X射线容积成像引导不同配准方式下胸部肿瘤放疗摆位误差分析

赵文龙　刘攀　朱彤　刘景杰

【摘要】 目的：探討X射线容积成像（XVI）系统不同配准方式对胸部肿瘤摆位误差的影响。方法：随机选取2022年2月—2023年5月吉安市中心人民医院接受放疗的肺癌、食管癌和乳腺癌患者各15例，基于前三次患者治疗前锥形束CT（CBCT）扫描图像共135次，与计划CT图像比较，分别使用灰度值自动配准（GAR）、灰度值自动配准加手动微调（GA&MR）、骨性自动配准（BAR）和骨性自动配准加手动微调（BA&MR）四种方式进行图像配准，得到左右（X）、头脚（Y）和胸背（Z）方向摆位误差并进行统计分析。结果：肺癌患者BAR和BA&MR两种配准方式Y方向的差异有统计学意义（P=0.019），乳腺癌患者Y方向GAR和GA&MR、BAR和GA&MR间的差异均有统计学意义（P=0.022、0.015），Z方向GAR和GA&MR、GAR和BAR、GAR和BA&MR间的差异均有统计学意义（P=0.023、0.027、0.017），肺癌和乳腺癌患者GA&MR方式较其他配准方式在X、Y、Z方向上，配准误差数值落在≤2 mm误差范围区间频数数据较优，可以更大程度提高放疗精度肺癌CTV外扩PTV误差范围参考：X方向2.0 mm、Y方向4.4 mm、Z方向3.3 mm，乳腺癌CTV外扩PTV误差范围参考：X方向4.1 mm、Y方向4.7 mm、Z方向5.4 mm；食管癌患者四种配准方式计算得到的摆位误差结果在X、Y和Z方向差异均无统计学意义（P>0.05），GA&MR与BA&MR在X、Y、Z方向上，配准误差数值落在≤2 mm、>2 mm且≤4 mm误差范围区间频数数据更优，食管癌CTV外扩PTV误差范围参考：X方向2.4 mm、Y方向5.6 mm、Z方向3.0 mm。结论：肺癌和乳腺癌患者灰度值自动配准加手动微调（GA&MR），食管癌灰度值自动配准加手动微调（GA&MR）或骨性自动配准加手动微调（BA&MR），更能高效配准，提高治疗精度。

【关键词】 胸部肿瘤 放射治疗 图像配准 摆位误差

Analysis of Setup Errors in Thoracic Tumors Radiotherapy under Different Registration Methods Guided by X-ray Volume Imaging/ZHAO Wenlong， LIU Pan， ZHU Tong， LIU Jingjie. //Medical Innovation of China， 2024， 21（04）： -151

[Abstract] Objective： To investigate the impact of different registration methods of the X-ray volume imaging （XVI） system on setup errors of thoracic tumors. Method： Fifteen patients with lung cancer， 15 patients with esophageal cancer and 15 patients with breast cancer who received radiotherapy in Jian Central People's Hospital from February 2022 to May 2023 were randomly selected. A total of 135 pre-treatment cone beam CT （CBCT） scan images were obtained and compared with the planning CT image. Four types of image registration were performed， gray value automatic registration （GAR）， gray value automatic & manual registration （GA&MR）， bone automatic registration （BAR） and bone automatic & manual registration （BA&MR）. The left-right （X）， superior-inferior （Y）， and anterior-posterior （Z） setup errors were obtained and statistically analyzed. Result： There was a statistically significant difference in the Y direction between the BAR and BA&MR methods for lung cancer patients （P=0.019）. The differences between GAR and GA&MR， BAR and GA&MR in the Y direction of breast cancer patients were statistically significant （P=0.022， 0.015）; the differences in the Z direction between the GAR and GA&MR， GAR and BAR， GAR and BA&MR methods for breast cancer patients were statistically significant （P=0.023， 0.027， 0.017）. The GA&MR method for lung cancer and breast cancer patients had better error values in the X， Y， and Z directions compared to other registration methods， with an absolute value of ≤2 mm. The frequency data in the error interval were better， which can greatly improve the accuracy of radiotherapy. The error range of lung cancer CTV external expansion PTV were referenced as X directions 2.0 mm， Y directions 4.4 mm， Z directions 3.3 mm， and breast cancer CTV external expansion PTV were referenced as X directions 4.1 mm， Y directions 4.7 mm， Z directions 5.4 mm.

