基于图像配准分析的锥形束CT在肺癌患者精确放疗中的摆位误差研究

张西志，李 军，张先稳，桂龙刚，侯笑笑，孙新臣，李金凯

(1.苏北人民医院放疗科，江苏 扬州 225001；2.南京医科大学第一附属医院放疗科，江苏 南京 210029)

放疗已经进入精确治疗时代，患者在肿瘤放疗中都会产生误差，这种误差主要来源于器官运动导致的靶区位移误差和摆位误差[1]。肺癌患者由于受呼吸运动的影响较大，其治疗误差往往较大。

图像引导放疗(image guided radiotherapy，IGRT)是实现精确放疗的重要手段之一，IGRT通过在治疗前或治疗中获取图像来引导治疗，以减少患者放疗期间产生的摆位误差[2-4]。利用千伏级锥形束CT(conical beam CT，CBCT)进行图像在线校正是目前运用最广泛的IGRT技术。本文将比较CBCT技术中刚性图像配准算法和形变图像配准算法的价值，并以肺癌放疗为例，统计其治疗过程中的平移误差和旋转误差，利用经验公式来估算临床靶体积(clinical target volume，CTV)外放计划靶体积(planning target volume,PTV)，PTV在左右(X)、头脚(Y)、垂直(Z)方向上等3个方向上的外放值。

1 材料与方法

1.1病例选择2015年3月至2015年8月采用VARIAN Clinac-IX加速器进行IGRT的10例肺癌患者，其中男7例，女3例；年龄范围46～73岁，中位年龄55岁。病理类型包括小细胞肺癌2例、肺腺癌5例以及肺鳞癌3例。

1.2体位固定和CT定位所有患者采用仰卧位，用真空负压垫进行体位固定，并在体表和真空负压垫上作好定位标记，并用16排70 cm大孔径CT进行断层扫描，扫描范围为环状甲膜至纵膈肌下缘，扫描层厚5 mm，扫描后的CT图像通过Varian Aria网络系统传输至Eclipses TPS系统中。

1.3计划CT与CBCT图像配准每例患者分次治疗前均采用VARIAN Clinac-IX加速器CBCT扫描，扫描角度为顺时针182°至180°，总的扫描角度为358°。1)将TPS计划中的CT图像和获取的CBCT图像利用自动刚性配准和刚性辅助校准方法来完成刚性图像配准；2)利用基于像素的形变图像配准算法将TPS计划中的CT图像和CBCT图像完成配准，并进行轮廓自动勾画，并将其与CBCT勾画的轮廓进行对比分析，分析指标包括相似性系数(DSC)、阳性灵敏度(SENS)和预测值(PPV)，其中DSC可反映2种轮廓的重叠区域及平均值，SENS反映了阳性检测的样本占总数的百分比，PPV是指阳性检测的样本总数中，样本占阳性检测的百分比。

1.4CTV外扩分析由于人体器官非刚性，且摆位误差不可避免，所以为了减少治疗偏差，通常应对CTV的外边界进行外扩。具体来讲，由人体器官不自主运动所引起的CTV外边界的运动范围称为内扩边(internal margin，IM)，由摆位误差引起CTV边界运动范围称为摆位扩边(setup margin，SM)[5]。在图像配准过程中，可采集得到每例患者在X、Y、Z方向上的误差值。根据这些误差值，我们通常可利用经验公式M=2.5∑+0.7δ来计算CTV在X、Y、Z等3个方向上的外放边界值[6-7]。其中δ为所有患者误差值的标准差，该值可认为是随机误差；∑为所有患者误差值的标准差的平均值，该值可认为是系统误差；M为CTV外放成PTV的外扩估计值。

2 结果

2.1刚性图像配准算法与形变图像配准算法DSC值比较刚性图像配准算法和形变图像配准算法的DSC值比较结果显示，对于体表轮廓、左肺、右肺及心脏形变图像配准算法的DSC值均高于刚性图像配准算法(P均<0.05)。见表1。

