鼻咽癌放疗中红外定位系统与锥形束CT的摆位精度比较

2021-02-07张羽祺葛云蔡晶储开岳金建华葛斌斌陈颖黄晓林李伟峰

中国医学物理学杂志 2021年2期

张羽祺，葛云，蔡晶，储开岳，金建华，葛斌斌，陈颖，黄晓林，李伟峰

1.南京大学电子科学与工程学院，江苏南京210023；2.南通市肿瘤医院放射科，江苏南通226300

前言

放射治疗的主要目的是利用射线照射杀死肿瘤细胞，同时尽可能保护周边的健康组织和器官免受或者少受射线的照射［1-3］。对于鼻咽癌患者，调强放射治疗具有很大的优势，然而肿瘤周边重要器官居多，这对放射治疗的位置和精度提出了极高的要求。尤其在分次治疗过程中，准确且可靠的患者摆位对于放射治疗中射线剂量的输送至关重要［4-5］。锥形束CT（CBCT）是安装在直线加速器上用于图像引导治疗的三维成像设备，相比于其他类别的CT，CBCT 对于骨骼、关节等硬组织结构的成像效果好，对比明显，所以CBCT也被认为是全身各部位放射治疗摆位的可靠衡量标准。但是，考虑到成像的辐射剂量较大，患者通常每周进行一次CBCT，但是人体各局部可能发生相对运动或者移动，所以分次间存在不确定度。此外，基于CBCT 的摆位验证需要经过CT 模拟定位、勾画靶区、设计治疗计划、首次摆位、CBCT扫描和纠正摆位误差等步骤，过程较为繁琐［6］。另一方面，在过去几十年中，癌症患者的数量逐步增多，对放射治疗的需求不断增加，这对治疗设备的工作效率和可靠性提出了极高的要求。因此，对于放射治疗过程中摆位精度的研究具有非常重要的意义［7-8］。国内外的研究者们尝试了基于光学的摆位验证系统，该方法相较于传统的CT 定位具有高效、无辐射和易操作等特点［9-11］。SentinelTM监控与摆位验证系统，CatalystTM和AlignRT 采用3D 光学表面定位及追踪技术［12］，结合计算机系统对患者的三维轮廓进行扫描并且重建，并与CT 扫描得到的轮廓对比来进行配准摆位。其中Sentinel 系统获取参考影像的时间与治疗时间间隔较长，其等中心与实际治疗等中心会存在偏差，且Sentinel 影像分辨率相较于Catalyst 系统低，计划系统生成影像不能直接显示患者体表轮廓，而且由于扫描层厚、重建精度等影响，可能会导致系统偏差［13］。SentinelTM、CatalystTM、AlignRT 系统主要监测体表轮廓相对位置，患者在治疗床上躺下后，受呼吸运动、胃容量大小、膀胱充盈度等影响，患者腹背方向上的数据会存在误差［14-15］。结合先前的研究工作，南京大学自主研发的放疗红外定位系统（Optical Positioning System,OPS）是一种在放射治疗中使用且以医用直线加速器为辐射源的超高精度定位系统。OPS 利用虚拟现实技术及实施跟踪技术可以将患者肿瘤中心精准摆位到加速器等中心上，达到精确摆位和精准放疗的目的。本文基于南京大学自主研发的OPS系统，研究其和CBCT及室内激光定位系统摆位精度的差异性。

1 材料与方法

1.1 病例选择

随机选取南通市肿瘤医院2018年4月～11月收治的鼻咽癌调强放射治疗患者21 例，其中，男13 例，女8 例，年龄25～78 岁，中位年龄58 岁。患者对治疗方案均知情同意，且得到医院伦理委员会批准。

1.2 材料设备

采用Elekta SynergyTMIGRT 加速器机载千伏级CBCT 和图像采集系统与图像处理系统（XVI）；Philips Bigbore CT 模拟定位机；Philips Pinnacle39.0放射治疗计划系统；西门子MRI；IBA COMPASS3D验证系统；OPS-08A型放疗红外定位系统。

1.3 OPS

OPS根据定位球定位肿瘤中心的位置，摆位误差为肿瘤中心实时坐标和已注册的加速器等中心坐标之间的偏差值。

1.3.1 等中心注册等中心依据标准为机架与治疗床旋转轴的交点。使用固定在机架或治疗床上的定位球记录旋转轨迹，然后根据旋转轨迹计算旋转轴，两条旋转轴的交点即为等中心点。

