Siemens IONTRIS质子重离子设备临床应用中的配准策略

刘珠磊，尤丹,4，周丹，李永强

1.上海市质子重离子医院 放射物理科，上海 201321；2.上海市放射肿瘤学重点实验室，上海 201321；3.上海质子重离子放射治疗工程技术研究中心，上海 201321；4.复旦大学附属肿瘤医院 放射物理科，上海 201321

引言

高能带电粒子治疗肿瘤始于20世纪50年代，美国伯克列·劳伦斯国家实验室将不同带电粒子首次用于肿瘤的放射治疗，但受限于当时的技术水平，未能取得成功[1]。1990年，全球首台医用质子同步加速器在美国加州罗玛琳达大学安装使用。得益于计算机技术的发展，使得放射医学技术取得了突破性的飞跃，质子放射治疗获得成功，取得了满意的临床结果，减轻了并发症，同时肿瘤控制率也有所提高[2-3]。从此，质子放射治疗得到了快速发展。重离子放射治疗仅有日本国立放射医学研究所和德国国家重离子研究所两家机构在进行相关研究，其相关临床实践证实，碳离子较传统X射线、γ射线和质子在放射治疗中具有更高的生物效应和疗效提升的能力[4]。为了达到较高的患者摆位精度，Siemens IONTRIS质子重离子治疗设备配备了先进的高精度六维机械人治疗床，可以进行六个方向的摆位误差校正，其自带的影像引导系统配备了高精度机械人手臂、X线管、高分辨率平板探测器和自动配准软件，但是四间治疗室共用同一个同步加速器[5-6]，即同一时刻同步加速器仅可将束流输送至某一个治疗室，另一治疗室此时仅可进行摆位、影像引导等工作。因此就存在不同治疗室之间束流的衔接问题，最佳情况是既不浪费束流又不让患者床上等待束流的时间过长。本研究利用此影像引导系统分别获取了头部、头颈部、胸部和腹部的摆位误差，且分别记录了计算机自动配准和治疗师手动配准得到的摆位误差；利用统计学方法对两种配准方式的摆位误差进行对比分析，从而确定对于不同部位采取不同的配准策略，以更加高效、准确地完成配准，减少患者治疗床上等待时间。

1 材料与方法

1.1 影像引导系统

影像引导系统安装于治疗室天花板上，由X线管组件、平板探测器、C形机械臂和一台控制计算机组成，C形机械臂两端分别为X线管组件和平板探测器[7]。需要做患者治疗前的影像引导时，该C形机械臂会将X线成像系统移至治疗床处分别拍摄患者拟照射区域的一张正位片和一张侧位片。影像引导系统的误差每日质量保证结果必须小于1 mm。

1.2 临床资料

通过简单随机抽样方法，选择2018年1月至12月在上海市质子重离子医院接受治疗的45例患者进入本次研究，其中头部10例（靶区局限于头部），头颈部（靶区分布于头部和颈部）10例，胸部15例，腹部10例。每位患者在接受制模、定位、治疗前都接受了医院标准操作流程规定的宣教，以使患者最大程度上理解和配合治疗过程。

1.3 患者固定材料

富瑞公司生产的放疗专用发泡胶、美国CIVICO®公司生产的头颈部热塑模和头颈肩碳纤维板，用于固定患者头部和颈部，以达到良好的重复性。5例胸部患者采用美国CIVICO®公司生产的真空垫固定，5例胸部患者采用美国CIVICO®公司生产的颈胸部热塑模和美国Qfix®公司生产的一体碳纤维板组合固定，5例胸部患者采用美国CIVICO®公司生产的真空垫和胸部热塑模组合固定。5例腹部患者采用美国Qfix®公司生产的belly board，专门用于放射治疗的腹部俯卧位固定，5例腹部患者采用美国CIVICO®公司生产的真空垫、热塑模和泡沫垫组合固定。

