放射治疗分次间与分次中眼晶状体的位移研究

杨书明，赵水喜，穆晓峰，赵卫东，宁健

放射治疗分次间与分次中眼晶状体的位移研究

杨书明，赵水喜，穆晓峰，赵卫东，宁健

目的探讨眼晶状体在放射治疗分次间与分次中的运动范围。方法对17例头颈部肿瘤患者的CT和MRI图像进行配准，勾画晶状体轮廓，分别确定中心坐标位置，进一步模拟分析分次间与分次中的晶状体位移。结果左右晶状体在分次中与分次间均有不同程度的位移。与分次中运动幅度相比，在左右、前后和头脚方向上分次间晶状体运动的幅度均较大。结论在自由状态下进行放射治疗时，不考虑摆位误差影响，仅以分次间与分次中运动幅度而论，晶状体的计划危及器官应在晶状体外延1.5mm为宜。

图像配准；放射疗法；放射治疗计划，计算机辅助；晶体

眼眶肿瘤与其他部位肿瘤相比，其放射治疗更具挑战性。眼部结构精细，放射敏感性高，易产生放疗并发症，特别是晶状体剂量耐受性很低，文献报道其TD5/5仅为10Gy[1]，因此，白内障是眼眶肿瘤放疗后常见的放射损伤[2]。近年来，以逆向调强(intensity-modulated radiation therapy，IMRT)为代表的先进技术相继出现，剂量分布高度适形[3]，理论上可使晶状体受量降低，但由于晶状体位置可随眼球运动发生变化，导致受照剂量改变，从而增加发生放射性白内障的风险。因此，研究晶状体运动范围，设定合适的计划危及器官(planning organ at risk，POAR)边界，对于眼眶肿瘤乃至头颈部肿瘤的放射治疗具有重要意义。本文以定位CT与不同序列的MRI图像为研究对象，通过图像配准，模拟并分析眼晶状体在放射治疗分次间与分次中的运动范围。

1 资料与方法

1.1 临床资料 选择2008年9月－2010年9月同时进行过CT和MRI扫描的头颈部肿瘤患者17例，其中男12例，女5例，平均年龄37(24～55)岁，所有患者病变均未累及眼球且眼球活动状况良好。

1.2 图像采集 所有患者均采用热塑成型膜固定，首先在Philips公司大孔径CT模拟机下以3mm间距行增强扫描，再以相同体位条件、相同的框架与热塑膜，在Siemens公司3.0T核磁下以3mm间距进行无间隔扫描，将扫描后的CT定位图像、MRI T1加权像和T2加权像导入Pinnacle 9.0计划系统。

1.3 图像配准 以CT定位图像作为主图像序列，MRI T1加权像、T2加权像为融合图像序列。首先进行自动配准。Pinnacle 9.0计划系统中提供了局部相关(local correlation，LC)、交叉相关(cross correlation，CC)及归一化交互信息(normalizedmutual information，NMI)三种配准算法。本研究选用NMI算法进行图像匹配。匹配完成后验证准确性，方法为通过手动勾画脑中线、大脑中动脉、外轮廓、窦腔等结构，观察各结构在主图像与融合图像中的位置是否一致，若出现偏差则进行手动平移旋转，直至上述结构匹配正确(图1)。

图1 图像配准一致性验证Fig.1 Verification of image registration

1.4 器官勾画和参考点选取 配准完成后，分别在CT定位图像及MRI T1、T2加权像上勾画左右晶状体，并同时显示在CT图像上。勾画结束后，利用计划系统中BOX体积中心点定位算法，分别找到左右晶状体在各图像中的中心点坐标(图2)。由于配准后头部骨性结构一致，因此不同图像间晶状体中心坐标的差异可反映不同时刻晶状体的移动范围。

图2 晶状体勾画和参考点选择Fig.2 Contour lens and choose reference point

1.5 类型划分 在放射治疗中，器官运动可分为分次间运动(即不同治疗分次之间，inter-fraction movement)和分次中运动(即同一治疗分次中，intrafraction movement)，CT与MRI分属两次扫描，可模拟晶状体放疗时不同分次间运动；而MRI的T1加权像与T2加权像，为同一次扫描不同时间的图像，可模拟放疗时同一分次中的晶状体运动。

1.6 分次间及分次中晶状体位移与计划危及器官边界的计算 根据1.5的类型划分，分次间运动选取T1加权像与CT图像做配对，以晶状体中心点坐标差为参照，分次中运动则以T2加权像与T1加权像晶状体中心点坐标差为参照，分别计算两侧晶状体的左右方向(lateral，LA)、前后方向(anterior posterior，AP)、头脚方向(superior inferior，SI)的位移大小。

为获得大于95%的置信区间，晶状体的计划危及器官边界参照下式计算：

Marginx=Max{|LA95%|，|AP95%|，|SI95%|}

Marginfinal=Max{Marginx}

其中，Marginx代表某侧晶状体分次间或分次中三个方向均达到95%置信度的位移绝对值，LA95%、AP95%、SI95%分别代表左右、前后、头脚方向95%置信区间范围。Marginfinal代表多个Marginx取极大值的结果。

