锥形束CT引导下前列腺癌调强放疗图像配准的研究

李 明，李高峰(通讯作者)，张绍刚

(北京医院 放疗科，北京100730)

锥形束CT引导下前列腺癌调强放疗图像配准的研究

李 明，李高峰(通讯作者)，张绍刚

(北京医院 放疗科，北京100730)

目的:通过千伏级锥形束CT(KV－CBCT)引导的前列腺癌调强放疗的数据，探讨前列腺癌图像配准的最佳模式。方法:入选16例接受根治性调强放疗的前列腺癌患者，共行KV－CBCT在线校正治疗体位214次。采用常规皮肤标记激光对位后采集图像，离线将所获得CBCT图像与计划CT图像进行自动配准、骨性配准、软组织配准及手动配准。比较四种配准方式之间的差异。结果:16例患者四种配准方式在X(左右)、Y(升降)、Z(头脚)三个方向的摆位误差分别为－0.060±0.28、－0.062±0.45、－0.065±0.38;－0.071±0.27、－0.098±0.45、－0.085±0.41; －0.077±0.26、－0.027±0.44、－0.111±0.40; －0.059 ±0.29、－0.075±0.51、－0.098±0.39。经分析四种配准方式之间没有统计学差异。结论:综合各种因素考虑，应用在线自动配准KV—CBCT引导放疗技术治疗前列腺癌患者更为合适。

前列腺肿瘤/调强放射疗法;在线图像引导;锥形束CT;图像配准

前列腺癌调强放射治疗(IMRT)的开展已经基本成熟，目前临床通常应用的方法均是以定位CT图像为基础进行治疗计划设计，并未考虑摆位误差以及靶区和危及器官的位置、体积变化等因素对其受照剂量的影响。然而在前列腺癌IMRT实施过程中，每次摆位误差、器官位移所致的分次间和分次内误差会造成靶区漏照和危及器官超量等现象［1］。使用千伏级锥形束CT(KV－CBCT)在线校正治疗体位的图像引导放疗(IGRT)技术，能在线纠正摆位误差，做到摆位精确放疗，提高疗效［2］。本研究收集我院IGRT治疗的前列腺癌病例，比较在线自动配准、骨性配准、软组织配准及离线手动配准四种不同配准模式间的差异，探讨前列腺癌图像配准的最佳模式。

1 材料与方法

1.1 患者一般情况:从2013年11月～2014年10月期间在我科行根治性放疗的100余例局限期前列腺癌患者中选择不同分期、分组及CBCT次数的病例代表共16例，放疗计划的特点是所有病例靶区CTV只包括前列腺±精囊，均接受IGRT治疗，共行214次。

1.2 CT模拟定位和IMRT计划设计:CT定位前0.5h排空直肠膀胱，口服500mL水充盈膀胱。仰卧位，双手上举抱肘置额前，真空气垫固定体位。采用飞利浦大孔径CT定位机(Philips Brilliance Big Bore CT－Simulation)进行CT扫描，扫描范围为真骨盆上下5cm，层厚为5mm，扫描60～80层。根据靶区规定勾画靶区，CTV包括整个前列腺及其包膜，中危患者还包括部分精囊，高危患者要包括全部精囊。PTV为CTV外放0.7～0.8cm，直肠方向0.5cm。处方剂量是95%PTV76－80Gy/38－40f/7.5－8w，使用Varian Ecilpse11.0治疗计划系统进行IMRT计划设计。治疗计划获得物理师和临床医师通过后，与CT图像通过网络系统传输至Varian iX医用直线加速器。

1.3 在线图像引导及配准:治疗前患者按定位时要求充盈膀胱，排空直肠。真空气垫固定体位，进行等中心摆位。采用 Varian iX医用直线加速器(配有OBI CBCT图像系统)进行CBCT扫描。OBI系统根据扫描图像数据进行重建，得到冠状面、矢状面和横断面的CT图像。先由软件对CBCT图像和定位CT图像进行在线自动配准，之后由临床医师评价前列腺、精囊及周围正常组织(如直肠、膀胱等)在横断面及矢状面的匹配情况。如配准不满意，则由医师手动调整。图像配准符合要求后，OBI自动计算出X(左右)、Y(升降)和Z(头脚)三个方向的平移误差。当各方向误差≤0.3 cm时，即行放疗;若某方向摆位误差 ＞0.3cm，则在相应方向上通过调整治疗床位置来纠正或重新摆位。IGRT在放疗开始时连续3－5次，以后每周1次，后6次连续。前5次如果误差在同一个方向，可通过调整患者治疗中心来校正。

