患者放療前CBCT圖像，采用不同配準方式測定擺位誤差，并進行統(tǒng)計分析，為胸部腫瘤放療位置驗證提供參考，同時為科室胸部腫瘤靶區(qū)外放范圍提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2022年2月—2023年5月在吉安市中心人民醫(yī)院接受放療的胸部腫瘤患者，隨機選取肺癌、食管癌和乳腺癌患者各15例，中位年齡52歲（45～70歲）。 納入標準：有明確病理診斷，并具有放療指征；首次接受放療方案；一般情況良好，卡氏評分≥80分。排除標準：患者耐受性差，CBCT圖像質(zhì)量不佳。篩選數(shù)據(jù)經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準。

1.2 方法

1.2.1 定位方法與靶區(qū)勾畫 所有患者均為仰臥位，肺癌和食管癌患者雙手交叉抱肘交叉抓桿，使用熱塑膜固定，乳腺癌患者采用乳腺專用托架加熱塑膜固定。在患者平靜呼吸狀態(tài)下行模擬定位CT掃描，使用飛利浦大孔徑CT，掃描電壓為120 kV，層厚為5 mm，圖像大小為512像素×512像素，掃描范圍從頜下至肝底。待定位完成后，將定位CT圖像傳輸至Monaco（版本號：5.11.03）治療計劃系統(tǒng)。由主管醫(yī)師依據(jù)國際輻射單位與測量委員會83號報告和治療需要勾畫靶區(qū)，物理師依據(jù)放療申請單制作固定野調(diào)強放療計劃，所有計劃均經(jīng)上級醫(yī)師和物理師審核確認。將計劃CT圖像、治療中心點和計劃共同傳輸至Mosaiq系統(tǒng)，排定治療日程。

1.2.2 CBCT圖像獲取 應(yīng)用醫(yī)科達Synergy型直線加速器配備的XVI系統(tǒng)進行掃描，獲取CBCT圖像。經(jīng)Mosaiq系統(tǒng)加載計劃CT圖像至XVI系統(tǒng)，統(tǒng)一影像加載參數(shù)：配準范圍為：左右方向（X方向）至兩側(cè)肋骨外緣，頭腳方向（Y方向）至靶區(qū)上下3 cm；胸前背后方向（Z方向）至胸骨前緣和錐體后緣；配準參考點選擇“Isocenter”，即治療計劃中心點。選擇CBCT掃描野，參數(shù)如下：電壓為100 kV，濾過板為F1，準直器為M20，平板探測器位置為M，采集角度為順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)360°。首次CBCT掃描過程由放療醫(yī)師、物理師和技師共同參與，在加速器上依據(jù)計劃復位單上移床數(shù)值進行復位，執(zhí)行CBCT掃描。

1.2.3 圖像配準 XVI系統(tǒng)提供Manual（手動配準）、Bone T+R（骨性自動配準）、Grey T（灰度值自動配準模式一）Grey T+R（灰度值自動配準模式二）四種基本配準選擇，可單獨或組合使用，其中：T表示通過平移X、Y、Z方向進行圖像配準；T+R表示既平移X、Y、Z方向，也繞X、Y、Z方向旋轉(zhuǎn)圖像進行配準。XVI系統(tǒng)自動配準完成后，可由醫(yī)師根據(jù)配準結(jié)果進行手動微調(diào)。本研究采用灰度值自動配準（GAR）、灰度值自動配準加手動微調(diào)（GA&MR）、骨性自動配準（BAR）和骨性自動配準加手動微調(diào)（BA&MR）四種方式對CBCT圖像和計劃CT圖像進行配準，由于本科室加速器未配置六維床，配準后的旋轉(zhuǎn)誤差無法用于校正治療床位置，所以本研究不考慮旋轉(zhuǎn)誤差，僅對比分析X、Y、Z方向的平移誤差。手動微調(diào)的標準為：若腫瘤靶區(qū)距離脊髓較遠，則優(yōu)先配準腫瘤靶區(qū)，否則優(yōu)先配準脊髓區(qū)域。