1.7 统计学处理 采用SPSS 13.0软件进行统计分析，晶状体位移数值为计量资料，符合正态分布，以±s表示，并计算其95%置信区间。

2 结 果

分次间运动结果见表1，分次中运动结果见表2。从数值上看，左右晶状体三个方向分次间的数值均大于或等于分次中的数值，即晶状体的分次间运动幅度大于等于分次中的幅度。晶状体计划危及器官的Marginfinal根据公式计算应为1.5mm。

表1 分次间运动分析结果(mm)Tab. 1 Results of inter-fraction movement (mm)

表2 分次中运动分析结果(mm)Tab. 2 Results of intra-fraction movement (mm)

3 讨 论

晶状体运动是眼眶肿瘤放射治疗中不可忽视的环节，晶状体耐受剂量低，并可随眼球的转动发生位置变化，而位移可影响剂量并增加发生放射性白内障的风险。因此，研究晶状体在放射治疗分次间与分次中的运动范围具有重要意义。

尽管从图像获取手段而言，直接采用治疗时的断层影像如锥束CT(cone beam CT，CBCT)可能会更好地反映晶状体位置的变化情况，但在不具备CBCT设备的条件下，应采用何种方法获取指导性数据成为一个难题。本研究以图像配准作为解决手段之一，其思路如下：CT与MRI扫描前需要分别摆位，此过程中获取的图像与研究放疗分次间运动时的性质相同；而MRI扫描中的T1加权像与T2加权像采集近似于放疗中的两个时间节点，晶状体的位移变化与研究放疗分次中运动的过程非常符合，以过程一致性为基础，获取的数据具有可信性。在此过程中，图像配准精度是最重要的环节，配准方法至关重要。常见的CT与MRI软件配准方法包括基于标识点配准、手动配准、交互信息配准三种方式[4]，而交互信息方法具有速度快、主观因素少等特点，使用较多。但是，由于尚无一种软件算法可以适应任何配准情况，因此，在考量配准精度时必须进行人为判断。卢杰等[5]的研究表明，脑部肿瘤CT-MRI配准时，采用交互信息法+手动融合的方法具有较高的融合精度。基于上述原因，笔者采用计算机交互信息算法与手工匹配相结合的方式，分别考查脑中线、大脑中动脉、外轮廓、窦腔等结构的一致性，判断并修正配准结果，以保证匹配的准确性。

眼球运动是一个复杂的过程，包括凝视、扫视和平稳跟踪运动[6]，其运动参数值可受到疲劳程度、注意力情况、注视角度、年龄等因素的影响[7]。另外，一些眼眶病特别是甲状腺相关眼病患者常由于眼外肌受累出现眼球运动受限[8]。本研究的入组患者眼球动度均良好，且在自由状态下进行扫描，结果显示，分次间的晶状体运动幅度要大于分次中，这可能由于分次间眼球的注视参照点发生了变化，而分次中更容易固定在某个范围，因此分次间晶状体位移多小于1.5mm，而分次中则小到1.1mm。

本研究可能存在的问题在于，分次间与分次中均表现出头脚方向较为明显的位移，其原因不能排除采集图像时的扫描层厚所带来的容积效应影响，这种影响可使测得的头脚方向运动位移假性增加。另外，本研究假设前提是图像配准后骨性结构一致性，即数据结果不包含摆位误差。

综上，笔者认为在眼眶肿瘤及头颈部肿瘤放射治疗实践中，不考虑摆位误差影响，仅以分次间与分次中运动范围而论，晶状体的计划危及器官应在晶状体外增加1.5mm边界为宜。如果可通过额外设定参照物在凝视状态下治疗，或眼球受病变影响活动受限，则外放边界或可适当缩小。

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Research on inter-fraction and intra-fraction motion of crystalline lens in radiotherapy

YANG Shu-ming1, ZHAO Shui-xi2, MU Xiao-feng1, ZHAO Wei-dong1, NING Jian1*
1Center of Radiotherapy,2First Department of Tumor, Chinese Armed Police General Hospital, Beijing 100039, China
*

, E-mail: Beijing-wj-2006@hotmail.com

ObjectiveTo investigate the range of inter-fraction and intra-fraction motion of crystalline lens in radiotherapy.MethodsThe CT and MRI images of 17 patients were registered, and the profile of crystalline lens was delineated to determine the respective center coordinates, thus simulating and analyzing inter-fraction and intra-fraction motion of lens in radiotherapy.ResultsBoth left and right lens moved in different degree during both inter- or intra-fraction phase. The range of lens movement was larger in inter-fraction than in intra-fraction phase in all directions.ConclusionWhen radiotherapy is given in the free state, considering the distance of lens movement alone in inter- and intra-fraction and without considering the setup error, the lens planning organs at risk should increase 1.5mm outside the lens boundary.

image registration; radiotherapy; radiotherapy planning, computer-assisted; lens, crystalline

R818.05

A

0577-7402(2012)03-0222-03

2013-01-03；

2013-02-18)

(责任编辑：沈宁)

杨书明，工学硕士。主要从事放射治疗计划优化与质量保证方面的工作

100039 北京 武警总医院肿瘤放疗中心(杨书明、穆晓峰、赵卫东、宁健)，肿瘤一科(赵水喜)

宁健，E-mail: Beijing-wj-2006@hotmail.com