Tomotherapy MVCT不同配准方式对头颈部摆位的影响

曹潘潘，彭海燕，蒙万里，李师，何阳，罗焕丽，毛开金，颜廷璨，王希夷，冉雪琪，靳富

重庆大学附属肿瘤医院/重庆市肿瘤医院/重庆市肿瘤研究所放疗科，重庆400030

前言

螺旋断层放射治疗（Tomotherapy, TOMO）是一种使用兆伏级CT（Megavoltage CT,MVCT）图像实时引导的调强放射治疗（Intensity‐Modulated Radiation Therapy, IMRT）［1］。与传统医用直线加速器上的千伏锥形束计算机断层扫描（kV‐CBCT）相比，MVCT具有更低的成像剂量［2］，且图像不受金属伪影的影响［3］。每次在治疗前获得的MVCT图像与计划CT图像比较，不仅可以校正患者的摆位误差，还可以检测放疗分次间由于肿瘤、危及器官或体质量减轻引起的解剖位置和结构的变化［3］。根据MVCT 还可以精确计算和记录每天的照射剂量分布［4‐5］。结合剂量信息可进行疗效和并发症的预测［6］。每次治疗前获取的MVCT 图像至关重要，而临床中获取MVCT 图像的扫描方式不同，所得的摆位误差也稍有差异，二者的关系至今报道较少。因此，MVCT 图像使用何种扫描方式，与摆位误差是否存在一定的关系，是本次研究的重点。

MVCT 图像是使用6 组扫描设置获得的［6］，分别对应4、8 和12 mm/r，分别为精细（Fine）、正常（Normal）、粗糙（Coarse）。对于每个螺距，可以使用两个不同的重建层厚重建图像：使用6 和3 mm 的重建层厚重建Coarse 图像，使用4 和2 mm 的重建层厚重建Normal 图像，而使用2 和1 mm 的重建层厚可以重建Fine 的图像［7］。每次扫描完MVCT 在每个重建层厚下均有3 种图像配准方式，分别为骨配准技术（Bone Technique）、骨与软组织配准技术（Bone and Tissue Technique）、全影像配准技术（Full Image Technique）。部分研究者认为不同重建层厚之间的图像质量没有明显差异，可以忽略，但不同病人的MVCT 图像差异较大［8‐9］。多项研究结果表明，对于头颈部肿瘤，在整个分次放疗期间，尤其是治疗的后期（治疗后3 至4 周），患者体质量减轻，体质量指数下降，甚至可能会产生剂量学的影响［10‐12］。因此，为了客观评估MVCT 不同配准方式对头颈部摆位的影响，本研究利用头颈部刚性模型进行扫描及数据分析。

1 材料与方法

1.1 定位扫描与计划制定

使用飞利浦大孔径定位CT（Philips Medical Systems, Inc., Cleveland, OH），基于室内激光灯在头颈模体表面贴3 个铅点，进行kV 级定位CT 扫描，扫描范围为眶下缘至下颌，扫描层厚为3 mm。将图像传送到Tomotherapy Planning Station三维治疗计划系统，由物理师制定计划。

1.2 影像配准和数据采集

开始扫描前在TOMO 操作间调取模体计划，选择其中一种扫描模式下的一种重建层厚，将选择扫描长度的图像放大至40%（便于选择扫描范围），每次都保持一致，扫描范围为眶下缘至下颌，随后进入治疗间，基于室内激光和模体上的铅点进行摆位，确保室内红色激光线与3个铅点的位置保持一致，摆位完成后行MVCT扫描。

