锥形束CT在癌症放疗中的应用进展

王巍，刘冉生，张爱旭，袁智勇

（天津医科大学肿瘤医院·国家肿瘤临床医学研究中心·天津市肿瘤防治重点实验室，天津300060）

·综述·

锥形束CT在癌症放疗中的应用进展

王巍，刘冉生，张爱旭，袁智勇

（天津医科大学肿瘤医院·国家肿瘤临床医学研究中心·天津市肿瘤防治重点实验室，天津300060）

以锥形束CT（CBCT）为代表的在线容积成像技术可以通过多种途径明确、跟踪靶区，从而有效实现癌症精确放疗。尤其基于骨形特征分段CBCT扫描可明显提高癌症放疗摆位的准确性。本文对CBCT在癌症放疗中的应用及基于骨形特征分段CBCT扫描的优点进行阐述。

锥形束CT；癌症；放射疗法

癌症放疗的目标为最大程度提高肿瘤组织的照射剂量并降低正常组织的照射剂量［1］。采用癌症放疗技术有助于在癌症周围形成一个所需的高剂量梯度改变，呈“山峰”状的照射剂量分布，高剂量区域围绕着肿瘤组织，而低剂量区域则围绕着正常组织，从而提高癌症放疗精准度，并使照射剂量完全适合靶区形状［2，3］。但在实际放疗期间，肿瘤组织与正常组织部位与形态不同程度的改变、放疗耐受程度、患者体质量改变与肿瘤缩小等因素均影响癌症放疗疗效［4］。而锥形束CT（CBCT）扫描可提高放疗摆位的准确性，对其进行深入探讨，对提高放疗位置准确性具有重要意义。

1　CBCT成像原理及在癌症放疗中的优点

1.1CBCT成像原理 CBCT机在对图像进行采集时，X线以锥形束方式发出，并紧紧围绕扫描感兴趣区进行旋转，通过人体相关组织后投照到传感器上，传感器转换接收到的信号传输给计算机进行显示。

CBCT机采用的扫描方式并不相同，由连续拍照、脉冲式扫描之分，其中连续拍照时，X线球管实际曝光时间与扫描时间相当；而脉冲式扫描时X线球管实际曝光时间则远没有扫描时间长。另外，X线影像传感器有非平板型、平板型之分。两种类型的传感器各有优缺点，其中，非平板型的传感器具有成像快、X线转换效率高等优点；而缺点为几何失真概率大、噪音相对较大。平板型传感器影像较清晰、几何失真概率小，而且具有较高的空间分辨率等；而缺点主要为出现坏点、伪影的概率较大。与传统成像技术相比，CBCT优点明显，因此被广泛应用于医学领域，尤其近年来将其应用在放疗中，进一步提高了放疗精确度，提高放疗效果，避免人体正常组织受到伤害。

1.2CBCT在癌症放疗中的优点 理论上，影像引导放疗（IGRT）有助于提高癌症放疗摆位准确性［5，6］，其中以CBCT为代表的在线容积成像技术通过多种途径以明确、跟踪靶区并引导癌症放疗，从而显著改善癌症放疗摆位准确性［7］。CBCT具有开放式架构、轻重量与小体积等特征可直接整合至直线加速器上。机架旋转1周方可采集与重建体积范围内的CT成像，通过配准比较体积范围内的CT成像重建后三维患者模型与放疗方案的患者模型，从而采集癌症放疗需要调节的参数［8］。相关文献证实，CBCT的空间分辨率与密度分辨率均明显高于常规CT［9］。因此，CBCT引导放疗在癌症的临床治疗中具有更高的价值。CBCT的射线利用效率较高，接受照射治疗剂量较少，可作为实时监测手段，且CBCT具有X线透视、X线摄片与容积成像等多种功能，是目前IGRT的应用热点［10］。

