螺旋断层放疗中肝脏肿瘤影像引导方法的研究

何建军，田晓云，刘海，黄栋，柳杰，韩成龙

中国人民解放军第81医院 放疗科，江苏 南京 210002

螺旋断层放疗中肝脏肿瘤影像引导方法的研究

何建军，田晓云，刘海，黄栋，柳杰，韩成龙

中国人民解放军第81医院 放疗科，江苏 南京 210002

目的 研究螺旋断层放疗（HT）中肝脏肿瘤患者的呼吸运动影响以及影像引导下影像配准的临床价值。方法 随机选取36例接受HT治疗的肝脏肿瘤患者，在平静浅呼吸状态下行MVCT扫描并与治疗计划系统（TPS）数字重建影像（DRR）进行两次配准（分别以肝脏和肝区病变，以及骨性标志物和非运动型软组织为参考进行配准），获取患者的呼吸动度信息，分析配准原则及方法。结果 36例病人共进行MVCT扫描768次，呼吸相位差异在X（左右）方向上全组平均值为 ，个体最大值为6.60 mm；Y（头脚）方向上全组平均值为（10.64±2.34）mm，个体最大值为26.70 mm；Z（前后）方向上全组平均值为（4.57±0.90）mm，个体最大值为11.30 mm；患者间呼吸相位差异在各方向上均无统计学意义。结论 肝脏肿瘤患者影像配准受呼吸运动影响较大，在摆位时应对病人进行呼吸训练，以减少呼吸运动对肝脏肿瘤放疗的影响；同时，配准应以骨性及其他非运动型软组织标志物为参考，当配准差值大于靶区外放范围时，应考虑重新对患者进行呼吸训练以及影像配准。

肝脏肿瘤；螺旋断层放射治疗；影像引导；影像配准

肝脏肿瘤患者在进行放疗时，由于呼吸引起的运动误差会造成靶区的不确定性并影响放疗剂量的准确性[1]，因此采取影像引导及运动控制技术是放疗过程中的重要环节。螺旋断层放疗系统（Helical TomoTherapy，HT）采用扇形束流来进行调强放射治疗[2]，将直线加速器和螺旋CT整合于一身，使计划制定、患者摆位和治疗整个过程融为一体[3]，可在治疗前获取摆位MVCT影像，并与定位KVCT影像进行配准，对患者的呼吸运动及摆位误差进行实时修正。但由于在HT治疗中难以实现呼吸门控等技术，患者影像配准受呼吸运动的影响较大。本文通过分析36例肝脏肿瘤放疗患者的呼吸运动及配准信息，来探讨HT治疗中影像配准的原则及方法。

1 资料与方法

1.1 临床资料

随机选取2012年1月～2014年12月间36例行螺旋断层放疗的肝脏肿瘤患者，其中男性28人，女性8人；年龄36～90岁，中位年龄67.5岁；原发性肝脏肿瘤13例，转移性肝脏肿瘤23例，放疗病灶数量1～4个。

1.2 设备

放疗及定位设备：TomoTherapy螺旋断层放疗系统、飞利浦螺旋CT、治疗计划系统（TPS）、多功能定位底板及附件、热塑网状固定体膜、固定头枕、LAP激光定位系统等。

1.3 方法

1.3.1 定位及影像获取

嘱病人仰卧于定位底板上，用热塑体膜固定体位。应用激光线标记体膜，行螺旋CT扫描并获取影像信息，扫描层厚5 mm，层距5 mm，扫描范围上界在膈顶上3 cm左右，下界在腰3椎体下缘并包全肾脏。定位过程中嘱病人应用浅呼吸技术进行呼吸训练，平静状态下以腹式呼吸为主[4]。

1.3.2 计划制定及验证

按病情资料勾画出靶区、需要保护的重要器官及正常组织，设置剂量限定，制定治疗计划并应用模体进行计划验证。

1.3.3 治疗摆位及MVCT配准

按照定位时体位及呼吸训练的要求进行摆位，要求两侧肋弓、髂骨等骨性标志与膜体吻合。运用HT系统的MVCT获取患者影像信息，扫描部位应包括肝脏、椎骨，肾脏、胃、部分肠腔等。运用MVCT影像与TPS数字重建影像（Digital Reconstruction Radiograph，DRR）进行两次配准，配准原则分别为以肝区病变和肝脏为参考，以及以骨性标志物及其他非运动型软组织为参考。记录两次配准中的6个摆位参数：平移误差IEC X（LR，左右方向）、Y（SI，头脚方向）、Z（AP，前后方向），旋转误差PITCH（头脚方向倾斜值）、ROLL（身体长轴旋转值）、YAW（身体水平方向旋转值），将两次配准数值相应项相减，得到定位影像与复位影像的呼吸相位差，结果取绝对值（不考虑方向因素）。对数据进行分析，包括最大值、最小值、单组平均值、单因素方差以及全组平均值，其中最大值、最小值反映了本研究中的极限数据，单组平均值和单因素方差反映了同一患者摆位配准时的平均呼吸动度及不同患者呼吸动度之间的差异性，全组平均值则体现了患者在治疗中整体的呼吸运动幅度水平。