扫描完成后只选择左右（X）、头脚（Y）、腹背（Z）3个方向，3种配准方式下均进行自动配准；配准完成后在X、Y、Z 3 个方向均有误差，随后进行误差修正；由于本实验数据采集工作量大，无法在1 d 内完成，需要进行半年至一年的时间。为了保证分次治疗前，模体影像图像的高度一致性，每次采集数据时的初始数据，误差在0.5 mm 内，因此需要重复扫描多次，直到X、Y、Z 3个方向的误差均在0.5 mm以内，即认为消除了可能存在的系统误差，以此时的图像作为参考图像，此时X、Y、Z 3 个方向的误差值作为基准。然后进入治疗间，分别从X、Y、Z、XY、XZ、YZ方向手动移床‐5～5 mm，步长为1 mm；由于采集3 方向移动数据量较大，但为了不影响本次研究数据的准确性，故设计在X、Y、Z 3 方向移动，‐5～5 mm，步长为2 mm，依次进行MVCT 扫描，记录扫描后3 种配准在3 个方向的自动配准误差。完成后再选择下一种模式和层厚，重复以上步骤，直至所有的模式和层厚都记录完自动配准误差。

1.3 统计学方法

应用SPSS 22.0 软件中的Pearson 相关性分析来比较相对摆位误差与真实值的相关性。使用如下公式［13］计算每种扫描模式下，不同重建层厚，不同配准方式的DTA（Distance to Agreement），应用配对样本t检验进行差异性比较。

其中，Dx、Dy和Dz是X、Y 和Z 轴方向上的相对摆位误差与真实值的差值。

计算临床靶区（Clinical Target Volume, CTV）与计划靶区（Planning Target Volume,PTV）之间的边界外放Margin值采用如下公式［14］：

使得90%的患者最小CTV 累积剂量至少达到95%的处方剂量。其中，Σ：X、Y和Z轴方向上系统误差的标准差；σ：X、Y 和Z 轴方向上随机误差的标准差。

2 结果

2.1 相关性分析

2.1.1 单方向移动X、Y、Z 结果分析3 种扫描模式，每种模式下有两种重建层厚，在同一层厚下有3种配准方式，每种配准方法下X、Y、Z 单方向移动数据分别有10×3组，共计3×2×3×10×3=540组数据。将上述不同模式和不同配准方法下，在X、Y、Z 单方向上所得的摆位误差，与其对应真实的床值误差进行相关性分析，见表1。分析可见：在Fine 模式下，重建层厚为1 mm 时，Bone 和Bone and Tissue 配准方式中Z 方向与真实床值摆位误差的相关性最低；重建层厚为2 mm时，Full Image 配准方式中Z 方向与真实床值摆位误差的相关性最低。在其余扫描模式、重建层厚和配准方式下，均为Y方向与真实床值摆位误差的相关性最低。

表1 X、Y、Z单方向摆位误差相关性分析Tab.1 Correlation analysis of X,Y,Z per-directional positioning errors

2.1.2 双方向移动XY、XZ、YZ 结果分析3 种扫描模式，每种模式下有两种重建层厚，在同一层厚下有3种配准方式，每种配准方法下分别从XY、XZ、YZ 两个方向移动数据分别有100×3 组，共计3×2×3×100×3=5 400组数据。将上述不同模式和不同配准方法下，在X、Y、Z 3 个方向上所得的摆位误差，与其对应的真实床值误差进行相关性分析，见表2。分析可见：在Fine扫描模式下，重建层厚为1 mm 时，3 种配准方式中均为Z方向与真实误差的相关性最低；重建层厚为2 mm 时，Bone 配准方式中Z 方向与真实误差的相关性最低。在其余扫描模式、重建层厚和配准方式下，均为Y方向与真实误差的相关性最低。

表2 双方向摆位误差相关性分析Tab.2 Correlation analysis of two-directional positioning errors

2.1.3 3 个方向移动结果分析3 种扫描模式，每种模式下有两种层厚，在同一层厚下有3 种配准方式，每种配准方法下分别在X 方向移动1、3、5 mm，Y 方向移动‐1、‐3、‐5 mm，Z 方向移动1、3、5 mm，分别有3×2×3×9×3 组，共计486 组数据。将上述不同模式和不同配准方法下，在X、Y、Z 3 个方向上所得的摆位误差，与其对应的真实的床值误差进行相关性分析，见表3。分析可见：在Fine 1 mm2 mm、Normal 2 mm4 mm、Coarse 3 mm6 mm 6种模式，3种配准方式下，均为Y方向与真实误差的相关性最低。

