Synergy CBCT两种配准方式对脑肿瘤放疗摆位误差的研究

朱俐颖 胡小洋 孙 磊 盛晓芳 汪 洋,

放射治疗是脑肿瘤治疗的重要手段之一，疗效与放疗技术密切相关［1］。脑肿瘤放疗靶区周围往往有脑干、垂体、眼球和视神经等重要正常组织，需要精准放疗。但在放疗实践过程中，我们发现摆位误差会导致放疗靶区产生“热点”和“冷点”，以及重要正常组织接受不必要的照射。因此，高精度的摆位是脑肿瘤精准放疗的重要环节［2］。

影像引导放疗（image-guide radiotherapy，IGRT），可以采集患者治疗时的影像信息、校正摆位误差和控制放疗计划的实施［3］。我院放疗科Elekta Synergy加速器利用其机载的CBCT系统，通过kV级射线源产生的X射线，对患者进行环绕扫描，由非硅晶探测器板采集的信号，经过图像三维重建处理后获得患者的容积影像。并与定位CT的图像进行对比，通过移动治疗床，修正治疗时的摆位误差，从而提高治疗时摆位的精度，实现图像引导。在IGRT放疗中，图像配准方式是影响摆位精度的重要因素。Elekta XVI图像引导软件中有骨配准和灰度配准两种自动配准方式，本研究旨在通过比较这两种配准方法，尝试初步探讨适合于脑肿瘤精准放疗摆位的配准方式。

方 法

1. 研究对象

纳入2018年9月—2019年2月在我院接受放疗的连续的100例脑肿瘤患者。其中男性60例，女性40例，年龄15~76岁，中位年龄42岁。病理分类：脑胶质瘤72例，脑膜瘤18例，脑淋巴瘤10例。

2. 研究方法

采用的设备：瑞典Elekta公司的Synergy直线加速器XVI图像引导系统和Oncentra 4.1治疗计划系统；美国GE的Optima660 CT；热塑膜及美国CIVCO的底板和头枕；德国LAP激光系统。

2.1 定位CT扫描和图像获取

患者体位采用仰卧位，根据患者感受的舒适程度选择头枕A或B，并用热塑网膜面罩固定在底板上。在CT下，根据LAP激光线在热塑膜上标记“十”字线，并在“十”字线交叉处贴上铅点后进行CT扫描，扫描范围为头顶至第二颈椎下缘，层厚2.5 mm。然后将扫描的图像传至Oncentra治疗计划系统进行患者信息的确认。

2.2 计划设计和治疗中心的确定

主诊医生根据2018年NCCN-中枢神经系统指南中相关肿瘤靶区勾画原则勾画肿瘤靶区和危及器官，由物理师在靶区的中心设置射野的等中心点，建立三维坐标系，并根据靶区和危及器官限定的处方剂量进行计划设计。在计划完成后经主诊医生审核批准，并经物理师验证后，物理师将计划通过网络传至Synergy直线加速器，同时将计划CT影像和等中心点坐标等信息传入XVI系统工作站中。放疗技师，物理师和医生根据治疗中心对患者进行复位，重新贴标记线，标记线的交叉点就是等中心点。

2.3 患者摆位和CBCT图像获取

首次治疗前由2名技师按定位时患者的体位进行摆位，移动治疗床，激光线对准标记线，利用机载CBCT系统进行CBCT图像采集。扫描方式为Fast Head and Neck，扫描参数为滤线器F0，准直器S20，曝光条件为100 kV、18.3 mA，图像共采集183帧，总扫描剂量为0.5 mGy，机架旋转角度为320~160°。图像采集后，在XVI图像引导系统的工作站上用两种自动配准方法对CBCT图像和定位CT图像进行配准（图1）。

2.4 图像配准方法

根据医科达IGRT协作组的推荐，将配准区域设置为计划CT影像外轮廓外扩1 cm。XVI系统有手动配准和自动配准，手动配准的结果受限于操作者的知识和经验，临床应用较少。而自动配准是根据图像的电子密度自动识别完成，包括骨配准和灰度配准这两种自动配准方法。

本研究采用自动配准方法中的骨配准和灰度配准这两种方法。配准标准是以CBCT图像和定位CT图像的重合度为依据，观察相关解剖结构是否达到重合的相应要求。研究时对每例患者分别选取骨配准和灰度配准这两种方法进行分析，记录骨配准和灰度配准时各自在坐标轴X、Y、Z上的误差值（X代表床的左右方向、Y代表床的前后方向、Z代表床的上下方向）。

3. 统计学分析

本研究为单中心研究，使用SPSS19.0软件对数据进行分析。各组数据的均值小于标准差，服从正态分布（图2），两种配准方式在X、Y、Z三个线性方向上分别采用配对样本t检验，各组数据以均数±标准差表示，数据分析结果以P＜0.05为差异具有统计学意义。

结 果

两种配准方式所得到的全部数据如图3和4所示，其中图3为骨配准的数据，图4为灰度配准的数据。骨配准与灰度配准数据的统计学分析见表1。结果显示，两种配准方式的摆位误差都不大，均＜0.5 cm，骨配准的均值及标准差在X、Y、Z三个方向上均小于灰度配准，在X、Y、Z方向上的P值分别为0.002、0.000和0.000，两组差异具有统计学意义。这提示Synergy加速器CBCT应用于脑肿瘤，骨配准方式更有利于缩小摆位误差，提高摆位精度。