CBCT要求指导癌症放疗摆位准确性的配准算法要有较快的速度。目前，系统中自动配准算法主要是基于骨形特征分段，其精确度主要依赖于骨形特征提取的准确性，但由于放疗过程器官变形与器官运动等多种因素，导致肿瘤的骨形位置的改变，且对于盆腔中不含骨组织的区域难以进行骨形特征分段［11］。基于灰度互信息法在多模态医学图像的配准算法中具有重要的意义，但这种全自动配准算法存在鲁棒性、数据量庞大等缺陷［12］。基于骨形特征分段CBCT通过将两个待配准CT图像实行金字塔分解，采集不同分辨率图像［13］。同时，基于骨形特征分段CBCT通过减少图像尺寸从而在一定程度上改善配准算法的收敛速度。基于骨形特征分段CBCT的金字塔分解还可通过平滑滤波，在一定程度上改善局部极值与局部搜索配准算法收敛的问题，从而改善配准算法的鲁棒性与精确度［14］。基于灰度互信息法的三维医学图像配准中存在配准速度缓慢、配准运算量较大等局限性，同时通过直接基于全局的像素进行配准容易发生误差。多分辨率配准算法通过有效提高配准速度，使计划CT结果与实际CBCT图像配准结果相一致，有效实现癌症精确放疗［15］。

CBCT根据不同的辐射源，分为KV-CBCT与MV-CBCT。与常规KV级扇形CT（KV-FBCT）成像原理比较，CBCT采用窄束成像，通过床移动与机架旋转实现CBCT扫描。CBCT扫描探测器信号主要由透过组织的原射线组成，具有精准反应人体组织中的真实信号、电子密度与CT值，并呈一一对应关系。放疗计划系统通过校正电子密度，并直接测定剂量分布情况。CBCT通过宽束成像，不需要移动床，探测器信号不仅包括原射线且包括通过其他组织的散射线。采用CBCT三维图像信息与计划CBCT图像进行融金，校正癌症放疗摆位准确性，采用拉弧照射模式，脉冲剂量率0.02～0.08 MU／帧，加速器设置为X线6MV，采用触发式图像采集模式，以采集高信噪比无脉冲伪影图像［16］。采用CBCT实施在线校正癌症放疗摆位，CBCT的X线源与治疗束同源，与加速器的结合较为简便，方便维护，成本低廉，并可作为剂量分布监测设备［17］。

2　基于骨形特征分段CBCT扫描特点及操作

2.1特点 基于骨形特征分段CBCT扫描可降低癌症放疗摆位误差。在每个分次放疗期间，癌症放疗摆位后采集二维图像信息或三维图像信息，通过比较参考图像，提高摆位准确性，再实施癌症放疗，以降低癌症放疗摆位误差［18］。癌症放疗摆位误差主要由随机误差与系统误差，随机误差主要由技术操作人员的摆位技术、人体生理性运动与人体不自主运动等不确定因素导致［19］；系统误差主要由光距尺误差、激光灯误差、加速器精度与CT模拟机精度等因素导致［20］。理论上，基于骨形特征分段CBCT扫描引导放疗可纠正随机误差与系统误差，但考虑到加速器、CT模拟机等设备精度，癌症患者体质量改变、体位改变等因素影响，基于骨形特征分段CBCT扫描仍存在一定程度的摆位误差［21］。因此，进行基于骨形特征分段CBCT扫描时，在保证靶区不被漏照的前提下明确靶区的外放边界，可较好地控制癌症放疗误差。