表3 3个方向摆位误差相关性分析Tab.3 Correlation analysis of three-directional positioning errors

2.2 差异性分析

2.2.1 两两配准结果分析同一种扫描模式，同一种重建层厚下，3 种配准方式中，两两配准方式之间在X、Y、Z 3 个方向的差异性比较，见表4。分析如下：在Fine 模式下，重建层厚为1 mm 时，Bone 配准的摆位误差为0.5（0.3,0.8）mm，Bone and Tissue配准的摆位误差为0.6（0.4,0.8）mm，Bone配准差异性更小；重建层厚为2 mm 时，Bone 配准的摆位误差为0.4（0.3,0.7）mm，Bone and Tissue 配准的摆位误差为0.5（0.4,0.8）mm，Bone 配准差异性更小；在Normal 扫描模式下，重建层厚为2 mm 时，Bone 配准的摆位误差为0.5（0.3,0.8）mm，Full Image 配准的摆位误差为0.7（0.3,0.9）mm，Bone and Tissue 配准的摆位误差0.5（0.3,0.7）mm，Bone 配准的差异性更小；重建层厚为4 mm时，Bone 配准的摆位误差为1.1（0.8, 1.6）mm，Full Image 配准的摆位误差为1.9（1.3, 2.8）mm，Bone 配准的差异性更小；在Coarse 扫描模式下，重建层厚为3 mm 时，Bone 配准的摆位误差为1.3（0.6, 2.3）mm，Full Image 配准的摆位误差为1.6（0.9,2.5）mm，Bone and Tissue 配准的摆位误差1.3（0.6,2.2）mm，Bone 配准的差异性更小；重建层厚为6 mm 时，对比分析3组数据，结果显示差异没有统计学意义（P＞0.05）。

表4 两两配准方式差异性比较P值Tab.4 P values in registration differences comparison between any two methods

2.2.2 Fine 2 mm 与Normal 2 mm 结果分析在Fine和Normal 两种扫描模式下，都有2 mm 的重建层厚，比较相同重建层厚的两种不同扫描模式下的3 种配准方式在X、Y、Z 3 个方向的差异性；结果表明：两种扫描模式的Bone 配准方式下的DTA 值进行差异性分析，P值为0.429，Bone and Tissue 配准方式的P值为0.403，Full Image 配准方式的P值为0.072；对比分析3组数据，显示差异没有统计学意义（P＞0.05）。

2.3 CTV‐PTV外放Margin值

同一种配准方式，不同扫描模式下X、Y、Z 3 个方向的外放Margin 值，见表5。分析如下：在Bone 配准方式下，X、Y、Z 3个方向的PTV外放值分别为2.1、2.8、2.2 mm；在Bone and Tissue配准方式下，X、Y、Z 3个方向的PTV 外放值分别为2.1、2.7、2.2 mm；在Full Image 配准方式下，X、Y、Z 3 个方向的PTV 外放值分别为2.2、3.0、2.2 mm；3 种配准方式均在X 方向的外扩值最小。

表5 CTV-PTV外放Margin值（mm）Tab.5 CTV-PTV Margin values(mm)

3 讨论

随着放疗技术的进步，TOMO 已应用广泛，其具有的MVCT 图像已被证明足以用于引导放疗，且与CBCT 相比具有更大的扫描范围和更优的成像能力［15‐16］。MVCT 具有3 种扫描模式，每种模式下有3种配准方法，而在实际临床中发现，放疗前同一个病人在不同扫描模式和配准方法下进行的图像配准稍有差异，故本研究旨在找到更合适的扫描模式、重建层厚以及配准方式，以实现精准放疗。