1.4 统计学分析

使用SPSS 17.0进行统计学分析，统计36例患者每次治疗前的MVCT配准数值并进行单因素方差分析，以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 MVCT配准

36例肝脏肿瘤患者共行768次治疗前MVCT扫描，每次扫描后进行两次配准，即分别以肝脏和肝区病变，以及骨性标志物和非运动软组织为参考，得到相应配准数值。治疗前MVCT配准示例，见图1。

图1 治疗前MVCT配准示例图

2.2 最大值及最小值

IEC X、Y、Z，PITCH、ROLL及YAW 6个方向上的最大及最小配准平移、旋转差值结果，见表1。其中，Y（SI，头脚）方向上最大值为26.70 mm，Z（AP，前后）方向上最大值为11.30 mm，表明此时MVCT影像与DRR影像的呼吸相位差异较大。

表1 最大及最小平移旋转差值结果

2.3 个体平均值及组间单因素方差

36例患者配准平移及旋转差值个体平均值结果，见图2。由图可知，患者肝区病变运动主要以IEC Y、Z方向为主。组间单因素方差分析X、Y和Z方向上P值均大于0.05，表明各患者间呼吸相位差异在各方向上均无统计学意义，但其中Y方向F值相比于X、Z方向数值较大，说明Y方向呼吸相位差异较其余两个方向更为明显（表2）。

图2 MVCT配准平移及旋转差值个体平均值结果

表2 组间单因素方差分析结果

2.4 全组平均值

全组整体平移差值较大，旋转差值较小，其中Y方向平均值超过10 mm（表3）。

表3 全组平移及旋转差值平均值结果

3 讨论

目前调强放射治疗技术的质量保证和安全性尚存在不足，在临床放射治疗过程中可能会有高剂量区偏离靶区的情况发生，有时甚至会使高剂量区落在需要保护的器官内，因此病人的体位验证和影像引导技术是放射治疗的重要环节[5]。螺旋断层放疗系统具备螺旋断层成像技术，能够对病灶进行精准定位[6]，成像源和治疗源完全相同[7]，成像精度和照射精度可达到±0.1 mm，可避免成像和治疗的偏差问题[8]。治疗前进行影像引导及体位修正，可提高患者摆位精度，从而使照射准确无误地按照放疗计划实施。

肝脏位置受呼吸运动影响较大，在呼吸运动过程中，肝脏的位移幅度和形变差异很难估量，给临床靶区的界定和治疗误差带来了不确定性[9]。另外，由于其周围组织结构（如十二指肠、空肠及回肠等）对于放射线耐受剂量的限制，临床上常需要更为精确的放疗技术比如影像引导放射治疗[10]以尽量减小呼吸运动对肝脏的影响。临床上常采用呼吸门控、主动呼吸控制技术以及呼吸训练等多种措施来控制呼吸运动对肝部肿瘤放疗的影响，这些措施涵盖了肝部肿瘤放疗从靶区确定到治疗评估的每个环节[11]。目前由于螺旋断层放疗系统实现呼吸门控、主动呼吸控制等技术存在困难，故临床上常采取对患者进行呼吸训练的方法来实现精确定位与治疗。

本研究通过对36例行螺旋断层放疗的肝脏肿瘤患者的摆位验证以及配准数据进行分析，发现平静呼吸状态下MVCT影像与定位影像之间存在着较为显著的呼吸相位差异，并主要体现在Y与Z方向上，Y方向平均值达到10.64 mm，个体最大值为26.70 mm；Z方向平均值达到4.57 mm，个体最大值为11.30 mm。此数值并非平静呼吸状态下的肝脏呼吸动度范围，而是两种影像系列之间的相位差异，但它能反应出患者在治疗时的呼吸状态，研究的部分数值也与其他文献报道相近[3]。在影像配准过程中，应以骨性及其他非运动型软组织标志为准，肝区病变为辅，综合考虑配准过程中病灶和靶区的一致性，以减少呼吸运动对肝脏肿瘤放疗的影响。由于计划靶区已考虑平静呼吸状态下的运动因素，所以临床上所能接受的配准标准是MVCT影像靶区未脱离计划靶区轮廓线，当配准差值大于靶区外放范围时，考虑为患者呼吸未达理想状态，此时不宜进行治疗，应重新对患者进行呼吸训练及影像配准。