1.2.4 靶區(qū)外放范圍的確定 靶區(qū)外放范圍采用Van HM的外放數(shù)值計算公式：2.5Σ+0.7σ，其中Σ為分次治療間誤差的平均值，σ為分次治療間誤差的標準差[9]。

1.3 統(tǒng)計學處理

使用SPSS 26.0對不同配準方式下的擺位誤差結(jié)果進行分析。首先，對擺位誤差數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗，符合正態(tài)分布的以（x±s）表示。對于符合正態(tài)分布的結(jié)果采用方差分析，兩兩比較采用LSD-t檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 肺癌患者擺位誤差結(jié)果

方差分析結(jié)果表明：四種配準方式在Y方向的擺位誤差結(jié)果間差異有統(tǒng)計學意義（P=0.037），兩兩比較結(jié)果顯示，BAR與BA&MR兩種配準方式間的差異有統(tǒng)計學意義（P=0.019），見表1。肺癌四種配準方式中配準誤差對應(yīng)頻數(shù)變化變化見表2，GA&MR方式較其他配準方式在X、Y、Z方向上，配準誤差數(shù)的數(shù)值落在≤2 mm誤差范圍區(qū)間頻數(shù)更高，相比頻數(shù)偏離散的BAR于≤2 mm誤差范圍區(qū)間在X、Y、Z方向頻數(shù)分別高出21.7％、26.4％、21.7％。

2.2 乳腺癌患者擺位誤差結(jié)果

方差分析結(jié)果表明：四種配準方式在Y和Z方向的擺位誤差結(jié)果間的差異均有統(tǒng)計學意義（P<0.05），Y方向兩兩比較結(jié)果顯示，GAR與GA&MR、BAR與GA&MR間的差異均有統(tǒng)計學意義（P=0.022、0.015）；Z方向兩兩比較結(jié)果顯示，GAR與GA&MR、GAR與BAR、GAR與BA&MR的差異均有統(tǒng)計學意義（P=0.023、0.027、0.017），見表3。乳腺癌四種配準方式中配準誤差對應(yīng)頻數(shù)變化變化見表4，GA&MR方式較其他配準方式在X、Y、Z方向上，誤差數(shù)的數(shù)值落在≤2 mm誤差范圍區(qū)間頻數(shù)數(shù)據(jù)更集中，較頻數(shù)最低的BAR于≤2 mm誤差范圍區(qū)間內(nèi)X、Y、Z方向頻數(shù)分別高出19.4％、21.7％、9.0％。

2.3 食管癌患者擺位誤差結(jié)果

方差分析結(jié)果表明：四種配準方式計算得到的擺位誤差結(jié)果在X、Y和Z方向差異均無統(tǒng)計學意義（P>0.05），且兩兩比較在X、Y、Z方向上差異均無統(tǒng)計學意義（P>0.05），見表5。食管癌四種配準方式中配準誤差對應(yīng)頻數(shù)變化見表6，GA&MR與BA&MR在X、Y、Z方向上，較GAR與BAR配準誤差數(shù)的數(shù)值落在≤2 mm、>2 mm且≤4 mm誤差范圍區(qū)間頻數(shù)數(shù)據(jù)更優(yōu)。

2.4 不同配準方式的靶區(qū)外放范圍

由于擺位誤差和器官位置不確定性，治療中會在臨床靶區(qū)（clinical target volume，CTV）外放一定邊界形成計劃靶體積（planning target volume，PTV），以保證靶區(qū)足夠照射劑量，達到精準放療效果。通過分析CBCT系統(tǒng)灰度值自動配準（GAR）、灰度值自動配準加手動微調(diào)（GA&MR）、骨性自動配準（BAR）和骨性自動配準加手動微調(diào)（BA&MR）四種圖像配準方式的平移誤差值，計算出的靶區(qū)外放范圍大小見表7。