表1 两种配准方式的数据分析结果 ，cm

表1 两种配准方式的数据分析结果 ，cm

配准方式骨配准灰度配准P值X-0.051±0.136-0.055±0.135 0.002 Y-0.059±0.130-0.065±0.129 0.000 Z 0.057±0.132 0.065±0.129 0.000

讨 论

中枢神经系统的肿瘤多指发生在脑和脊椎管内肿瘤。相对于脑肿瘤，脊椎管内肿瘤的发生率较低［4］，其体位固定方式与脑肿瘤不同；放疗过程中易受呼吸运动和脑脊液流动的影响，椎体活动度大；而其中全脑全脊髓照射更是涉及多个中心，多个照射野的衔接等技术难点；CBCT扫描参数、配准区域和配准方式的选择较为复杂。所以脊椎管内肿瘤的配准方式有待后续进一步的研究。本研究聚焦于脑肿瘤放疗的图像配准方式，期望该研究能对降低脑肿瘤放疗的摆位误差提供初步的数据分析。

Synergy加速器的CBCT所实现的图像引导放疗，主要是通过XVI软件进行图像配准，计算出摆位校正的数据，该数据可直接传送给加速器，通过治疗床的移动完成患者位置的修正，进一步提高治疗精准性。

本次研究对Synergy加速器CBCT的两种自动配准方式，即骨配准与灰度配准进行对比分析。这两种配准方式采用不同的算法，骨配准算法为分级斜面匹配算法，通过最小距离寻找影像的边界进行匹配［5］。灰度配准的算法主要基于影像的相关性自动配准，基于快速傅里叶变换找到配准的最优解，适用于平面平移及旋转［6］。

在脑肿瘤放疗中，头部的骨性结构明显，在治疗时头部经面罩固定后很少明显移动。采用骨配准的方式，可根据其算法直接快速地得到配准结果，而灰度配准的算法，是根据影像的相关性配准，与骨配准相比，配准所需计算的数据量较大，配准时间略长，易受周围组织和外界条件的干扰，对数据的稳定性有影响，从而容易产生计算误差。

莫颖等［7］进行了摆位误差对靶区剂量影响的研究，指出摆位误差在±3 mm内，靶区接受的照射剂量与理论值接近。沈浩等［8］在对计划验证的研究中，发现当X、Y方向上误差＜2 mm时，对计划验证通过率影响较小；当X、Y误差＞3 mm时，计划验证的通过率低于90%，并随着误差的增大，通过率逐渐降低。玉贵永等［9］对鼻咽癌的摆位误差对靶区及其周围危机器官影响的研究中，表明摆位误差对剂量分布范围的影响由大到小依次是晶体、脑干、脊髓、鼻咽肿瘤等。由此可见，摆位精度对包括脑肿瘤在内的肿瘤精确放疗的重要性。高精度摆位不仅保证了靶区的照射剂量，而且能有效减少靶区外扩，减小计划靶区（planning target volume，PTV）的体积，这有利于确保靶区周围正常组织的剂量符合剂量限值，降低了放疗并发症的发生。

本研究结果显示，骨配准的精度高于灰度配准，差异具有统计学意义，本研究的结果与上述分析是一致的。所以在脑肿瘤的CBCT应用中，推荐使用骨配准的方式进行摆位校正，以提高摆位精度。

值得说明的是，采用同一种配准方式，不同配准范围可能对于配准结果产生影响，张建等［10］的研究显示，配准范围的大小与配准误差有明显的反比关系。CT和CBCT对脑肿瘤等软组织的边界显示不清晰，CBCT的图像质量欠佳，配准区域的自动分割存在难度，易产生系统误差。所以尽管脑肿瘤的位置对于颅骨基本上相对固定且形变位移不明显，但是肿瘤区域自动配准的可靠性需要进一步地提升。故在本次研究中未选择两种自动配准算法对肿瘤区域进行配准对比分析。

MRI在线引导的自适应放疗（MRgRT）虽然还未广泛应用于临床，但MRgRT可在整个放疗过程中持续监测肿瘤情况，评估治疗效果，将对目前的脑肿瘤放疗产生较大的影响［11］。另外，随着人工智能技术在脑肿瘤放疗中的应用，以合成CT图像，感兴趣区域分割，靶区的人工配准等先验知识为基础的深度学习技术在脑肿瘤放疗过程中的全方位运用，将更进一步增加配准的精确性，更有利于精确放疗，包括立体定向放射外科（stereotactic radiosurgery，SRS）和分次SRS技术的开展。

最后需要指出，机房内的治疗是整个放疗工作流程中的最后环节。在CBCT的实际使用中，因为医生一般很少参与到每次治疗，主要是放疗技师对配准的结果进行确认分析。所以对技师来说，需要具备专业的放射影像、放射物理、放射技术的知识以及高度的责任心。同时在图像配准时，技师不能完全机械地依赖设备，需要结合自身的知识和经验，对结果进行仔细分析和确认，保证脑肿瘤放疗的摆位精度，确保治疗的安全可靠执行。