iSCOUT图像引导定位技术在肺癌调强放疗中的临床应用

屈超 梁广立 刘桂芝 李春胤

天津医科大学肿瘤医院放射治疗科，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市肿瘤防治重点实验室，天津市恶性肿瘤临床医学研究中心（天津300060）

肺癌是最常见的恶性肿瘤之一，其发病率和死亡率均居世界首位[1]，男性明显多于女性。肺癌主要是由环境因素引起的疾病，80%～90%的肺癌与直接或被动吸烟、室内、室外空气污染、职业性因素及易感因素有关。尤其在雾霾高发地区，发病率逐年上升，如何有效治疗肺癌受到广泛关注。

据统计，在肺癌的临床诊断中，仅20%的患者能进行根治性手术切除[2]。肺癌的传统治疗手段包括手术治疗、放化疗等，其中手术治疗具有一定的局限性，多适用于肺癌初期患者，且手术治疗效果不理想，5年生存率仅为16%左右[3]，对晚期肺癌临床多采用放化疗的方式进行治疗[4]。近年来，图像引导放射治疗（Image Guided Radiotherapy，IGRT）技术不断发展，使放疗定位更加精确，IGRT可以减少治疗过程中的摆位误差，增加靶区照射剂量，减少周围正常组织的剂量，从而优化肿瘤控制率，显著提高患者的生存质量[5-7]。IGRT放疗时常规采用锥形束CT（cone beam CT，CBCT）实现图像引导放疗并在线校正摆位误差，CBCT在线扫描系统是一套医用直线加速器原厂自带的装置，它是评判放疗摆位误差的金标准。通过在线扫描校正技术可以在治疗过程中采集图像，引导实时放疗，从而纠正患者的摆位误差，并辅助后续放疗计划的调整，以保证放疗的准确性。在线扫描收集到的图像信号用于指导并将照射剂量传递到靶区，最终提高肺癌患者的局部控制率和长期生存率[8-10]。在大多数的肺癌患者IGRT扫描时，CBCT可以提供足够清晰的图像质量，为肺癌患者提供准确的肿瘤定位[11]。然而鉴于成本因素，仅一些高配的直线加速器自带CBCT在线扫描系统，对于未装配在线扫描系统的直线加速器，如何校正摆位误差，一直是放疗从业者们较为关心的问题。

随着科技的进步，越来越多的配套图像引导定位系统陆续推广上市。本研究采用VARIANTrilogy医用电子直线加速器，其本身自带CBCT在线扫描装置，科室在此基础上又加装了江苏瑞尔公司生产的影像追踪（image scout，iSCOUT）图像引导定位系统，该加速器同时配备有两套图像引导系统，具备在一次放疗摆位后同步实施CBCT扫描和（或）iSCOUT扫描的优势，为放疗医师提供多种选择。

本研究遴选75例符合入组条件的患者，在对每例患者进行首次放疗时，在摆位后放疗前对其先行CBCT扫描，再行iSCOUT扫描。将CBCT组和iSCOUT组扫描的影像分别和CT定位重建的DRR影像进行配准，从而实现在同一次放疗摆位后，同时得到两套扫描装置分别计算出的摆位误差。以CBCT组计算的摆位误差结果作为金标准，评判iSCOUT组计算的摆位误差和金标准之间的差异性和一致性，在临床应用中检验iSCOUT图像引导定位技术在肺癌调强放疗中计算的摆位误差精度。同时，本研究对比两组的准备时间、曝光时间、配准时间、定位总时间等指标，多角度分析iSCOUT系统的性能，为肺癌IGRT放疗时提供一定的参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料选择2018年1月18日至2019年4月22日在天津市肿瘤医院放疗科接受调强放疗的75例肺癌患者。男54例，女21例，年龄54～72岁，中位年龄65岁，均为单侧病灶。病理分型为非小细胞肺癌66例，小细胞肺癌9例。左肺42例，右肺33例。肿瘤靶体积为45.27～141.39 cm3（中位数73.59 cm3）。所有患者均经过病史、查体、辅助检查和病理诊断确诊为肺瘤。以隆突脊横断面为界将双肺分为上肺和下肺（肺根据骨性标志在第2、4前肋下缘分为上中下肺，但此种分法在横断面观察不方便）[12]，上、下肺患者分别为42、33例。所有患者KPS评分均≥70分，并且有较好的自控力和依从性。