表1 刚性图像配准算法与形变图像配准算法DSC值比较

2.2摆位误差10例肺癌患者共进行254次CBCT扫描和配准，根据配准结果，分别采集X、Y、Z等3个方向上的平移误差和旋转误差。患者在X、Y、Z轴的摆位误差分别为(0.04±0.16)cm、(0.09±0.32)cm、(-0.02±0.13)cm，患者在X、Y、Z轴形成的u、υ、w旋转误差分别为(0.41±0.64)°、(-0.20±0.57)°、(0.06±0.62)°。见图1、2，表2、3。

图2 患者在u、υ、w方向上的旋转误差散点分布图

表2 10例肺癌患者在X、Y、Z等3个方向上的摆位误差cm

表3 10例肺癌患者在u、υ、w等3个方向上的旋转误差 °

2.3靶区外扩情况肺癌靶区的临床外放边界在X、Y、Z等3个方向上分别是0.78 cm、1.12 cm、0.68 cm。见表4。

表4 10例患者在X、Y、Z等3个方向上的外扩估计值 cm

3 讨论

随着设备和技术的发展，放疗已经进入精确时代，主要体现在对影像获取、靶区定位及靶区勾画等方面的精确要求愈来愈高。但患者在实际治疗过程中的治疗精度仍受摆位误差和器官运动等因素的显著影响。例如，多项研究[8-10]表明肺癌放疗过程中产生的分次间摆位误差约为5～40 mm。而Balter等[11]的研究结果表明当摆位误差大于1 cm时对靶区的影响约为6 mm。因此，为了实现肿瘤的精确治疗，必须进行摆位校正以减少摆位误差。

摆位校正目前主要依靠CBCT图像获取和与计划CT图像的配准技术。Borst等[12]认为若没有CBCT图像配准来减少误差，51%的肺癌患者可能存在超过5 mm的摆位误差。Purdie等[13]对28例T1～2期非小细胞肺癌立体定向放疗的研究显示，CBCT在肺癌立体定向放疗中的在线图像指导能够确保靶区位置精确性。

本文研究结果显示，与采用刚性图像配准算法相比，采用形变图像配准算法能获得较好的DSC值(包括双肺、脊髓、心脏、体表轮廓)，通过对10例肺癌患者进行的254次CBCT扫描和图像配准，得到患者在X、Y、Z轴上的平均平移误差分别为(0.06±0.15) cm、(0.10±0.31)cm、(-0.03±0.12)cm。该结果表明Y轴方向平均平移误差最大，X轴方向次之，Z轴方向最小。系统误差在X、Y、Z方向分别为0.27 cm、0.36 cm、0.24 cm，其中以Y轴方向误差最大。X、Y、Z轴方向的随机误差分别为0.15 cm、0.31 cm、0.12 cm，同样以Y轴方向误差最大，这是因为与利用热塑体膜固定体位有关，在X轴和Z轴方向上，体膜相对固定，不容易发生相对位移，而Y轴方向两端并不是封闭的，假若抱头姿势稍有改动或皮肤松弛都可能引起Y轴方向上的显著位移偏差。

患者治疗的分次间误差由摆位误差与器官移动引起的误差组成，因此在靶区勾画时需要对CTV进行外扩形成实际治疗的PTV。本研究采用经验公式来估算CTV的外扩值，该方法同时考虑了系统误差和随机误差的影响，其结果能保证90%群体患者最小CTV累积剂量至少达到95%的处方剂量[6-7]，根据结果推荐推荐CTV外扩PTV应在X、Y、Z方向分别外扩0.78 cm、1.12 cm、0.68 cm。

本研究也存在一定不足，例如，本研究中的所有患者均是利用真空负压垫来固定体位的，而使用其他定位技术(例如碳素纤维定位架、热塑体膜等)可能产生的误差也不同。且在本研究中，并未对左、右肺癌患者进行独立分析比较，由于膈肌和心脏运动对左、右肺影响不同，很可能引起左、右肺靶区的位移，所以在后续研究中，有必要对左、右肺癌的结果的差异进行进一步研究。