基于锥形束CT的骨性自动配准、灰度自动配准在不同部位食管癌放疗中的摆位误差偏移差值比较

吴承骏，孙凌飞，温翠侠，殷海涛，任洪荣，丁纪，阮晓博

徐州市中心医院放疗科，江苏徐州221000

食管癌是我国较为常见的恶性肿瘤，发病率及死亡率均排在前十位［1］。放射治疗作为食管癌综合治疗中至关重要的方式，每次治疗时的精确度至关重要，这其中，摆位误差的控制尤为关键［2］。锥形束CT（CBCT）是一种放疗在线成像工具，可反映治疗时的位置情况，提供患者治疗位置的信息［3］。研究［4-5］显示，瓦里安Truebeam 直线加速器系统集成的KV 级CBCT 影像系统，可以实时获取患者在治疗床上的一系列位置信息，通过与放疗计划设计时的定位CT 相比较，可以获得两者位置上的差异，通过纠正摆位误差，达到提高放疗精确度的目的。在图像对比时需要进行配准，指的是对同一观察对象在不同方式下获得的图像进行比较、融合，使其互相映射。实际操作中需要把CBCT 与计划CT 这两组CT影像进行配准，而不同配准方法在精度及适用范围等方面都存在显著差异，会造成结果的不同［6］。比较常用的配准方式为灰度自动配准以及骨性自动配准，灰度自动配准采用灰阶“相关比”，适用于靶区周围富含软组织的情况，而骨性自动配准则主要提取骨性特征，适用于靶区邻近骨性组织以及植入人工标记物的情况［7］。以上两种配准方式为系统自动配准，节省了手动配准的时间，但精度往往不如医师手动配准［8］。我们以手动配准结果作为标准，比较骨性自动配准、灰度自动配准在不同部位食管癌放疗中的摆位误差偏移差值，探讨其精确程度。现将结果报告如下。

1 资料与方法

1.1 临床资料 选取2020年1月—2020年11月在徐州市中心医院接受容积旋转调强放疗（VMAT）的食管癌患者47 例，其中男31 例、女16 例，年龄51～78 岁。所有患者均经病理检查证实为食管鳞癌或腺癌。患者一般状况良好，卡氏评分KPS≥70，心肺功能正常且无胸部放疗史。按美国癌症联合会/国际抗癌联盟食管癌分段标准分为颈段及胸上段（统称为上段）14例，胸中段（统称为中段）21例，胸下段及食管贲门连接处肿瘤（统称为下段）12例。

1.2 模拟定位、靶区勾画及放疗计划制作 患者仰卧于模拟定位机的碳素纤维底架上，对于上段食管癌采用颈肩热塑膜固定，对于中段食管癌、下段食管癌采用体部热塑模固定，然后在自由呼吸状态下行大孔径定位螺旋CT 轴位模式增强扫描，层厚5 mm。参照国际辐射学单位委员会（ICRU）报告勾画出肿瘤区（GTV）、临床靶区（CTV）、计划靶区（PTV）以及危及器官（OAR）。GTV 定义为食管肿瘤及肿大淋巴结；CTV 定义为GTV 在左右及腹背方向上外放0.6～0.8 cm、头脚方向上外扩3.0～4.0 cm，并根据正常组织的边界进行调整，同时包括相应的淋巴引流区域：上段肿瘤包括锁骨上及纵膈2、4、5、7区，中段肿瘤包括食管旁及纵膈2、4、5、7 区，下段肿瘤包括食管旁及纵隔4、5、7 区以及胃左、贲门的淋巴引流区；PTV 定义为CTV 外扩0.5 cm。制作容积调强放疗（VMAT）计划，采用6 MV X 线体外照射，放疗剂量范围50～60 Gy。正常组织的剂量要求：肺平均剂量≤13 Gy、肺V20（20Gy 等剂量曲线所包绕的靶区体积）≤30%、心脏V40（40Gy 等剂量曲线所包绕的靶区体积）≤50%、脊髓最大剂量≤45 Gy。