3 討論

胸部腫瘤患者分次放療間的擺位誤差是影響精確放療質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，而減少擺位誤差是亟須解決的問題。圖像引導的放療通過掃描患者治療前位置圖像，將其和計劃圖像位置進行配準修正，可以減小分次治療間的擺位誤差[10]。由于CBCT具有對組織分辨率較高的特點，相比傳統(tǒng)的電子射野影像系統(tǒng)圖像更清晰，能從三維方向分析擺位誤差，并自動修正移床誤差等優(yōu)點，在臨床應(yīng)用中越來越廣泛[11-13]。

CBCT掃描圖像和計劃CT圖像的配準情況對評估擺位精度至關(guān)重要，研究顯示，不同的圖像配準方法所測量得到的擺位誤差結(jié)果不同[14]。XVI系統(tǒng)提供四種配準選擇，其中自動配準耗時短，而手動配準時間取決于醫(yī)生熟練程度，相對耗時較長。基于XVI系統(tǒng)的圖像引導放療耗時顯著高于傳統(tǒng)的調(diào)強放療，因此找到一種耗時短、準確性高的配準方式對于胸部腫瘤患者是十分必要的。本文隨機選取肺癌、乳腺癌和食管癌患者各15例，基于前三次患者治療前CBCT掃描圖像共135次，比較GAR、GA&MR、BAR和BA&MR四種配準方式，探討胸部腫瘤放療最優(yōu)的圖像配準方法。四種配準方式在Y方向的擺位誤差結(jié)果間差異有統(tǒng)計學意義（P=0.037），兩兩比較結(jié)果顯示，BAR與BA&MR兩種配準方式間的差異有統(tǒng)計學意義（P=0.019），

針對肺癌患者，采用不同配準方式得到的擺位誤差結(jié)果顯示，X和Z方向差異均無統(tǒng)計學意義（P>0.05），兩兩比較結(jié)果顯示，BAR與BA&MR兩種配準方式間的差異有統(tǒng)計學意義（P<0.05）。分析原因，骨性自動配準算法主要以配準框內(nèi)骨性結(jié)構(gòu)作為配準依據(jù)，如椎體等，而人工微調(diào)時，醫(yī)生更關(guān)注肺腫瘤組織的配準度。呼吸運動是肺腫瘤器官運動主要原因，呼吸運動主要產(chǎn)生頭腳方向偏差，即Y方向。在CBCT掃描和重建時，肺腫瘤位置相較于定位CT在Y方向發(fā)生較大偏移。GA&MR方式較其他配準方式在X、Y、Z方向上，誤差數(shù)值落在≤2 mm范圍區(qū)間頻數(shù)更高，說明配準誤差值更趨于穩(wěn)定。灰度值自動配準主要計算配準框內(nèi)灰度值的匹配度，并且經(jīng)過手動微調(diào)后，相較于僅計算骨性結(jié)構(gòu)配準度的方法，更適合于肺癌患者。與袁星星等[15]研究結(jié)果類似。

對于乳腺癌患者，四種配準方式Y(jié)和Z方向差異有統(tǒng)計學意義（P<0.05），Y方向結(jié)果顯示GAR和GA&MR、BAR和GA&MR間的差異有統(tǒng)計學意義（P<0.05），Z方向的結(jié)果顯示GAR和另外三種配準方式間差異均有統(tǒng)計學意義（P<0.05）。原因可能由于是乳腺靶區(qū)偏身體一側(cè)位置，而自動配準算法計算整個配準框內(nèi)的匹配程度，而且同時乳腺癌靶區(qū)易受呼吸運動時胸廓起伏的影響。在人工微調(diào)時，醫(yī)生更關(guān)心胸壁靶區(qū)位置，從而影響Y和Z方向的擺位誤差結(jié)果。馮鑫等[16]通過CBCT測量光學體表監(jiān)測系統(tǒng)輔助乳腺癌擺位的研究結(jié)果顯示，乳腺癌擺位誤差主要為頭腳方向的平移擺位誤差和腹背方向的移動度和空間位移，這與本研究結(jié)果類似。