同时，基于骨形特征分段CBCT扫描图像引导的电子直线加速器，机架一次性旋转可采集容积显像，重建1～5 mm图像，层厚增减最小单位为0.5 mm，成像数据采集时间较短，成像扫描时间与成像重建时间仅为2 min。同时，基于骨形特征分段CBCT扫描成像有HALFFAN体部与FULLFAN头部两种模式，其中Y轴（头脚方向）体部14 cm，头部17 cm［22］。三维容积成像是基于骨形特征分段CBCT扫描成像的主要功能之一，通过治疗前基于骨形特征分段CBCT扫描，与计划CT配准算法分析，有效纠正摆位误差，提高癌症放疗摆位准确性。2.2 操作 ①模拟定位与制定放疗方案。采用大孔径定位基于骨形特征分段CBCT扫描，于平面CT床上，根据患者的癌症放疗要求进行摆位与固定体位，按照放疗方案的要求增强扫描相应部位，扫描范围要求比常规CT检查的范围大，肿瘤区域层厚设置为1～3 mm，通过计算机网络系统将CT成像数据传输至放疗计划系统，制定放疗方案［23］。②校正癌症放疗摆位准确性。分次放疗前，采用定位热塑面模将患者固定，采用三维激光灯摆位。机架360°旋转扫描，重建采集基于骨形特征分段CBCT扫描成像，后者与计划CT成像进行配准，分别记录左右（X）轴，前后（Z）轴与头脚（Y）轴方向上的平移矢量［24］。参照矢量数据调整治疗床位置，并实施放疗。每次基于骨形特征分段CBCT扫描时间约为1 min，扫描范围为Y轴：体部14 cm，头部17 cm，以等中心点作为扫描中心，成像分辨率调节为512× 512，重建层厚设置为3 mm，以达到精确放疗的目的，提高癌症放疗摆位准确性。③扫描精度的提升。CBCT系统要求指导癌症放疗摆位的配准算法实现快速度。目前自动配准算法主要为基于骨形特征分段，其精确度主要依赖于提取骨形特征的准确度。多分辨策略用于基于骨形特征分段CBCT扫描中可有效优化配准过程，同时有效避免局部极值，提高配准算法的准确度。相关文献证实，直接抽取搭式结构的多分辨率策略与高斯金字塔式的多分辨率策略相比，直接抽取搭式结构的多分辨率策略有助于减少配准算法所需时间，且改善鲁棒性；而高斯金字塔式的多分辨率策略具有较高的精确度［25］。临床常规根据多分辨率策略，将实际三维体数据应用于配准算法试验中，基于骨形特征分段CBCT扫描重建的三维患者模型与放疗方案中的患者模型进行配准算法试验，用于提高癌症放疗摆位的准确性［26］。同时，基于骨形特征分段CBCT扫描使肿瘤成像与计划CT中医师勾勒肿瘤空间位置配准，进一步为精确放疗奠定基础，并改善癌症放疗摆位的准确性。总之，CBCT在癌症放疗中的应用，进一步提高放疗精度，为提高放疗质量奠定坚实的基础。而基于骨形特征分段CBCT扫描通过有效纠正癌症放疗摆位误差，提高摆位准确性，以实现精确放疗的目的。因此，在临床实践中应充分认识到基于骨形特征分段CBCT扫描价值，结合癌症患者实际情况，加以推广与应用。

［1］胡俊刚，王晓东，朱旭.锥体束CT三维肝动脉造影在TACE术中判断原发性肝癌肿瘤供血动脉的临床价值［J］.介入放射学杂志，2015，24（6）：481-487.

［2］Dzierma Y，Beyhs M，Palm J，et al.Set-up errors and planning margins in planar and CBCT image-guided radiotherapy using three different imaging systems：A clinical study for prostate and headand-neck cancer［J］.Phys Med，2015，31（8）：1055-1059.

［3］王建廷，刘明，翟福山.肝癌千伏级CBCT引导放疗配准方法比较［J］.中华放射肿瘤学杂志，2015，24（4）：444-448.

［4］姚政铎，周林曦，沈刚.个别正常牙合牙齿近远中向倾斜度的CBCT测量分析［J］.四川大学学报：医学版，2015，46（4）：628-632.

［5］王雪桃，柏森，李光俊，等.千伏级CBCT图像CT值校正及在放疗剂量计算中应用［J］.中华放射肿瘤学杂志，2015，24（4）：457-461.

［6］崔明明，闫镔，曹鸿涛，等.基于全局二值特征描述子的三维CBCT图像快速匹配算法［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2015，30（4）：666-673.

［7］姚丽红，朱丽红，王俊杰，等.利用CBCT联合六自由度治疗床研究宫颈癌术后放疗摆位误差及CTV外放边界［J］.中华放射肿瘤学杂志，2015，24（1）：78-81.

［8］Zhang Y，Wu H，Chen Z，et al.Concomitant imaging dose and cancer risk in image guided thoracic radiation therapy［J］.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2015，93（3）：523-531.