1.4 离线配准:离线整理CBCT数据，分别获取原始摆位位置后，用自动配准、骨性配准、软组织配准和手动配准四种不同配准方式进行配准，通过ARIA网络借助治疗计划系统在每个CBCT图像上勾画靶区CTV，以指导CBCT图像和定位CT图像手动配准。

1.5 误差分析和外放间距计算:摆位误差用平均值±标准差(¯x±s)表示，分别计算四种配准方式三个方向上每位患者的平移误差值的均数和标准差，并进行统计分析各种配准方式之间的差异。

1.6 统计学方法:对4种不同配准方式及不同病例间对X(左右)、Y(升降)、Z(头脚)三个方向摆位误差的影响行多元多因素方差分析，用SPSS17.0统计软件处理上述参数，检验水准 α =0.05。

2 结果

四种配准方法的比较:16例患者共行214次IGRT治疗，经自动配准，骨性配准，软组织配准和手动配准四种不同配准方式进行配准后，系统自动计算出X(左右)、Y(升降)、Z(头脚)三个方向的平移误差。应用多元多因素方差分析检测配准方式间的差异，同时也检测病例间的差异，以及两者的交互作用，P＜0.05表示有统计学差异，结果见表1、2。

由上述结果可见，X(左右)、Y(升降)、Z(头脚)三个方向的平移误差总体上在四种配准方式间不存在显著性差异。同时可以看到，各变量值均受病例的显著影响，不同患者之间的摆位误差存在显著性差异。

3 讨论

前列腺癌放疗过程中靶区的变化分为以下三种情况:分次间移位、分次间形变和分次内移位。分次间移位主要由摆位误差和邻近器官充盈度决定。摆位误差分为系统误差(preparation errors)和随机误差(execution errors)，前者是实际治疗体位和模拟定位体位的差异，体现了在加速器下重复模拟定位体位的难度;后者为不同分次治疗间的差异。对于患者个体而言，系统误差是分次摆位误差的平均值，随机误差是分次间摆位误差的波动，用分次摆位误差的标准差表示［3］。Kupelian等对74名前列腺癌患者进行了8种不同的IGRT治疗策略，发现随治疗过程中IGRT次数增加，系统误差减小，而随机误差无显著差异［4］。而对于器官充盈的影响，由于前列腺前后运动与直肠、膀胱充盈程度密切相关，经本研究验证，X(左右)、Y(升降)、Z(头脚)三个方向的外放间距分别为0.4707、0.5317、0.6541cm，这可能是前后方向误差较大的主要原因。Schallenkamp等对20名前列腺癌患者的研究提示外放间距在上下、前后和左右方向分别为5.1mm、7.3mm和5.0mm，同样提示前列腺前后运动范围较大［5］。分次间形变最可能由直肠充盈引起，一般是前列腺基底部特别是精囊腺的形变。由于前列腺分次间形变相对较小，故本研究将其忽略。分次内移位是指在准确摆位后照射过程中的前列腺移位，患者的骨盆移位、肌肉收缩、呼吸运动和胃肠蠕动都是造成分次内移位的原因。本研究的不足之处为回顾性研究，仅在治疗前进行了CBCT扫描，治疗之后未重复CBCT，所以无法分析分次内移位情况。

表1 16例患者四种配准方式各方向的摆位误差

表2 四种配准方式及不同病例间对摆位误差的影响

图像配准是以CBCT图像和定位CT图像的重合度为依据，观察相关解剖结构和感兴趣区是否达到重合要求。我院有四种配准方式可供选择，自动配准(auto alignment)，骨性配准(bone alignment)，软组织配准(soft tissue alignment)和手动配准(manual alignment)。前三者为软件自动配准，后者为人工配准。骨性配准是对配准框内的高密度区(密度与骨接近或大于骨)进行配准，5～10s内即可完成。主要适用于靶区位置和骨性组织相对固定的部位，如头颈部和椎体等。软组织配准是对配准框内的软组织密度区进行配准，用时10～20s。主要适用于一些骨性组织较少的部位，如肺癌、肝胆部肿瘤等。自动配准兼顾了骨性和软组织等多重因素，对配准框内的全部像素依据密度值的差异进行软件自动分析，用时20～60s。手动配准是肉眼观察解剖结构和感兴趣区的重合情况进行调整。