1.3.2 肿瘤中心定位OPS 坐标系和CT 坐标系之间的变换矩阵T是根据红外监控系统建立的，它将OPS坐标系中的点映射到CT坐标系中，如下所示：

其中，PCT是在CT 图像中定义的定位球的坐标，POPS是在OPS 坐标系中红外相机捕捉的定位球的位置。A是由旋转角度定义的矩阵，D是一个三维向量，它的3 个维度分别表示左右、头脚和腹背3 个方向上的位移。实际应用中，我们采用6 对点（CT 坐标系下的6 个点坐标和OPS 坐标系下的6 个点坐标）对转换矩阵进行参数优化，优化过程采用的是贪心算法，参数优化后得到的矩阵为T。利用变换矩阵T将OPS 系统下等中心的坐标COPS转换到CT 坐标系下，求得等中心坐标CCT。CTumor是放疗师根据CT 模拟图像勾画靶区确定的肿瘤中心的位置，摆位误差E表示等中心坐标CCT和肿瘤中心坐标CTumor之间的差值，这是一个三维向量，分别表示两者在左右、头脚和腹背3个方向上的摆位误差。由于变换矩阵T构建两个坐标系之间的实时转换，从而快速有效地计算了实时摆位误差，指导放疗高效准确进行。

1.4 患者摆位

本文研究OPS在放疗摆位中的应用，与CBCT的摆位验证进行对比。图1 显示了鼻咽癌患者放疗摆位的总体工作流程，具体步骤如下：放疗患者仰卧在治疗床上，采用制作好的头颈肩热塑膜固定，利用室内激光定位系统在热塑膜上画十字线，然后在热塑膜上固定6 个定位球，为了更好地定位肿瘤中心，定位球在左右、头脚和腹背3 个方向上呈不对称分布。治疗时再次对放疗患者进行固定，使头颈、鼻尖、下颌骨和肩部等身体部位与先前定位时的头颈肩热塑膜相吻合，患者摆位与模拟定位时一致。首次摆位时，将室内激光定位系统对准热塑膜上的十字线标记进行初次摆位，然后执行CBCT 扫描验证摆位误差，根据CBCT 验证结果移动治疗床，接着OPS 系统会实时跟踪热塑膜上的定位球，根据先前记录的定位球和肿瘤中心之间的相对位置计算实时的摆位误差。在本文的研究中，将CBCT 配准结果作为评估OPS系统摆位精度的标准，公式如下：

其中，Elaser是室内激光定位系统的摆位误差，EOPS是本文提出的OPS 摆位误差，RCBCT表示初次摆位后通过CBCT 检测到的摆位误差，ROPS表示经过CBCT 验证并微调后OPS检测到的实时摆位误差。

图1 鼻咽癌患者放疗摆位的总体工作流程Fig.1 Overall workflow of the positioning in nasopharyngeal carcinoma radiotherapy

1.5 评估方法

在临床摆位研究中，当与头颈部的CBCT检测到的摆位误差小于2.0 mm 时，可以进行放射治疗，否则患者位置需要调整，直到满足要求为止。关于两种方法之间的一致性比较，当特定方法与CBCT在头颈部的摆位误差相差不超过2.0 mm 时，则认为该方法的摆位结果与CBCT 一致。在本研究中定义“91%～100%”为几乎完全一致，“81%～90%”为高度一致，“71%～80%”为中等一致，“61%～70%”为一般一致，低于60%被定义为较低一致。

2 结果

OPS 和室内激光定位系统在鼻咽癌放疗摆位中与CBCT 的一致性（一致性标准为±2.0 mm）表现如下：OPS 系统在左右方向（用x 轴表示）与CBCT 的摆位一致性为95.2%，即几乎完全一致；OPS 系统在腹背方向（用y 轴表示）与CBCT 的摆位一致性为71.4%，表现为中等一致；OPS 系统在头脚方向（用z轴表示）与CBCT 的摆位一致性为100.0%，即几乎完全一致。室内激光定位系统在左右方向（用x 轴表示）与CBCT 的摆位一致性为66.7%，即一般一致；室内激光定位系统在腹背方向（用y 轴表示）与CBCT的摆位一致性为71.4%，表现为中等一致；室内激光定位系统在头脚方向（用z 轴表示）与CBCT 的摆位一致性为33.3%，即较低一致。