［9］Ciardo D，Alterio D，Jereczek-Fossa BA，et al.Set-up errors in head and neck cancer patients treated with intensity modulated radiation therapy：Quantitative comparison between three-dimensional cone-beam CT and two-dimensional kilovoltage images［J］.Phys Med，2015，31（8）：1015-1021.

［10］陆维，许婷婷，许青，等.应用CBCT、EPID研究鼻咽癌2种体位固定方式摆位误差的比较分析［J］.中国癌症杂志，2014，24（7）：535-539.

［11］Xin S.Setup errors in cone-beam computed tomography and their effects on acute radiation toxicity in cervical cancerradiotherapy［J］.Genet Mol Res，2015，14（3）：10937-10943.

［12］谭蕾，廖雄飞，王首龙.宫颈癌超声图像与CBCT图像引导放疗宫颈移动度比较［J］.中华放射肿瘤学杂志，2014，23（6）：489-490.

［13］Heijkoop ST，Langerak TR，Quint S，et al.Quantification of intrafraction changes during radiotherapy of cervical cancer assessed with pre-and post-fraction Cone Beam CT scans［J］.Radiother Oncol，2015，117（3）：536-541.

［14］王骁踊，刘晖，谢丛华，等.应用锥形束CT对宫颈癌及子宫内膜癌术后放疗立置误差的研究［J］.中华放射医学与防护杂志，2014，34（7）：523-525.

［15］许森奎，姚文燕，林承光.医科达Synergy加速器ⅩⅥ系统CBCT扫描头颈部模体的误差研究［J］.中华放射肿瘤学杂志，2014，23（5）：433-436.

［16］王义海，吴恒，张瑾熔，等.CBCT配准前后的肺癌调强放疗计划比较研究［J］.中华放射肿瘤学杂志，2014，23（1）：65-67.

［17］Huang Y，Gardner SJ，Wen N，et al.Radiobiologically optimized couch shift：A new localization paradigm using cone-beam CT for prostate radiotherapy［J］.Med Phys，2015，42（10）：6028-6032.

［18］刘利彬，吴君心，瞿宜艳，等.应用CBCT研究胸腹部肿瘤IMRT两种体位固定技术的摆位误差［J］.中华放射肿瘤学杂志，2014，23（1）：48-52.

［19］Wood TJ，Moore CS，Horsfield CJ，et al.Accounting for patient size in the optimization of dose and image quality of pelvis cone beam CT protocols on the Varian OBI system［J］.Br J Radiol，2015，88（1055）：20150364.

［20］曹晓辉，刘明，翟福山，等.CBCT图像引导下胸部肿瘤放疗摆位误差及其外放边界［J］.中华放射肿瘤学杂志，2014，23（1）：53-55.

［21］Dolezel M，Slezak P，Odrazka K，et al.Interfraction variation in prostate cancer-analysis of 11726cone-beam CT［J］.J BUON，2015，20（4）：1081-1087.

［22］阎华伟，金献测，周永强.机载KV-CBCT在乳腺癌调强放射治疗误差分析中的应用［J］.实用医学杂志，2013，29（13）：2149-2151.

［23］孙倩，姜玉华，尹勇，等.一种针对CBCT图像弹性配准的特征向量选取方法［J］.生物医学工程学杂志，2013，30（6）：1315-1320.

［24］Palomo R，Pujades MC，Gimeno-Olmos J，et al.Evaluation of lens absorbed dose with Cone Beam IGRT procedures［J］.J Radiol Prot，2015，35（4）：N33-N41.

［25］吴艳龙，钟仁明，张英杰.图像引导无固定颈部放疗计划危及体积边界初探［J］.生物医学工程学杂志，2013，30（3）：503-507.

［26］戚涛，王红勇.锥形束CT扫描分析调强放射治疗中的摆位误差［J］.中国老年学杂志，2013，33（3）：546-547.

10.3969／j.issn.1002-266X.2016.21.038

R445.3；R730.55

A

1002-266X（2016）21-0092-03

国家自然科学基金资助项目（81472797）。

（2016-03-29）