食管癌CBCT圖像配準的結(jié)果顯示，不同配準方式測定的X、Y和Z方向擺位誤差均不存在顯著差異（P>0.05）。食管解剖結(jié)構(gòu)毗鄰胸椎，位置相對固定，不易受呼吸和心跳等影響。在自動算法配準完成后，醫(yī)生手動調(diào)整的范圍較小，從誤差結(jié)果上來看，食管癌四種配準方式的擺位誤差值更接近，特別是Y和Z方向。

放射治療中，因擺位誤差情況在各個單位不一樣，即使在同一單位中不同機器自身因素導致誤差也不同。因此，對惡性腫瘤開展調(diào)強適形放療時，通常CTV均外擴PTV以保證靶區(qū)足夠照射劑量，但外擴較多，會增加正常組織受量，不能實現(xiàn)精準放療。本研究通過CBCT實際測量配準獲取擺位誤差數(shù)據(jù)，為CTV外擴數(shù)據(jù)提供參考。使用Van HM關(guān)于靶區(qū)外放范圍公式計算不同腫瘤所需的靶區(qū)外放范圍，結(jié)果顯示，乳腺癌靶區(qū)所需的外放范圍最大，乳腺癌CTV外擴PTV誤差范圍參考：X方向4.1 mm、Y方向4.7 mm、Z方向5.4 mm，這可能是由于乳腺癌擺位過程較其他腫瘤更復雜、術(shù)后胸壁牽拉疼痛導致患者不自主運動范圍更大及胸廓的呼吸起伏等因素造成的。食管癌和肺癌所需的外放范圍相對較小，肺癌CTV外擴PTV誤差范圍參考：X方向2.0 mm、Y方向4.4 mm、Z方向3.3 mm，食管癌CTV外擴PTV誤差范圍參考：X方向2.4 mm、Y方向5.6 mm、Z方向3.0 mm，但其中Y方向所需的外放范圍最大，這可能是由于熱塑膜對患者頭腳方向的固定度不佳導致的。孫亞楠等[17-19]使用不同固定方式在乳腺癌調(diào)強放療擺位誤差的研究顯示，頭腳方向的固定效果相對最差，與本研究的結(jié)果類似。

本研究的也存在一些局限性，首先納入研究的樣本量不大，可能對結(jié)果產(chǎn)生影響；其次，針對不同癌種，采用統(tǒng)一的配準范圍，也可能導致不同配準算法的結(jié)果不同。在后續(xù)臨床工作中，需納入更多患者進行研究，并且針對不同部位疾病，選擇適合的配準范圍以減少誤差。

綜上所述，使用XVI系統(tǒng)對減少胸部腫瘤放療擺位誤差、提高治療精度至關(guān)重要。對于肺癌和乳腺癌患者GA&MR方式較其他配準方式在X、Y、Z方向上，誤差數(shù)值落在≤2 mm范圍區(qū)間頻數(shù)更高，建議選擇灰度值自動配準加手動微調(diào)（GA&MR）的方式，肺癌CTV外擴PTV誤差范圍參考：X方向2.0 mm、Y方向4.4 mm、Z方向3.3 mm，乳腺癌CTV外擴PTV誤差范圍參考：X方向4.1 mm、Y方向4.7 mm、Z方向5.4 mm，可以更大程度提高放療精度。對于食管癌患者GA&MR與BA&MR配準方式在X、Y、Z方向上，較GAR與BAR配準誤差的數(shù)值落在≤2 mm、>2 mm且≤4 mm范圍區(qū)間頻數(shù)數(shù)據(jù)更優(yōu)，食管癌CTV外擴PTV誤差范圍參考：X方向2.4 mm、Y方向5.6 mm、Z方向3.0 mm，建議采用灰度值自動配準加手動微調(diào)（GA&MR）或骨性自動配準加手動微調(diào)（BA&MR）可提高治療精度。

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