图2 表示鼻咽癌患者在x 轴（左右）、y 轴（腹背）和z 轴（头脚）的摆位误差。红色虚线表示OPS 检测到的摆位误差的平均值，蓝色虚线表示室内激光定位系统的摆位误差的平均值，黑色虚线表示两种方法的误差范围为2.0 mm。对于鼻咽癌，OPS 在左右方向和头脚方向与CBCT的摆位偏差很小，几乎完全一致；在腹背方向上表现出中等的一致性。

图2 21例鼻咽患者在x轴（左右）、y轴（腹背）和z轴（头脚）的摆位误差Fig.2 Positioning errors of 21 patients with nasopharyngeal carcinoma in x(left-right),y(superior-inferior)and z(anterior-posterior)directions

为了研究腹背方向呈现的差异性，随机抽取一例差异表现较大的病人，图3 显示了该患者CT 图像的正视图和侧视图，图中的红球为计划肿瘤中心，图4 显示了该患者CBCT 图像的正视图和侧视图，图中红球为CBCT 配准找到的计划肿瘤中心。CBCT 使用的是刚性配准，它将颈椎上的参考点对准计划CT图像来定位肿瘤位置，保证其摆位准确性的前提是计划肿瘤中心应该和实际肿瘤组织之间呈刚性或准刚性结构，但是鼻咽癌肿瘤位于鼻咽区域，相对颈椎明显可以发生运动，计划肿瘤中心和肿瘤组织之间呈现出非刚性结构。而由OPS 进行的配准和颈椎骨的弯曲无关，它可以准确地定位鼻咽癌肿瘤位置，即使对于细微的颈椎骨弯曲变化，OPS仍然可以实现快速、实时和精准的摆位。综上所述，CBCT 和OPS 在腹背方向的中等一致性基本是由颈椎骨的弯曲引起的，OPS 在鼻咽癌摆位精度方面比CBCT 更具优势。值得注意的是，在摆位耗时方面，OPS 大概需要30 s，而CBCT 摆位大约需要10～15 min，而且OPS 是智能化摆位，和摆位专家的水平无关。

3 讨论

放射治疗已经进入精准放疗时代，肿瘤中心的定位和患者摆位的精确度是提高放射治疗质量的重要前提，也是杀死肿瘤细胞提高治疗效率的关键环节。本文对OPS 系统在鼻咽癌放射治疗方面进行摆位精度的研究，将其和室内激光定位系统及CBCT进行比较，结果显示OPS在摆位精度方面与CBCT在总体上表现出很高的一致性。

对于常规的放疗患者，需要在首次摆位之后使用CBCT进行内部解剖结构的验证以计算摆位误差，对于误差超过一定范围的情况则需要手动配准。由于成像剂量的影响，患者一般一周使用一次CBCT以实现精准摆位，并且患者在治疗过程中无法使用CBCT［16-17］。而本文提出的OPS 系统可以进行实时摆位验证，并且几乎不占用额外时间，分次间治疗时不需要频繁使用CBCT进行精准摆位，避免患者受到不必要的辐射剂量，在一定程度上提高了患者治疗的摆位精度和治疗安全性。

室内激光定位系统采用3 个方向的激光十字线进行定位，任何一个十字投影激光线的偏差都有可能导致较大的摆位误差。相比之下，OPS采用自由式配准技术，具有较高的抗干扰能力［18］。另一方面，CBCT 在使用过程中比较依赖使用人员的技术水平，由于人员的使用经验、身体疲劳程度、判断力和工作时间等因素都有可能对结果造成影响，而OPS 主要依赖计算机进行智能化摆位，由人员操作带来的误差几乎忽略不计。

总的来说，OPS在鼻咽癌放射治疗摆位方面非常有效，实现了准确、快速的患者摆位，其摆位结果与CBCT 有较高的一致性。对于放疗的患者而言，OPS在满足放射治疗精度的情况下，还能具有如下特点：减少辐射剂量，实时监控患者的摆位误差，降低放疗摆位时间成本，提高治疗效率，增强治疗安全性。