本研究纳入的实验数据均不加旋转。经实验发现，所有旋转误差均在1°以内。Astreinidou等［17］研究将1°随机旋转设置误差与随机平移设置误差合并在一起，以确定头颈部IMRT 的余量是否足够，并发现1°随机旋转误差不会影响头颅IMRT 的覆盖范围。此外，有研究者认为，前列腺癌放疗靶区外扩边界由平移误差导出，可忽略旋转误差［18］；同时TOMO 治疗床并非在六维方向上均可移动，只能通过出束点的角度改变来校正横断面（Roll）的旋转误差，而矢状面和冠状面的旋转误差无法得到有效校正［19］。

通过移动X、Y、Z得出的摆位误差与真实摆位床值误差的相关性分析发现，单方向、双方向、3 方向相关性较低的基本出现在Y方向，这种现象可能是由于对图像质量和成像速度之间的平衡和随MVCT 扫描的间距增加而引起［20］，与Levegrun 等［21‐23］对kVCT‐MVCT 和kVCT‐CBCT 配准技术的研究一致。然而在单方向和双方向的Fine模式下，Z 方向也出现相关性较低的情况，这可能因TOMO 在Y 方向和Z 方向移动时产生联动引起，且在Fine 扫描模式下，重建层厚为1 和2 mm 时，螺距较小，重建层厚较薄，在Y 和Z 方向扫描时得到的相关性很接近。用相同的定位CT 图像在Edge（速锋刀）上验证上述单方向及双方向移床实验，发现在Edge上移床未产生联动现象，相关性最低的基本仍在Y方向。

通过移动X、Y、Z得出的摆位误差与真实摆位床值误差的差异性分析发现，3种扫描模式下，3种配准方法中均为Bone配准误差最小。本研究主要扫描范围为眶下缘至下颌，头部主要由颅骨构成，骨性结构较多，颌面部有部分软组织及空气；且病人体型在放疗过程中会发生改变，软组织会受一定影响，可能会导致Bone and Tissue 和Full Image 配准误差较大；由于整个实验使用模体进行数据采集，实验过程中，模体的形态并不会发生改变，依然为Bone 配准误差最小。在相同层厚下（2 mm），Fine 和Normal 两种扫描模式下的摆位误差无显著差异，而在同一模式下，重建层厚越小，图像质量越好［24］，且重建层厚不影响扫描时间，故在MVCT图像配准过程中，使用Normal模式下2 mm重建层厚即可。

通过计算同一种配准方式，不同扫描模式下X、Y、Z 3 个方向的外放Margin 值可以看出，3 种配准方式均在X方向的外扩值最小，与朱夫海等［25‐27］对TOMO 头颈部放疗摆位误差的研究一致，因在摆位过程中，X 方向仅由中间激光灯控制，重复性相对更好。

本研究存在一定局限性，只分析了头颈部刚性模型，并没有实际采集病人的数据。本实验中，在相同的扫描长度下，选择Fine 模式，扫描时间为240 s，选择Normal 模式，扫描时间为120 s，选择Coarse 模式，扫描时间为60 s；相关研究表明，用30 cm 等效水模进行测量，3 种模式下的中心剂量分别为2.5、1.2、0.8 cGy，其剂量比例为6：3：2［28］。扫描时间Fine模式与Normal 模式相差120 s，剂量相差1.3 cGy，Normal模式与Coarse模式相差60 s，剂量相差0.4 cGy。此外，有相关研究表明，kVCT‐MVCT 在配准时选择Coarse模式会导致较大的匹配误差，而4 和2 mm 的层间间距通常误差更小［29］。综合以上因素考虑，在临床治疗中，优先选择Normal 模式。头颈部患者由于使用热塑颈肩膜或发泡胶加热塑颈肩膜固定，模子会相对较紧，治疗时间延长，患者的不舒适度可能会增加，甚至发生意外，故对临床患者进行完整的数据采集存在一定难度。由于本研究采用头颈部刚性模型，会忽略患者放疗过程中体型及头部软组织的改变，存在一定的局限性。