1.2 机器设备及材料VARIAN-Trilogy医用电子直线加速器、锥形束CT扫描系统、iSCOUT图像引导定位系统、Medtec体架、热塑体模。

1.3 定位时间准备时间、曝光时间、配准时间和定位总时间。

1.3.1 CBCT准备阶段对于CBCT，准备阶段是指从更换HALF FAN限光桶开始，打开OBI操作面板开关，进入软件点击3D-Match，扫描模式选择“Thorax”，扫描层厚选2 mm，扫描矩阵选512×512，控制机械臂完全展开，机架转至182°起始扫描位置，此段耗时称为“准备时间（T1）”；曝光阶段是指机架从182°开始，一边旋转一边曝光，直至178°曝光停止，此段耗时称为“曝光时间（T2）”；配准阶段是指曝光结束后，收回机械臂，系统自动得出横断位、矢状位和冠状位的图像，技师会同医师在感兴趣区（ROI）选择靶区周围明显的的骨性结构，先进行自动配准，在自动配准的基础上再进行手动微调，最终确定配准的结果，此段耗时称为“配准时间（T3）”；“定位总时间（T4）”=准备时间（T1）+曝光时间（T2）+配准时间（T3）。

1.3.2 iSCOUT准备阶段对于iSCOUT，准备阶段是指从打开供电柜和控制器面板开关开始，进入软件。控制器启动约2 min后，进入系统点击initialize初始化，硬件系统提示信息由Unknown变为Normal即初始化完成。若是新患者第1次扫描，需生成DRR图像（从第2次扫描开始，无需再执行该操作）。点击Positioning按钮进入曝光操作界面，在确定患者信息和曝光参数正确之后，等候曝光开始，此段耗时称为“准备时间（T1）”；曝光阶段是指点完Position按钮之后，听到一声短暂蜂鸣音，此段耗时称为“曝光时间（T2）”，曝光时两个球管同时工作，且无需转动球管，一次曝光即可获得正交位置的两幅平片影像；配准阶段是指曝光完成后得到两幅正交位置的平片影像，系统自动选取靶区周围明显的骨性标志如头骨、盆骨或椎体等作为配准的感兴趣区，依据DRR影像和实时影像电脑可以自动计算出摆位误差，在此基础上，技师会同医师核对图像配比的准确性，手动微调直至完全配比成功，最终确定配准结果，此段耗时称为“配准时间（T3）”；“定位总时间（T4）”解释同CBCT。CBCT和iSCOUT工作界面见图1。

图1 CBCT扫描（左）和iSCOUT（右）扫描的工作界面Fig.1 Working interface of CBCT scan（left）and iscout scan（right）

1.4 计算公式根据公式MPTV=2Σ±0.7σ可以计算得到PTV的外放值，其中Σ代表系统误差，即所有患者平均误差的标准差，σ代表随机误差，即所有患者标准差的均方根[13]。RL为左右方向，SI为头脚方向，AP为腹背方向。本研究只涉及3个轴向的平移误差，不包含旋转误差。

1.5 统计学方法采用SPSS 18.0软件进行数据分析，对计数资料行χ2检验，计量资料行配对样本t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。两组数据的一致性分析采用kappa检验，kappa计算结果可分为五组来表示不同级别的一致性：（0.0～0.2）代表极低的一致性、（0.21～0.40）代表一般的一致性、（0.41～0.60）代表中等的一致性、（0.61～0.80）代表高度的一致性，（0.81～1）代表几乎完全一致[14]。

2 结果

2.1 摆位误差75例患者共接受了75次的CBCT扫描和75次的iSCOUT扫描，CBCT扫描在RL、SI、AP方向的摆位误差分别是（-2.25±3.84）、（0.14±5.78）、（2.95 ± 4.19）mm；iSCOUT扫描在RL、SI、AP方向的摆位误差分别是（-2.29±3.88）、（0.17±5.77）、（3.01± 4.20）mm。两组扫描方式在3个轴向上的差异均不具有统计学意义（P＜0.05）。见表1。

2.2 一致性分析将摆位误差分为3个区间（≤3 mm）、（≤5 mm& ＞ 3 mm）、（＞ 5 mm），对两种扫描模式下计算的三个轴向上摆位误差行kappa一致性分析，在 RL、SI、AP 方向上，k值分别为 0.80、0.74、0.90，两组扫描方式在RL、SI方向上满足高度一致性，在AP方向上达到近乎完全一致。见表2。

表1 不同轴向上的平移误差Tab.1 Translation errors in different axes±s

表1 不同轴向上的平移误差Tab.1 Translation errors in different axes±s

次数75 75组别CBCT组iSCOUT组t值P值平移误差（mm）RL方向-2.25±3.84-2.29±3.88-0.47 0.64 SI方向0.14±5.78 0.17±5.77 1.15 0.25 AP方向2.95±4.19 3.01±4.20 0.94 0.35

表2 3个轴向上摆位误差的kappa一致性分析Tab.2 Kappa consistency analysis of three axial up positioning errors 例

2.3 定位时间两组扫描方式在准备时间、曝光时间、配准时间、定位总时间的对比中，差异均具有统计学意义（P＜0.05）。CBCT扫描准备时间用时较短，占优，但在曝光时间、配准时间和定位总时间的对比中，iSCOUT扫描优势明显。见表3。

表3 两组的准备时间、曝光时间、配准时间和定位总时间Tab.3 Preparation time,exposure time,registration time and total positioning time of the two groups ±s