1.3 CBCT 图像采集及摆位误差偏移差值测算采用Truebeam 直线加速器对患者进行放疗，并利用CBCT 系统收集患者放射治疗首次以及疗程中每周一次的CBCT 摆位验证图像，47 例患者共完成272次CBCT 扫描，将扫描结果导入放疗计划系统内与定位CT 图像进行图像融合比较。采用骨性自动配准和灰度自动配准分别获取左右（LR）X 轴、腹背（AP）Y 轴、头脚（SI）Z 轴三个方向上的摆位误差，由医师使用手动配准模式得到手动配准摆位误差。根据骨性自动配准记录患者在三个方向上的摆位误差为A，根据灰度自动配准记录三个方向上的摆位误差为B，由医师使用手动配准记录三个方向上的误差为C，以C 为标准计算两种自动配准模式的摆位误差偏移差值（|C-A|、|C-B|）。

2 结果

2.1 骨性自动配准、灰度自动配准在上段食管癌放疗中的摆位误差偏移差值比较 骨性自动配准在上段食管癌放疗中X 方向的摆位误差偏移差值为（0.11±0.06）cm，灰度自动配准在上段食管癌放疗中X 方向的摆位误差偏移差值为（0.20±0.07）cm，两者相比，P>0.05。骨性自动配准在上段食管癌放疗中Y方向的摆位误差偏移差值为（0.22±0.10）cm，灰度自动配准在上段食管癌放疗中Y方向的摆位误差偏移差值为（0.23±0.11）cm，两者相比，P>0.05。骨性自动配准在上段食管癌放疗中Z方向的摆位误差偏移差值为（0.31±0.18）cm，灰度自动配准在上段食管癌放疗中Z 方向的摆位误差偏移差值为（0.37±0.15）cm，两者相比，P>0.05。

2.2 骨性自动配准、灰度自动配准在中段食管癌放疗中的摆位误差偏移差值比较 骨性自动配准在中段食管癌放疗中X 方向的摆位误差偏移差值为（0.27±0.12）cm，灰度自动配准在中段食管癌放疗中X 方向的摆位误差偏移差值为（0.35±0.16）cm，两者相比，P>0.05。骨性自动配准在中段食管癌放疗中Y 方向的摆位误差偏移差值为（0.18±0.06）cm，灰度自动配准在中段食管癌放疗中Y方向的摆位误差偏移差值为（0.15±0.07）cm，两者相比，P>0.05。骨性自动配准在中段食管癌放疗中Z方向的摆位误差偏移差值为（0.28±0.10）cm，灰度自动配准在中段食管癌放疗中Z 方向的摆位误差偏移差值为（0.21±0.11）cm，两者相比，P>0.05。

2.3 骨性自动配准、灰度自动配准在下段食管癌放疗中的摆位误差偏移差值比较 骨性自动配准在下段食管癌放疗中X 方向的摆位误差偏移差值为（0.19±0.07）cm，灰度自动配准在下段食管癌放疗中X 方向的摆位误差偏移差值为（0.28±0.04）cm，两者相比，P>0.05。骨性自动配准在下段食管癌放疗中Y方向的摆位误差偏移差值为（0.22±0.09）cm，灰度自动配准在下段食管癌放疗中Y方向的摆位误差偏移差值为（0.09±0.05）cm，两者相比，P<0.05。骨性自动配准在下段食管癌放疗中Z方向的摆位误差偏移差值为（0.26±0.11）cm，灰度自动配准在下段食管癌放疗中Z 方向的摆位误差偏移差值为（0.12±0.06）cm，两者相比，P<0.05。

3 讨论

放射治疗是食管癌主要的治疗方法之一，在术前、术后以及根治性治疗中起着重要的作用。分次放疗是治疗的基础，每次治疗时体位的一致性至关重要，摆位的误差可能引起肿瘤漏照，或正常组织不良反应的增加。GUJRAL等［9］发现，心脏照射每增加1 Gy，患者出现血管硬化、猝死的概率就增加7.4%。GAO 等［10］研究发现，放疗分次间的食管位置变化对放射性食管炎等不良反应的影响要远大于分次内，可能引起多达30%的不良反应的增加，因此，每次治疗时位置的重复性至关重要。

