4D-CBCT在临床中的应用

张玮婷

福建医科大学附属龙岩第一医院，福建省龙岩市 364000

随着现代影像科技、计算机技术、高精度机械控制技术的高速发展，目前放射治疗从技术上步入了精确放疗时代，从常规2D放疗发展到三维适形、调强放疗以及立体定向放疗[1]。这些技术在提高放疗精准性的同时，由于其具有剂量分布适形，体位固定重复性要求高的特点，要求在治疗前进行精准摆位验证，所以必须借助影像引导，从实际治疗上提高肿瘤放疗精准性[2]。

图像引导放疗(IGRT)是指在治疗摆位时采集图像，利用这些图像，引导此次以及后续分次治疗的技术[3]。IGRT的方式多样，传统的IGRT设备是在直线加速器上安装兆伏级电子射野影像装置(EPID)，近年来发展起来的机载锥形束CT是将CBCT平板探测器的读书装置和探测器结合在一起，提高了空间分辨率和密度分辨率，可以更直观、精确、方便地计算摆位误差[4]。

我科现有的医科达Synergy直线加速器机载千伏级四维锥形束CT(4D-CBCT)，在锥形束CT的基础上加入了时间变量因素，能够采集和显示整个呼吸周期中肿瘤和解剖结构的位置，并追踪肿瘤位于完整呼吸相位中的最长停滞阶段，考虑了时间加权平均因素，对摆位校准作出决策。尤其适用于受呼吸影响运动幅度大、目标肿瘤逃出计划靶区的概率大、容易影响放疗效果的胸部肿瘤类型。

本文研究测试了4D-CBCT在图像扫描和重建、图像配准、使用耗时方面，不同条件下的临床应用的配准效果，探讨4D-CBCT更为合理的临床应用方法。

1 图像扫描和重建

肺癌患者摆位后，于放疗前行4D-CBCT扫描。扫描参数为电压120kV，电流40mA，脉冲时间14ms，准直器S20，过滤器F0。

4D-CBCT的图像重建只能选择低分辨率重建和中分辨率重建，从实际测试结果来看，4D-CBCT低分辨率重建耗时25s，中分辨率重建耗时50s，两种分辨率的重建效果和配准结果如图1、图2所示。

A B

图1不同分辨率重建效果图

A:低分辨率重建效果 B:中分辨率重建效果

A B

图2不同分辨率重建的配准结果

A:低分辨率配准结果 B:中分辨率配准结果；各方向配准结果值见图右下角Lat(左右)、Long(头脚)、Vert(前后)

如图所示，4D-CBCT低分辨率和中分辨率重建得出患者左右、头脚、前后三个方向的配准结果分别为0.37、-0.33、0.16和0.37、-0.33、0.17，配准结果基本没差别。综上，考虑到应在治疗时尽量缩短时间以保证患者耐受性和舒适性，4D-CBCT临床在线校准更适合采用低分辨率图像重建方式。

此外，普通CBCT的图像重建可以选择低分辨率重建、中分辨率重建、高分辨率重建三种方法。测试三种分辨率选择对配准结果和适用性体会如下：高分辨率重建时间82s，中分辨率重建时间48s，配准结果基本没差别。低分辨率重建方式重建时间短、但图像质量差；高分辨率重建图像质量高，但重建需要时间长，推荐作为离线分析使用；中分辨率重建的图像质量既能满足匹配需求，时间也短，最适合在线配准；中、高分辨率重建方式对匹配结果的影响没有明显差别。所以普通的CBCT的在线校准更建议使用中分辨率重建方式。

2 图像配准

在扫描和重建后的图像中手动拉取三维配准框，并选取配准方式，对重建获得的4D-CBCT影像与计划CT影像进行配准。在三维配准框的选择上，经测试，三维配准框的选择范围不同对配准结果有影响。尤其是选择不合适的配准框，配准结果的差异很大，如图3所示，分别为配准框太小、配准框没有包括靶区，配准框位置较偏的配准结果。而配准框包括靶区外扩5cm、配准框包括靶区及周围骨结构，二者的配准结果比较相近，经临床医生检验，配准结果也比较准确，如图4所示。

A B C

图3三种不合适三维配准框得出的配准结果

A:配准框太小 B:配准框没有包括靶区 C:配准框位置较偏

A B

图4两种正确的三维配准框得出的配准结果

A:配准框包括靶区外扩5cm B:配准框包括靶区及周围骨结构

所以，在4D-CBCT图像配准前一定要调整配准框范围，至少包括PTV范围，并在三维上各外放5cm以上，如果肿瘤与附近骨结构相对位置固定，也要包括这些骨结构。

此外，在配准方式的选择上，如果肿瘤与附近骨结构相对位置固定，可以选择骨配准；如果是肺内孤立性病灶，选择灰度配准效果好；一般选择灰度配准[5]。

4D-CBCT最终给出一个呼吸周期中的10幅不同呼吸状态的扫描图像，经过三维配准框配准、靶区配准，使得4D-CBCT图像上靶区及周围正常器官的解剖结构在水平位、冠状位、矢状位上与定位图像上的相应解剖结构获得最佳重叠，由此得出患者实际的靶中心位置与治疗计划靶中心位置在三维方向的偏差数值，即为左右(LR)、头脚(SI)、和前后(AP)3个方向上的摆位误差。可动态观察10个呼吸状态下的10组摆位误差，并通过时间加权平均，得出最终临床执行的平均摆位误差。通过机载HexalPOD光学跟踪系统及引导软件进行在线摆位校准。

3 使用耗时

4D-CBCT在锥形束CT的基础上加入了时间变量因素，而据报道，普通CBCT所获得的图像内包含数个呼吸周期的运动图像，在受呼吸运动影响大的胸部肿瘤放疗前影像引导方式的选择上，笔者测量了正常在线校准使用CBCT(中分辨率图像重建)、4D-CBCT(低分辨率图像重建)时，二者各部分的使用耗时，结果如表1。

表1 CBCT和4D-CBCT使用耗时测量结果(s)

4D-CBCT使用时间仅比CBCT多62s，虽然同时给患者带来了略多一些的附加剂量。但4D-CBCT能观察呼吸完整时相内，10幅不同呼吸状态的摆位误差结果，确保不出现靶区“漏照”与“脱靶”的情况，从而提高放疗精确度和确保放疗疗效，依据放疗总目标来说，这种获益相对于风险更有价值。所以，针对胸部肿瘤放疗，均选择采用4D-CBCT扫描和配准。

综上，通过对4D-CBCT在图像扫描和重建、图像配准、使用耗时方面，不同条件下的测试，细化了我科4D-CBCT的临床使用方法，提高了我科人员对于4D-CBCT的应用熟悉程度，由此应用于胸部肿瘤患者的放疗前影像引导，能够进一步提高放疗精度，提高放疗疗效，对临床指导精确放疗具有实际意义。