The positioning error results calculated by the four registration methods for esophageal cancer patients showed no statistically significant difference in the X， Y， and Z directions （P>0.05）. GA&MR and BA&MR had better error values in the absolute values of ≤2 mm， >2 mm and ≤4 mm in the X， Y， and Z directions. The frequency data of the error area were better in the absolute values of ≤2 mm， >2 mm and ≤4 mm. The reference range of errors for esophageal cancer CTV extravasation PTV was X directions 2.4 mm， Y directions 5.6 mm， and Z directions 3.0 mm. Conclusion： Automatic gray value of patients with lung cancer and breast cancer plus manual micro -adjustment （GA&MR）， automatic gray value value value of esophageal cancer plus manual micro -adjustment （GA&MR） or osteo automatic allocation plus manual micro -adjustment （BA&MR）， which can be more efficient and standardized.Improve the accuracy of treatment.

[Key words] Thoracic tumors Radiation therapy Image registration Setup errors

胸部是恶性肿瘤好发部位之一[1]，放疗在胸部肿瘤综合治疗中具有非常重要的作用[2]。目前，放疗在临床中广泛采用分次照射模式，因此分次间治疗位置的准确性成为影响放疗效果的关键因素。锥形束CT（CBCT）图像引导是近年来发展用于验证摆位误差的技术，可获取摆位误差对治疗床位置进行在线校准，实现精确放疗[3]。张璋等[4]研究发现，应用CBCT配准分析可校正鼻咽癌患者放疗摆位误差，提高放疗精确度。赵丰雨等[5]将CBCT用于盆腔肿瘤放疗摆位误差分析，结果表明CBCT的应用可有效减少摆位误差，提高放疗适形性。但也有研究显示，不同的配准方式对测定摆位误差结果存在差异[6]。医科达Synergy直线加速器X射线容积成像（XVI）是CBCT技术的一种，许多学者对XVI的原理和临床应用做了相关研究[7-8]，但就胸部肿瘤中关于自动配准与手动配准探讨较少。本研究使用XVI系统采集胸部肿瘤患者放疗前CBCT图像，采用不同配准方式测定摆位误差，并进行统计分析，为胸部肿瘤放疗位置验证提供参考，同时为科室胸部肿瘤靶区外放范围提供依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性分析2022年2月—2023年5月在吉安市中心人民医院接受放疗的胸部肿瘤患者，随机选取肺癌、食管癌和乳腺癌患者各15例，中位年龄52岁（45～70岁）。 纳入标准：有明确病理诊断，并具有放疗指征；首次接受放疗方案；一般情况良好，卡氏评分≥80分。排除标准：患者耐受性差，CBCT图像质量不佳。筛选数据经医院医学伦理委员会批准。

1.2 方法

1.2.1 定位方法与靶区勾画 所有患者均为仰卧位，肺癌和食管癌患者双手交叉抱肘交叉抓杆，使用热塑膜固定，乳腺癌患者采用乳腺专用托架加热塑膜固定。在患者平静呼吸状态下行模拟定位CT扫描，使用飞利浦大孔径CT，扫描电压为120 kV，层厚为5 mm，图像大小为512像素×512像素，扫描范围从颌下至肝底。待定位完成后，将定位CT图像传输至Monaco（版本号：5.11.03）治疗计划系统。由主管医师依据国际辐射单位与测量委员会83号报告和治疗需要勾画靶区，物理师依据放疗申请单制作固定野调强放疗计划，所有计划均经上级医师和物理师审核确认。将计划CT图像、治疗中心点和计划共同传输至Mosaiq系统，排定治疗日程。

