XVI图像配准软件在头颈部放疗中对体位验证的影响

李文军，李文哲，夏宏娟，张 萌，沈宇澄，袁 芳

XVI图像配准软件在头颈部放疗中对体位验证的影响

李文军，李文哲，夏宏娟，张 萌，沈宇澄，袁 芳

目的：探讨XVI R4.2图像配准软件在头颈部摆位验证中的应用，为临床治疗提供参考依据。方法：抽取25例头颈部肿瘤患者，在进行图像引导放疗时均经过电子射野影像装置（EPID）拍摄一个采集周期内的一组平面影像，分别采用骨性标志物和灰度方式与计划系统生成的数字重建图像进行配准分析。结果：采用骨性标志物方式和灰度方式在X、Y轴方向上无明显差异，在Z轴上灰度配准方式误差较大，与骨性标志物方式比较有统计学差异。结论：在利用加速器Elekta SynergyRXVI系统对患者头颈部进行摆位误差验证时，采用骨性标志物配准方式在垂直方向上误差优于灰度配准方式，且时间较灰度配准方式短。

放射治疗；图像配准；摆位验证；电子成像设备

0 引言

随着放射治疗技术的不断发展和对治疗效果要求的日益提高，临床放疗过程中对于患者摆位的精确程度要求也就越来越高[1]。在临床工作中，如果出现摆位的疏忽，就会影响治疗效果，甚至造成正常组织出现放射性损伤。为了提高治疗过程中对患者摆位的准确性，图像引导放射治疗（image guided radiotherapy，IGRT）的概念应运而生，它是将治疗前摆位时或治疗中采集的患者身体靶区结构影像与计划设计时生成的数字重建图像作对比，从而纠正摆位，或调整射束，或修正计划，使得治疗更加安全，从而符合肿瘤放射治疗剂量学要求[2]。

我院于2011年引入瑞典医科达公司数字化直线加速器Elekta SynergyR，用于向患者提供控制剂量的致电离辐射。该系统配备的电子成像设备XVI（X-ray volume image，XVI），又称为X线容积成像，它包括kV级X线源和非晶硅（a-Si）/碘化铯（CsI）辐射影像探测板。kV级X线源生成的射线，作为平面影像投影到治疗床另一端的kV探测板上，运行于XVI工作站上的XVI软件采集影像，并存储在工作站上，最后将平面影像集重建的容积影像与参考计划CT影像进行配准，找到这2种影像间的位置差异。XVI为临床放射治疗提供了一个功能强大且比较灵活的数据采集和处理工具，采用它可以明显改善摆位过程中出现的误差，从而提高准确性和治疗效果。

XVI配置的图像处理及配准软件具有自动图像配准和手动微调的功能。为充分研究其在临床使用中的情况，我科对其中的自动配准功能进行了一系列的实验研究，比较了不同重建方法下重建的容积影像与参考计划CT影像的位置差异，为日常放疗摆位提供有价值的误差数据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

以头颈部肿瘤放疗患者为例，抽取在2013年9月至2013年11月期间，使用直线加速器ElektaSynergyR进行IGR T治疗的患者25例，均为首次接受放射治疗。所有患者经过PET-CT扫描定位后，使用XiO放疗计划系统（treatment plan system，TPS）进行头颈部联合不规则照射野设计。同时生成相应照射野的数字重建图像，此图像传送至加速器XVI控制计算机。所有患者均采用热塑网膜固定体位。

1.2 实验方法

1.2.1 XVI图像采集

患者图像采集时，利用激光灯对准PET-CT扫描定位所采用的定位标记点后，采用Volume ViewTM采集模式。在此模式下，数字化机架kV源和探测板一个360°全周旋转周期大约采集650个影像，每个影像和采集该影像时的机架角度由XVI软件存储，该软件使用该数据重建由平面影像集完成的解剖结构容积的三维影像，此3-D容积可以对比导入数字图像参考影像进行配准。

1.2.2 图像配准

影像配准在VolumeViewTMR egistration中执行，在此配准模式下，需要选择参考数据即TPS中的数字影像、切片平均数值（本实验中我们统一选择5层）以及默认的显示模式。执行配准中存在骨、灰度值和手动3个可选配准方式，手动方式主要校准大致错误且主观性较强，故在此不做讨论。本研究中患者均采用骨和灰度2种方式进行配准，得到X、Y、Z（X：床横向运动，Y：床纵向运动，Z：床垂直运动）3个方向上的误差大小。

1.2.3 数据处理

利用SPSS19软件对实验中所得到的2种方法在X、Y、Z轴方向上的配准误差进行分析，计算6组数据的均值和标准差，并将2种方法在3轴上的摆位误差分别进行配对样本t检验，比较是否存在统计学差异，以P＜0.05为差异具有统计学意义，同时计算2种方法间的相关系数。

2 结果

3个方向上配准均值、标准差结果见表1。2种方法下同一方向上配准结果比较见表2。表1中X、Y 2个方向2种方式配准的结果与参考图像误差较小，且此2种方式配准的结果近似。而Z轴方向上灰度配准方式误差相对较大，与骨配准方式差别较明显。在表2的配对检验分析中，2种配准方式在X、Y轴上没有明显差别（P＞0.05），X、Y轴方向上两者的相关系数R分别为0.966和0.842，这与表1中相关配准误差结果一致。在Z轴方向上，2种方式存在明显差异（P＜0.05），相关系数R为0.059，说明骨配准方式的准确性优于灰度方式，且符合表1中Z轴方向上配准结果。