表3 两组的准备时间、曝光时间、配准时间和定位总时间Tab.3 Preparation time,exposure time,registration time and total positioning time of the two groups ±s

组别CBCT组iSCOUT组t值P值次数75 75准备时间T1（s）76.33±8.52 135.56±6.68-47.38＜0.05曝光时间T2（s）66.41±1.01 1.13±0.03 559.49＜0.05配准时间 T3（s）81.21±7.55 65.32±6.63 13.69＜0.05定位总时间T4（s）254.36±4.56 203.75±3.78 73.99＜0.05

2.4 MPTV值在上肺，CBCT扫描在RL、SI、AP方向上的MPTV值分别是7.04、10.45、8.02 mm，iSCOUT扫描则是7.14、10.63、8.11 mm。在下肺，CBCT扫描在RL、SI、AP方向上的MPTV值分别是8.23、11.92、9.20 mm，iSCOUT 扫 描 则 是 8.06、11.89、9.26 mm。见表4。

表4 两组的CTV外放PTV的MPTV值比较Tab.4 Comparison ofMPTVvalues mm

3 讨论

调强放疗是一种高精度放疗，它能实现靶区内部和表面剂量处处相等，因此提高摆位的精准度至关重要。图像引导放疗是一个自我反馈、自我修正的动态闭环系统，利用CBCT获取三维方向上平移及旋转的图像信息并进行匹配而得到摆位误差，并通过六维床的适时调整减小靶区误差，使得实际照射情况接近理想的计划状态，提高患者疗效及生活质量，有助于改进三维调强放射治疗的精度，为个体化精确放疗提供依据[15]。为了降低摆位误差，提高肺癌调强放疗的效果，本科室常规采用Medtec胸腹网体架配合热塑体模，摆位后、治疗前行在线校正扫描。

江苏瑞尔公司生产的iSCOUT图像引导放疗定位系统，产品与直线加速器无机械、无电气对接，iSCOUT系统能实现定位中心与直线加速器系统等中心的校准对接；与治疗计划系统的DICOM RT对接；与直线加速器系统治疗床的通讯对接。产品采用kV级X射线立体平面成像技术，通过软件控制两组对称于定位中心点的X射线成像单元，获得两个方向的X射线投影图像，利用患者内部解剖结构的图像特征，进行X射线图像和CT图像的二维-三维图像配准，对患者进行摆位验证。产品与放疗设备组合使用，探测、纠正患者摆位误差。

对比两组在RL、SI和AP方向的平移误差，差异无统计学意义（P＜0.05）；两组在RL、SI轴向上计算的摆位误差具有高度的一致性（k=0.80、0.74），在AP方向上（k=0.90）达到近乎完全一致。这充分说明iSCOUT图像引导定位系统产品成熟可靠，测量精度十分地接近CBCT在线扫描系统。

iSCOUT组曝光时间、配准时间和定位总时间均优于CBCT组。iSCOUT组曝光时间极短，约1～2 s，一次曝光仅相当于同时对患者拍摄了两张DR胸片；CBCT组曝光时间较长，平均用时接近一分钟，患者实为接受了一次较高剂量的胸部CT扫描。宋鑫等[16]研究表明，常规胸部CT辐射剂量为（0.856±0.435）mSv，常规DR胸片辐射剂量为（0.154±0.054）mSv，二者差异有统计学意义。从定位总时间较短和降低患者受照剂量这两个角度分析，iSCOUT图像引导定位系统优势明显。但是，iSCOUT组的准备时间长于CBCT组，分析原因可能是：（1）iSCOUT系统硬件启动时间稍长；（2）本研究75例患者均为第一次放疗时即采集图像，因iSCOUT系统要求第一次扫描时必须手动点击生成DRR图像（从第二次扫描开始，无需再执行该操作），故占用了部分操作时间。

本研究计算得到，下肺的外扩值稍大于上肺，这和下肺部紧邻心脏和膈肌，呼吸动度较大有直接的关系。LI等[17]研究表明，肺癌患者放疗时，使用可变形图像配准算法的CBCT可以在线测量和纠正摆位误差，提高放疗的准确性，其计算得到的MPTV推荐值在X、Y、Z方向分别为0.82、1.15、0.72 cm；张西志等[18]计算得出肺癌靶区的临床外放边界在左右（X）、头脚（Y）、垂直（Z）等3个方向上分别是0.78、1.12、0.68 cm，上述研究均与本述研究结果近似，为今后治疗计划优化提供参考。

综上所述，肺癌调强放疗时，采用iSCOUT图像引导定位技术计算的摆位误差精度十分接近CBCT在线校正技术。对于没有装配CBCT扫描的直线加速器，iSCOUT扫描是一种值得推荐的图像引导定位技术，iSCOUT图像引导定位技术可以缩短定位时间，降低患者受照剂量，降低摆位误差，提高放疗效果。