1.2.2 CBCT图像获取 应用医科达Synergy型直线加速器配备的XVI系统进行扫描，获取CBCT图像。经Mosaiq系统加载计划CT图像至XVI系统，统一影像加载参数：配准范围为：左右方向（X方向）至两侧肋骨外缘，头脚方向（Y方向）至靶区上下3 cm；胸前背后方向（Z方向）至胸骨前缘和锥体后缘；配准参考点选择“Isocenter”，即治疗计划中心点。选择CBCT扫描野，参数如下：电压为100 kV，滤过板为F1，准直器为M20，平板探测器位置为M，采集角度为顺时针连续旋转360°。首次CBCT扫描过程由放疗医师、物理师和技师共同参与，在加速器上依据计划复位单上移床数值进行复位，执行CBCT扫描。

1.2.3 图像配准 XVI系统提供Manual（手动配准）、Bone T+R（骨性自动配准）、Grey T（灰度值自动配准模式一）Grey T+R（灰度值自动配准模式二）四种基本配准选择，可单独或组合使用，其中：T表示通过平移X、Y、Z方向进行图像配准；T+R表示既平移X、Y、Z方向，也绕X、Y、Z方向旋转图像进行配准。XVI系统自动配准完成后，可由医师根据配准结果进行手动微调。本研究采用灰度值自动配准（GAR）、灰度值自动配准加手动微调（GA&MR）、骨性自动配准（BAR）和骨性自动配准加手动微调（BA&MR）四種方式对CBCT图像和计划CT图像进行配准，由于本科室加速器未配置六维床，配准后的旋转误差无法用于校正治疗床位置，所以本研究不考虑旋转误差，仅对比分析X、Y、Z方向的平移误差。手动微调的标准为：若肿瘤靶区距离脊髓较远，则优先配准肿瘤靶区，否则优先配准脊髓区域。

1.2.4 靶区外放范围的确定 靶区外放范围采用Van HM的外放数值计算公式：2.5Σ+0.7σ，其中Σ为分次治疗间误差的平均值，σ为分次治疗间误差的标准差[9]。

1.3 统计学处理

使用SPSS 26.0对不同配准方式下的摆位误差结果进行分析。首先，对摆位误差数据进行正态性检验，符合正态分布的以（x±s）表示。对于符合正态分布的结果采用方差分析，两两比较采用LSD-t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 肺癌患者摆位误差结果

方差分析结果表明：四种配准方式在Y方向的摆位误差结果间差异有统计学意义（P=0.037），两两比较结果显示，BAR与BA&MR两种配准方式间的差异有统计学意义（P=0.019），见表1。肺癌四种配准方式中配准误差对应频数变化变化见表2，GA&MR方式较其他配准方式在X、Y、Z方向上，配准误差数的数值落在≤2 mm误差范围区间频数更高，相比频数偏离散的BAR于≤2 mm误差范围区间在X、Y、Z方向频数分别高出21.7％、26.4％、21.7％。

2.2 乳腺癌患者摆位误差结果

方差分析结果表明：四种配准方式在Y和Z方向的摆位误差结果间的差异均有统计学意义（P<0.05），Y方向两两比较结果显示，GAR与GA&MR、BAR与GA&MR间的差异均有统计学意义（P=0.022、0.015）；Z方向两两比较结果显示，GAR与GA&MR、GAR与BAR、GAR与BA&MR的差异均有统计学意义（P=0.023、0.027、0.017），见表3。乳腺癌四种配准方式中配准误差对应频数变化变化见表4，GA&MR方式较其他配准方式在X、Y、Z方向上，误差数的数值落在≤2 mm误差范围区间频数数据更集中，較频数最低的BAR于≤2 mm误差范围区间内X、Y、Z方向频数分别高出19.4％、21.7％、9.0％。