综上所述，对行螺旋断层放疗的肝脏肿瘤患者进行正确合理的MVCT影像引导，可即时观察患者的呼吸状态，有效减少因器官运动和摆位误差引起的剂量偏差，最大程度地保护正常组织，对于保证患者的医疗质量具有重要的临床意义。

[1]张英杰,李建彩,邢军,等.基于四维和三维CT的肝癌靶区与正常组织位移分析[J].中华放射肿瘤学杂志,2012,21（3）：261-262.

[2]Mackie TR,Balog J,Ruchala K,et al.Tomotherapy[J].Sem Radiat Oncol,1999,9（1）：108-117.

[3]张怀文,王运来,戴相昆,等.影像引导放疗中常用CT设备影像质量的比较分析[J].中国医学物理学杂志,2011,28（2）：2523-2528.

[4]赵建东,蒋国梁,徐志勇,等.主动呼吸控制用于原发性肝癌放射治疗肝脏位置重复性的研究[J].中国癌症杂志,2007, 17（5）：390-394.

[5]尚进,李东.TomoTherapy螺旋断层放射治疗的现状与应用前景[J].中国医疗设备,2012,27（2）：48-50.

[6]刘晓征,杨建龙.螺旋断层放射治疗（TOMO）装备应用评价[J].中国医学装备,2012,33（9）：55-57.

[7]马林,王连元,周桂霞.TomoTherapy肿瘤断层放射治疗[M].四川：四川科学技术出版社,2010：38-41.

[8]姜瑞瑶,傅深.直线加速器和CT机的完美结合-螺旋断层治疗机[J].中国医疗设备,2009,24（1）：52-53.

[9]董文雷,刘莉莉,陈林,等.对比3DCRT和IGRT技术对肝癌放射治疗的作用评价[J].实用肿瘤学杂志,2012,26（3）：209-213.

[10]黄九宁,黎功.肝癌伴门静脉癌栓放射治疗进展[J].肝癌电子杂志,2014,1（2）：53-57.

[11]曾昭冲.肝细胞肝癌放射治疗现状与展望[J].中华肿瘤防治杂志,2009,16（13）：961-965.

Research on Imaging Guidance in Helical Tomotherapy for Liver Carcinoma

HE Jian-jun, TIAN Xiao-yun, LIU Hai, HUANG Dong, LIU Jie, HAN Cheng-long
Department of Radiation Oncology, the 81stHospital of PLA, Nanjing Jiangsu 210002, China

Objective To analyze the clinical effectiveness of the respiratory movement in liver carcinoma patients by using the image guidance in HT（Helical Tomotherapy）w ith MVCT（M ega-Voltage Computerized Tomography）.Methods A ltogether 36 patients w ith primary or metastatic liver cancers were random ly selected and then underwent MVCT scans in the calm and shallow breathing state and DDR（Digital Reconstruction Radiograph）registration in the TPS（Treatment Planning Systems）tw ice, respectively taking the liver and liver lesions as well as the osseous markers and non-movement soft tissue as the references for registration, so as to acquire the respiratory mobility information of patients and analyze the registration principle and method.Resu lts A ll the 36 patients were scanned by using MVCT for 768 times.The average phase error of respiratory mobility for all the patients in X, Y and Z were（3.05±0.5）mm（max for individual patients：6.60 mm）,（10.64±2.34）mm（max for individual patients：26.70 mm）and（4.57±0.90）mm（max for individual patients：11.30 mm）, respectively, w ithout statistically signi fi cant differences.Conclusion Liver cancer patients were greatly affected by respiratory movement registration errors.The respiratory training was necessary for patients in placement, in order to reduce the in fl uence of respiratory movement on liver tumor radiotherapy.Meanwhile, the osseous markers and non-movement soft tissue shall be taken as the reference for registration.In case that the registration error ＞the range of target area, respiratory training and imaging registration should be considered for patients again.

nasopharyngeal carcinoma；helical tomotherapy；imaging guidance；image registration

TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.12.034

1674-1633（2015）12-0112-03

2015-07-22

刘海，高级工程师。

通讯作者邮箱：crazy fi scher@gmail.com