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（GA&MR）、骨性自動配準（BAR）和骨性自動配準加手動微調（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計分析。結果：肺癌患者BAR和BA&MR兩種配準方式Y方向的差異有統計學意義（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，配準誤差數值落在≤2 mm誤差范圍區間頻數數據較優，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果在X、Y和Z方向差異均無統計學意義（P>0.05），GA&MR與BA&MR在X、Y、Z方向上，配準誤差數值落在≤2 mm、>2 mm且≤4 mm誤差范圍區間頻數數據更優，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。結論：肺癌和乳腺癌患者灰度值自動配準加手動微調（GA&MR），食管癌灰度值自動配準加手動微調（GA&MR）或骨性自動配準加手動微調（BA&MR），更能高效配準，提高治療精度。

【關鍵詞】 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鍵因素。錐形束CT（CBCT）圖像引導是近年來發展用于驗證擺位誤差的技術，可獲取擺位誤差對治療床位置進行在線校準，實現精確放療[3]。張璋等[4]研究發現，應用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，結果表明CBCT的應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果存在差異[6]。醫科達Synergy直線加速器X射線容積成像（XVI）是CBCT技術的一種，許多學者對XVI的原理和臨床應用做了相關研究[7-8]，但就胸部腫瘤中關于自動配準與手動配準探討較少。本研究使用XVI系統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外放范圍提供依據。

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圖像質量不佳。篩選數據經醫院醫學倫理委員會批準。

1.2 方法

1.2.1 定位方法與靶區勾畫 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。由主管醫師依據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，物理師依據放療申請單制作固定野調強放療計劃，所有計劃均經上級醫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，排定治療日程。

1.2.2 CBCT圖像獲取 應用醫科達Synergy型直線加速器配備的XVI系統進行掃描，獲取CBCT圖像。經Mosaiq系統加載計劃CT圖像至XVI系統，統一影像加載參數：配準范圍為：左右方向（X方向）至兩側肋骨外緣，頭腳方向（Y方向）至靶區上下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旋轉360°。首次CBCT掃描過程由放療醫師、物理師和技師共同參與，在加速器上依據計劃復位單上移床數值進行復位，執行CBCT掃描。

1.2.3 圖像配準 XVI系統提供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方向旋轉圖像進行配準。XVI系統自動配準完成后，可由醫師根據配準結果進行手動微調。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（GA&MR）、骨性自動配準（BAR）和骨性自動配準加手動微調（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，配準后的旋轉誤差無法用于校正治療床位置，所以本研究不考慮旋轉誤差，僅對比分析X、Y、Z方向的平移誤差。手動微調的標準為：若腫瘤靶區距離脊髓較遠，則優先配準腫瘤靶區，否則優先配準脊髓區域。

1.2.4 靶區外放范圍的確定 靶區外放范圍采用Van HM的外放數值計算公式：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 統計學處理

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

2 結果

2.1 肺癌患者擺位誤差結果

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

2.2 乳腺癌患者擺位誤差結果

方差分析結果表明：四種配準方式在Y和Z方向的擺位誤差結果間的差異均有統計學意義（P<0.05），Y方向兩兩比較結果顯示，GAR與GA&MR、BAR與GA&MR間的差異均有統計學意義（P=0.022、0.015）；Z方向兩兩比較結果顯示，GAR與GA&MR、GAR與BAR、GAR與BA&MR的差異均有統計學意義（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頻數變化變化見表4，GA&MR方式較其他配準方式在X、Y、Z方向上，誤差數的數值落在≤2 mm誤差范圍區間頻數數據更集中，較頻數最低的BAR于≤2 mm誤差范圍區間內X、Y、Z方向頻數分別高出19.4％、21.7％、9.0％。

2.3 食管癌患者擺位誤差結果

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

2.4 不同配準方式的靶區外放范圍

由于擺位誤差和器官位置不確定性，治療中會在臨床靶區（clinical target volume，CTV）外放一定邊界形成計劃靶體積（planning target volume，PTV），以保證靶區足夠照射劑量，達到精準放療效果。通過分析CBCT系統灰度值自動配準（GAR）、灰度值自動配準加手動微調（GA&MR）、骨性自動配準（BAR）和骨性自動配準加手動微調（BA&MR）四種圖像配準方式的平移誤差值，計算出的靶區外放范圍大小見表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量的關鍵因素之一，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，相比傳統的電子射野影像系統圖像更清晰，能從三維方向分析擺位誤差，并自動修正移床誤差等優點，在臨床應用中越來越廣泛[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果不同[14]。XVI系統提供四種配準選擇，其中自動配準耗時短，而手動配準時間取決于醫生熟練程度，相對耗時較長。基于XVI系統的圖像引導放療耗時顯著高于傳統的調強放療，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的圖像配準方法。四種配準方式在Y方向的擺位誤差結果間差異有統計學意義（P=0.037），兩兩比較結果顯示，BAR與BA&MR兩種配準方式間的差異有統計學意義（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果顯示，X和Z方向差異均無統計學意義（P>0.05），兩兩比較結果顯示，BAR與BA&MR兩種配準方式間的差異有統計學意義（P<0.05）。分析原因，骨性自動配準算法主要以配準框內骨性結構作為配準依據，如椎體等，而人工微調時，醫生更關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，誤差數值落在≤2 mm范圍區間頻數更高，說明配準誤差值更趨于穩定。灰度值自動配準主要計算配準框內灰度值的匹配度，并且經過手動微調后，相較于僅計算骨性結構配準度的方法，更適合于肺癌患者。與袁星星等[15]研究結果類似。

對于乳腺癌患者，四種配準方式Y和Z方向差異有統計學意義（P<0.05），Y方向結果顯示GAR和GA&MR、BAR和GA&MR間的差異有統計學意義（P<0.05），Z方向的結果顯示GAR和另外三種配準方式間差異均有統計學意義（P<0.05）。原因可能由于是乳腺靶區偏身體一側位置，而自動配準算法計算整個配準框內的匹配程度，而且同時乳腺癌靶區易受呼吸運動時胸廓起伏的影響。在人工微調時，醫生更關心胸壁靶區位置，從而影響Y和Z方向的擺位誤差結果。馮鑫等[16]通過CBCT測量光學體表監測系統輔助乳腺癌擺位的研究結果顯示，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，這與本研究結果類似。

食管癌CBCT圖像配準的結果顯示，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）。食管解剖結構毗鄰胸椎，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，醫生手動調整的范圍較小，從誤差結果上來看，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，對惡性腫瘤開展調強適形放療時，通常CTV均外擴PTV以保證靶區足夠照射劑量，但外擴較多，會增加正常組織受量，不能實現精準放療。本研究通過CBCT實際測量配準獲取擺位誤差數據，為CTV外擴數據提供參考。使用Van HM關于靶區外放范圍公式計算不同腫瘤所需的靶區外放范圍，結果顯示，乳腺癌靶區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，可能對結果產生影響；其次，針對不同癌種，采用統一的配準范圍，也可能導致不同配準算法的結果不同。在后續臨床工作中，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系統對減少胸部腫瘤放療擺位誤差、提高治療精度至關重要。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，誤差數值落在≤2 mm范圍區間頻數更高，建議選擇灰度值自動配準加手動微調（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配準誤差的數值落在≤2 mm、>2 mm且≤4 mm范圍區間頻數數據更優，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（GA&MR）或骨性自動配準加手動微調（BA&MR）可提高治療精度。

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