1.4 Siemens SOMATOM Definition AS CT模拟机

具有78 cm孔径机架，旋转360°用时0.33 s；具有高分辨率的清晰图像，以及低剂量成像，用于获取患者定位CT图像。

1.5 LAP ASTOR激光定位系统

用于在患者皮肤和固定模具上投射出激光线，使患者在之后的治疗中，能重复精确定位。在治疗室内，装有两个十字线激光灯和一个线型激光灯。

1.6 摆位误差的获取

完成患者摆位后，移动治疗床和影像引导系统至治疗计划设定的影像引导位置，踩下透视踏板3～5 s后，再即刻踩下摄片踏板，影像引导装置转动90°后，重复一次此过程，获取患者正位和侧位验证片。将影像引导获取的图像与CT定位重建出的数字重建图像（Digitally Reconstructed Radiography，DRR）先通过自动配准软件进行配准，记录下配准结果，然后治疗师再进行手动配准，记录下配准结果，以使两者在最大程度上重合[8]。最后，经临床医师确认好配准结果后，治疗床移动至校正好的治疗位置，即可开始治疗。记录DRR与影像引导图像之间在六维方向上的误差即为摆位误差，其中仅通过自动软件配准后的摆位误差为自动配准摆位误差，通过手动配准后的摆位误差为手动配准摆位误差；六个方向分别是沿x轴平移的左右平移方向（lat）、沿y轴平移的头脚平移轴向（long）、沿z轴平移的前后平移方向（vert）、沿z轴旋转的等中心旋转方向（iso）、沿x轴旋转的俯仰旋转方向（pitch）、沿y轴旋转的横滚旋转（roll）方向，见图1。

图1 摆位误差配准界面（a）和六维方向示意图（b）

1.7 统计学处理

随机选择的45例肿瘤患者收集到的六维摆位误差数据共计900组。采用SPSS 23.0软件对900组数据中的自动配准摆位误差与手动配准摆位误差，按照不同部位分别进行了配对样本t检验以分析两者是否有统计学差异，P＜0.05认为有统计学差异，然后利用SPSS 23.0软件的图表构建器做出了相应的箱图分布，以更直观地对比两者差别。自动配准是治疗师手动配准的辅助手段，其配准结果必须经过治疗师的确认，手动配准才是最后的金标准。通过配对样本t检验的方法来比较自动配准与手动配准的差异，可以发现自动配准在不同部位的优劣。有较多统计学差异的部位说明自动配准在该部位不宜使用，反之，则适于使用。

2 结果

2.1 头部患者自动配准和手动配准摆位误差的对比

两种配准方式仅在左右平移方向配准摆位误差差异存在统计学意义（P＜0.05）（表1和图2）。

图2 头部自动和手动配准摆位误差箱图

表1 头部患者自动配准和手动配准摆位误差的比较（n=100）

2.2 头颈部患者自动配准和手动配准摆位误差的对比

两种配准方式在前后平移方向、等中心旋转方向和横滚方向差异均存在统计学意义（P＜0.05）（表2和图3）。

图3 头颈部自动和手动配准摆位误差箱图

表2 头颈部患者自动配准和手动配准摆位误差的比较（n=100）

2.3 胸部患者自动配准和手动配准摆位误差的对比

两种配准方式在左右、头脚、前后平移和等中心旋转方向上均存在统计学差异（表3和图4）。

表3 胸部患者自动配准和手动配准摆位误差的比较

图4 胸部自动和手动配准摆位误差箱图

2.4 腹部患者自动配准和手动配准摆位误差的对比

两种配准方式在头脚平移方向和横滚旋转方向存在统计学差异（表4和图5）。

图5 腹部自动和手动配准摆位误差箱图

表4 腹部患者自动配准和手动配准摆位误差的比较

3 讨论

放射治疗的影像引导发展到现在已经形成了以锥形束CT、kV 级平面摄像、兆伏级电子射野影像系统为主流手段[9-10]的格局。目前，根据国际粒子放疗协作组织网络公布的资料，全球范围内仅有德国海德堡离子治疗中心、马尔堡离子治疗中心和中国上海市质子重离子医院三家医疗机构拥有Siemens IONTRIS质子重离子治疗设备，此设备配准策略的相关内容尚无人研究。盛馨等[11]采用Siemens CTVision直线加速器自带的滑轨CT获取了22例头颈部肿瘤患者的手动配准、骨性配准、灰度值配准3种配准方式三维摆位误差，发现三种配准方式结果无统计学差异，实际应用中建议先行骨性配准再进行手动微调。

相比之下本研究更加全面地涵盖了四个部位的45例患者的900组六维摆位误差数据，同样得出了可以指导配准实践的实用性结论。六维误差的手动配准在三个旋转方向上存在一定难度，需要治疗师的丰富经验和多次尝试，以达到DRR和验证片最完美的配准。六维误差尤其在头部之外的部位，在一定程度上，自动配准软件的算法还难以达到经验丰富的治疗师配准水平；这也是自动配准与手动配准存在差异的根本原因，这个问题可提供给软件开发方作为下一版本软件升级解决的首要问题。随着人工智能在医学图像处理领域的快速发展，相信这一问题会迎刃而解[12]。姚明青等[13]提出了一种基于深度强化学习的多模态医学图像配准可使配准误差减少30%左右，而且还可以解决大幅度形变的问题。然而本文没有研究病例数目相对较少的四肢和盆腔部位的肿瘤的配准情况，另外，按照部位分类研究配准策略的方法略显粗糙，未来可以更加细化地按照病种、不同固定方式来分别研究，得到更加准确的结论。