2.3 食管癌患者摆位误差结果

方差分析结果表明：四种配准方式计算得到的摆位误差结果在X、Y和Z方向差异均无统计学意义（P>0.05），且两两比较在X、Y、Z方向上差异均无统计学意义（P>0.05），见表5。食管癌四种配准方式中配准误差对应频数变化见表6，GA&MR与BA&MR在X、Y、Z方向上，较GAR与BAR配准误差数的数值落在≤2 mm、>2 mm且≤4 mm误差范围区间频数数据更优。

2.4 不同配准方式的靶区外放范围

由于摆位误差和器官位置不确定性，治疗中会在临床靶区（clinical target volume，CTV）外放一定边界形成计划靶体积（planning target volume，PTV），以保证靶区足够照射剂量，达到精准放疗效果。通过分析CBCT系统灰度值自动配准（GAR）、灰度值自动配准加手动微调（GA&MR）、骨性自动配准（BAR）和骨性自动配准加手动微调（BA&MR）四种图像配准方式的平移误差值，计算出的靶区外放范围大小见表7。

3 讨论

胸部肿瘤患者分次放疗间的摆位误差是影响精确放疗质量的关键因素之一，而减少摆位误差是亟须解决的问题。图像引导的放疗通过扫描患者治疗前位置图像，将其和计划图像位置进行配准修正，可以减小分次治疗间的摆位误差[10]。由于CBCT具有对组织分辨率较高的特点，相比传统的电子射野影像系统图像更清晰，能从三维方向分析摆位误差，并自动修正移床误差等优点，在临床应用中越来越广泛[11-13]。

CBCT扫描图像和计划CT图像的配准情况对评估摆位精度至关重要，研究显示，不同的图像配准方法所测量得到的摆位误差结果不同[14]。XVI系统提供四种配准选择，其中自动配准耗时短，而手动配准时间取决于医生熟练程度，相对耗时较长。基于XVI系统的图像引导放疗耗时显著高于传统的调强放疗，因此找到一种耗时短、准确性高的配准方式对于胸部肿瘤患者是十分必要的。本文随机选取肺癌、乳腺癌和食管癌患者各15例，基于前三次患者治疗前CBCT扫描图像共135次，比较GAR、GA&MR、BAR和BA&MR四种配准方式，探讨胸部肿瘤放疗最优的图像配准方法。四种配准方式在Y方向的摆位误差结果间差异有统计学意义（P=0.037），两两比较结果显示，BAR与BA&MR两种配准方式间的差异有统计学意义（P=0.019），

针对肺癌患者，采用不同配准方式得到的摆位误差结果显示，X和Z方向差异均无统计学意义（P>0.05），两两比较结果显示，BAR与BA&MR两种配准方式间的差异有统计学意义（P<0.05）。分析原因，骨性自动配准算法主要以配准框内骨性结构作为配准依据，如椎体等，而人工微调时，医生更关注肺肿瘤组织的配准度。呼吸运动是肺肿瘤器官运动主要原因，呼吸运动主要产生头脚方向偏差，即Y方向。在CBCT扫描和重建时，肺肿瘤位置相较于定位CT在Y方向发生较大偏移。GA&MR方式较其他配准方式在X、Y、Z方向上，误差数值落在≤2 mm范围区间频数更高，说明配准误差值更趋于稳定。灰度值自动配准主要计算配准框内灰度值的匹配度，并且经过手动微调后，相较于仅计算骨性结构配准度的方法，更适合于肺癌患者。与袁星星等[15]研究结果类似。