表1 不同方向头颈部配准误差均值和标准差cm

表2 不同配准方法在同一方向上的摆位误差的统计分析

3 讨论

本研究中配准是指比较重建的影像和参考计划中的PET-CT影像的空间位置和朝向。XVI通过查找2种影像中的特征匹配来实现配准，然后告知用户二者之间的差异。使用这个差异信息重新定位精确治疗床，以根据治疗计划校正患者治疗位置的任何位置误差，或者在以后使用此信息校正患者摆位的系统性误差。

本实验中的2种匹配验证方法采用了不同的算法原理。Bone算法又叫分级斜面匹配算法，它通过最小广义距离来寻找图像的匹配边界[3]。匹配通过同一场景的不同分辨率图像的分级结构来实现，大大降低了运算量，使得算法简单，相对容易实施。对于某些剧烈疼痛的患者大多难于长时间卧床保持同一姿势，此时缩短配准验证的时间，就会大大提高患者的承受能力，增强治疗效果。但是，此方法对于噪声和干扰比较敏感，例如患者摆位误差较大或者伪影

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）严重时，匹配结果就会出现严重错误[4-5]。对于灰度方法，主要是根据图像的相关性自动配准射野图像。本算法利用基于相关算子的快速傅里叶变换找到最优配准，对于平面平移和旋转同样适用。

在表1的实验结果中，在X轴方向上，2种配准方法所得靶区摆位误差的均数和标准差较小，表明在摆位过程中，床的左右移动带来的影响较小。而Y轴方向上摆位误差的均值差异较大，2种方法最大摆位误差分别达到0.522 cm和0.486 cm，说明治疗摆位时Y方向的调整幅度较其他2个方向明显。实验研究中，不同病例的个体差异明显，对治疗摆位影响较大，治疗计划的设计和实施都应该考虑进去，针对不同的患者，最好采用个体化的方法进行摆位校准。3个方向上的误差值均小于1 cm。利用灰度方式在Z轴方向上误差最大，2种方式在X和Y轴的误差近似，说明灰度方式对于Z轴即垂直方向上影响较大。此外X和Y轴的误差均值均在负方向，这可能和患者的体位及技师摆位的方式或者加速器的系统误差有关。

表2中2种配准方法在X、Y轴方向上的结果无明显统计学差异，且相关系数R进一步说明了这2种方法的相关性较高。反之，在Z轴方向上，2种方法配准的结果存在明显的统计学差异，且相关系数R说明两者的相关性较低。随着影像技术越来越先进，医疗质量必然会大幅提高，但不能完全依赖硬件，临床工作经验也是一个重要的因素，所以在放疗摆位过程中两者需要有机地结合起来，才能达到最佳效果。

[1]戴建荣，胡逸民.图像引导放疗的实现方式[J].中华放射肿瘤学杂志，2006，15（2）：132-135.

[2]Bucci M K，Bevan A，Roach M.Advances in radiation therapy：conventional to 3D，to IMRT，to 4D，and beyond[J].CA：A Cancer Journal for Clinicians，2005，55（2）：117-134.

[3]Borgefors G.Hierarchical chamfer matching：a parametric edge matching algorithm[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1988，10（6）：849-865.

[4]West J，Fitzpatrick J M，Wang M Y，et al.Comparison and evaluation of retrospective intermodality brain image registration techniques[J]. Journal of Computer Assisted Tomography，1997，21（4）：554-568.

[5]Peters A R，Muller S H，De Munck J C，et al.The accuracy of image registrationforthebrainandthenasopharynxusingexternalanatomical landmarks[J].Physics in Medicine and Biology，2000，45（8）：2 403.

（收稿：2014-04-25 修回：2014-07-30）

Influence of XVI image registration software on positioning verification in head and neck radiotherapy

LI Wen-jun,LI Wen-zhe,XIA Hong-juan,ZHANG Meng,SHEN Yu-cheng,YUAN Fang
（Department of Radiotherapy,Urumqi General Hospital of Lanzhou Military Area Command,Urumqi 830000,China）

ObjectiveTo apply XVI R4.2 image registration software to the head and neck positioning verification to provide references for clinical radiotherapy.MethodsTwenty-five cases with head and neck tumors were chosen and taken shot in the whole collection period.The technology of IGRT was used in this period with EPID.Two different methods called Bone and Grey-level were implemented to register the collected image and digitally reconstructed radiograph stored in the TPS.ResultsThere was no significant difference in the X,Y axes which resulted from both Bone and Grey-level methods,while the errors on the Z axis were significantly higher than those of the other axes.Conclusion The setup errors based on Bone method in Z direction is better than that by Grey-level method.[Chinese Medical E-quipment Journal，2015，36（1）：72-73，95]

radiotherapy;image registration;positioning verification,electronic portal imaging device

R318；R445

A

1003-8868（2015）01-0072-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.072

李文军（1973—），男，主管技师，主要从事放疗精确定位、计划优化等方面的研究工作，E-mail：609557377@qq.com。

830000乌鲁木齐，兰州军区乌鲁木齐总医院放疗科（李文军，李文哲，夏宏娟，张 萌，沈宇澄，袁 芳）

袁 芳，E-mail：zyyfmxj@163.com