随着肿瘤放疗进入精准化的时代，多种放疗跟踪影像技术已在临床上常规开展，图像引导放疗（IGRT）技术提高了放疗精度，对疗效的提高有着积极作用［11］。KV-CBCT 作为IGRT 的重要组成部分，已广泛应用于临床。VONCKEN 等［12］通过超声胃镜预先在食管肿瘤中植入金属标记，利用CBCT 系统准确量化食管肿瘤的位置变异性，发现不同部位不同配准方法可能带来PTV 外放边界的差异，这与尚凯等［13］的研究类似。他们认为每个放疗单位应该根据实际测量的数据算得本单位具体的摆位误差，以指导临床。我们对47 例食管癌患者在放疗首次前行CBCT 扫描来纠正摆位误差，并在治疗疗程中行每周一次的误差校正，结果发现，由于模具、标线等导致的日常摆位误差一般在0.5 cm 以内，通过5～10 mm的PTV外扩，可以达到放疗靶区的剂量覆盖。

曹璐等［14］对20 例食管癌IGRT 病例分别采用骨性算法和灰度算法进行自动配准，通过比较不同配准方式与放疗医师手动配准结果之间的差异来评估不同算法对结果的影响，发现骨性配准要好于灰度配准，在平移误差上的偏差更小，提示在食管癌IGRT 时使用骨性配准，并在此基础上采用手动微调，能够获得较好结果。MACHIELS 等［15］也得出了类似的结论。而HOFFMANN 等［16］通过植入标记物，利用CBCT 来测算食管的运动，结果发现采用灰度配准能够降低误差，这说明采用不同的配准方式可能带来不同的误差结果。食管由于跨度较长，不同分段肿瘤的放疗分次间误差也不尽相同，总的来说，下段及食管贲门部肿瘤的偏差要大于上段［17］。颈胸段食管邻近颈椎、胸椎等骨性结构，位置较为固定，常使用椎体作为定位标记，因此基于骨性结构的骨性配准可能更适于上段食管癌的IGRT，而食管贲门处肿瘤已跨过膈肌进入腹腔，邻近肝胃等软组织，可能采用灰度配准更为合适。因此，本研究针对不同分段肿瘤，以手动配准结果为基准，来研究不同的配准方式对摆位结果的影响。我们的结果显示，对于上段及中段食管癌，骨性自动配准与灰度自动配准在X、Y、Z 三个方向上均无统计学差异，提示两种自动算法具有等效性。而对于下段食管癌，两者之间在X 轴上无统计学差异，在Y、Z 轴上的差异有统计学意义。对于胸下段及食管贲门处肿瘤，灰度自动配准与手动调整之间的偏移差值较骨性配准更小，这表明不同算法的调用会对食管癌IGRT配准结果产生一定的影响，进而影响放疗的精确程度。对于食管下段肿瘤，可采用灰度自动配准算法来计算摆位的误差，而对于中上段肿瘤，骨性自动配准及灰度自动配准间无明显区别，但不管采用哪种自动配准方式，均推荐补充手动微调来提高精度。

除了放疗分次之间的摆位误差之外，同一次治疗过程中的误差也不容忽视。食管位于后纵隔，食管自身的运动、呼吸幅度和心脏搏动等是影响患者治疗时靶区位移的主要因素［18］，尤其是呼吸运动，在放疗分次内的影响因素中占有重要地位［19-20］。赖国静等［21］发现，食管肿瘤的中心位移在不同段食管癌中并不一致，胸上段肿瘤比胸中段及胸下段肿瘤的运动幅度小，可能与其解剖位置有关。这与LIU等［22］的研究类似，他们利用呼吸控制系统，发现位于膈下的肿瘤的运动比胸部肿瘤大。下一步我们将利用呼吸门控等系统，结合CBCT 影像引导设备，更进一步研究降低放疗分次间及分次内误差的方法。

综上所述，CBCT 是纠正患者摆位误差的理想装置，选择合适的配准方式是获得准确摆位误差的前提。对于中上段食管癌，基于CBCT 的骨性自动配准与灰度自动配准均可用来评估患者放疗过程中的摆位误差，对于下段食管癌，推荐采用灰度自动配准。