对于乳腺癌患者，四种配准方式Y和Z方向差异有统计学意义（P<0.05），Y方向结果显示GAR和GA&MR、BAR和GA&MR间的差异有统计学意义（P<0.05），Z方向的结果显示GAR和另外三种配准方式间差异均有统计学意义（P<0.05）。原因可能由于是乳腺靶区偏身体一侧位置，而自动配准算法计算整个配准框内的匹配程度，而且同时乳腺癌靶区易受呼吸运动时胸廓起伏的影响。在人工微调时，医生更关心胸壁靶区位置，从而影响Y和Z方向的摆位误差结果。冯鑫等[16]通过CBCT测量光学体表监测系统辅助乳腺癌摆位的研究结果显示，乳腺癌摆位误差主要为头脚方向的平移摆位误差和腹背方向的移动度和空间位移，这与本研究结果类似。

食管癌CBCT图像配准的结果显示，不同配准方式测定的X、Y和Z方向摆位误差均不存在显著差异（P>0.05）。食管解剖结构毗邻胸椎，位置相对固定，不易受呼吸和心跳等影响。在自动算法配准完成后，医生手动调整的范围较小，从误差结果上来看，食管癌四种配准方式的摆位误差值更接近，特别是Y和Z方向。

放射治疗中，因摆位误差情况在各个单位不一样，即使在同一单位中不同机器自身因素导致误差也不同。因此，对恶性肿瘤开展调强适形放疗时，通常CTV均外扩PTV以保证靶区足够照射剂量，但外扩较多，会增加正常组织受量，不能实现精准放疗。本研究通过CBCT实际测量配准获取摆位误差数据，为CTV外扩数据提供参考。使用Van HM关于靶区外放范围公式计算不同肿瘤所需的靶区外放范围，结果显示，乳腺癌靶区所需的外放范围最大，乳腺癌CTV外扩PTV误差范围参考：X方向4.1 mm、Y方向4.7 mm、Z方向5.4 mm，这可能是由于乳腺癌摆位过程较其他肿瘤更复杂、术后胸壁牵拉疼痛导致患者不自主运动范围更大及胸廓的呼吸起伏等因素造成的。食管癌和肺癌所需的外放范围相对较小，肺癌CTV外扩PTV误差范围参考：X方向2.0 mm、Y方向4.4 mm、Z方向3.3 mm，食管癌CTV外扩PTV误差范围参考：X方向2.4 mm、Y方向5.6 mm、Z方向3.0 mm，但其中Y方向所需的外放范围最大，这可能是由于热塑膜对患者头脚方向的固定度不佳导致的。孙亚楠等[17-19]使用不同固定方式在乳腺癌调强放疗摆位误差的研究显示，头脚方向的固定效果相对最差，与本研究的结果类似。

本研究的也存在一些局限性，首先纳入研究的样本量不大，可能对结果产生影响；其次，针对不同癌种，采用统一的配准范围，也可能导致不同配准算法的结果不同。在后续临床工作中，需纳入更多患者进行研究，并且针对不同部位疾病，选择适合的配准范围以减少误差。

综上所述，使用XVI系统对减少胸部肿瘤放疗摆位误差、提高治疗精度至关重要。对于肺癌和乳腺癌患者GA&MR方式较其他配准方式在X、Y、Z方向上，误差数值落在≤2 mm范围区间频数更高，建议选择灰度值自动配准加手动微调（GA&MR）的方式，肺癌CTV外扩PTV误差范围参考：X方向2.0 mm、Y方向4.4 mm、Z方向3.3 mm，乳腺癌CTV外扩PTV误差范围参考：X方向4.1 mm、Y方向4.7 mm、Z方向5.4 mm，可以更大程度提高放療精度。对于食管癌患者GA&MR与BA&MR配准方式在X、Y、Z方向上，较GAR与BAR配准误差的数值落在≤2 mm、>2 mm且≤4 mm范围区间频数数据更优，食管癌CTV外扩PTV误差范围参考：X方向2.4 mm、Y方向5.6 mm、Z方向3.0 mm，建议采用灰度值自动配准加手动微调（GA&MR）或骨性自动配准加手动微调（BA&MR）可提高治疗精度。

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