在配准过程中，由于骨性配准是对配准框内所有的高密度区进行配准，会兼顾配准框内所有的骨性区域，加之骨盆骨的运动度较大，故每次骨性配准后，髋臼骨有时不能达到最佳重叠。Schallenkamp等的研究提示，分次治疗之间骨盆和前列腺均存在明显移位，且两者的移位相互独立，建议骨盆不作为前列腺癌放疗的摆位依据［5］。软组织配准和骨性配准，在前列腺癌靶区配准中无明显差异，平移误差相差不多。手动配准主要配准CTV前列腺部分，兼顾其它，因为精囊有一定形变，受直肠膀胱充盈度影响更大，而前列腺的位置相对固定。因此，由于自动配准、骨性配准、软组织配准及手动配准四种配准方式配准前列腺癌靶区无统计学差异，四种在线配准方式均可使用。虽然骨性配准用时短，但前列腺配准一般不建议使用骨性配准;手动配准耗时较久，且不能及时在线在CBCT图像上勾画CTV指导配准，故配准精确度欠佳。综合各种因素考虑，实际工作中还是应用在线自动配准+手动微调更合适。目前我院临床采用的前列腺癌IGRT默认配准方式为在线自动配准。配准范围为上界到第5腰椎下缘，下界到耻骨下缘lcm，两侧包括髋臼外缘，前界到耻骨联合前缘，后界到骶骨后缘。在实际应用中，通常先选用软件自动配准，配准完成后判断CBCT图像和模拟CT图像的重合度，相关的解剖结构和感兴趣区是否达到重合要求，必要时进行手动微调，直到配准结果符合要求。

4 结论

自动配准、骨性配准、软组织配准及手动配准四种配准方式配准前列腺癌靶区无统计学差异。四种在线配准方式均可使用，虽然骨性配准用时短，但前列腺配准一般不建议使用骨性配准，手动配准耗时较久，且不能及时在线勾画CTV指导配准，故配准精确度欠佳。综合各种因素考虑，实际工作中应用在线自动配准+手动微调更为合适。

［1］Remeijer P，Geerlof E，Ploeger L，et al.3－D portal image analysis in clinical practice:an evaluation of 2－D and 3－D analysis techniques as applied to 30 prostate cancer patients.Int J Oncol Biol Phys，2000，46:1281－1290.

［2］van Herk M.Errors and margins in radiotherapy.Semin Radiat Oncol Biol，2004，14:52－64.

［3］Remeijer P，Geerlof E，Ploeger L，et al.3－D portal image analysis in clinical practice:an evaluation of 2－D and 3－D analysiS techniques as applied to 30 prostate cancer patients.Int J Oncol Biol Phys，2000，46:1281－1290.

［4］Kupel Jan PA，Langen KM，Zerdan OA，et al.Daily variations in delivered doses in patients treated with radiotherapy for localized prostate cancer.Int J Radiat Oncol Bi ol Phys，2006，66:876－882.

［5］Schallenkamp JM，Herman MG，Kruse JJ，et al.Prostate position relative to pelvic bony anatomy based on intraprostatic gold markers and electronic portal imaging.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2005，63:800－811.

Image alignment assessed with kV cone beam CT for image guided prostate radiotherapy

LI Ming，LI Gao－feng，ZHANG Shao－gang
(Department of Radiation Oncology，Beijing Hospital，Beijing100730，China)

LI Gao－feng.Email:lgf6243@163.com

Objective:To investigate the optimal alignment methods with kilovohage cone－beam CT(KV－CBCT)for the treatment of prostate cancer.Metheds:16 patients with prostate cancer undergoing IMRT were enrolled onto the study and 214 CBCT imagings were obtained from this study.After initial set—up using the skin marks，a CBCT scan was acquired and registered with the planning CT.The difference in auto alignment，bone alignment，soft tissue alignment and manual alignment was compared.Results:There was no statistical difference between the four alignment methods.The comparisons of setup errors in the vertical direction、lateral direction and longitudinal direction were－0.060±0.28、－0.062±0.45、－0.065±0.38; －0.071±0.27、－0.098±0.45、－0.085±0.41; －0.077±0.26、－0.027±0.44、－0.111±0.40; －0.059±0.29、－0.075±0.51、－0.098±0.39 respectively.Conclusions Due to the comprehensive factors，the auto alignment should be used in the treatment.

Prostate neoplasms/intensity modulated radiotherapy;Online image guided;CBCT;Alignment

TH774

A

1002－2376(2015)06－0027－00

2015－02－25