千伏级锥形束CT与CatalystTM系统在影像引导放疗过程中的对比研究

复旦大学附属肿瘤医院放疗科，复旦大学上海医学院肿瘤学系，上海 200032

图像引导放射治疗（image-guided radiotherapy，IGRT）在放射治疗领域占有越来越重要的地位。IGRT能够有效地降低放疗过程中的靶区位移误差和摆位误差，进而提高放疗的准确性。IGRT的发展是以图像引导设备为基础的，因此对治疗过程中的误差进行检验的设备格外重要［1］。目前临床上常用的图像引导设备包括电子射野影像系统（electronic portal imaging device，EPID）、锥形束CT（cone-beam computed tomography，CBCT）以及光学表面成像系统（optical surface imaging，OSI）等。相关研究［2-4］表明CBCT和EPID在图像清晰度、患者所受额外辐射剂量、验证准确性以及可操作性方面具有各自的优势。近年来，光学表面成像系统也逐步应用于肿瘤放疗过程的摆位和误差验证［5-8］。本研究收集33例患者的相关数据对CBCT系统和OSI系统在IGRT过程中的应用价值进行对比研究。

1 资料和方法

1.1 病例来源

选取在复旦大学附属肿瘤医院放射治疗中心治疗的33例患者纳入研究组。包括男性患者19例，女性患者14例；肺恶性肿瘤21例，食管恶性肿瘤11例，非霍奇金淋巴瘤1例。患者的年龄范围是26～84岁，中位年龄61岁。具体信息见表1。

表1 研究组中患者的基本信息Tab.1 Basic information of patients in the study

1.2 患者体位固定

患者均采用仰卧位睡姿，根据患病部位的特点及治疗要求，采用碳纤维多功能体板+真空垫的固定方式对患者进行体位固定（图1）。

在完成体位固定后，采用FOV为60 cm的大孔径CT（荷兰Philips公司）进行定位扫描，扫描后图像上传至计划治疗系统。所有患者均在Varian Edge直线加速器上完成治疗。

图1 体位固定技术Fig.1 The body position fixation technique

1.3 数据采集及处理

1.3.1 OSI系统数据采集

本研究所用OSI为CatalystTM系统，该系统安装布置在与Varian Edge直线加速器同一等中心的机房中。CatalystTM系统主要由发光二极管光源、电荷耦合器件摄像头组成。OSI系统数据采集流程：在患者每周的第1次治疗前，将患者治疗时使用的固定模具按照医嘱固定在加速器治疗床上；患者褪去衣物，平稳躺在治疗床上后，参照患者体侧和体部的中心摆位线对患者进行治疗前摆位；摆位完成后，用CatalystTM系统进行体表图像的采集；待CatalystTM系统采集患者的体表图像后，与患者的模拟定位CT图像进行配准操作，可以得到平移方向x、y、z和头脚方向旋转（pitch，PIT）、左右方向旋转（roll，ROL）、水平方向旋转（rotation，RTN）3个方向上的误差值；记录误差值完成数据采集。在患者治疗过程中，CatalystTM系统采集的实时图像对患者的放疗过程起到监控作用。

1.3.2 CBCT系统数据采集

在患者每周第1次治疗前，使用Varian Edge直线加速器上配置的KV级CBCT进行扫描。将CBCT采集图像按照灰度配准的方式与定位CT图像进行配准操作，配准区域包括PTV。记录平移方向x、y、z和旋转方向PIT、ROL、RTN的误差数值。扫描参数如下：起始角度50～220，机架旋转速度6/s，扫描视野（field of view，FOV）直径46.5 cm，过滤板half，重建图像层厚2 mm，重建图像矩阵大小512像素×512像素。

1.4 统计学处理

采用SPSS 22.0对数据进行统计学分析。将CBCT与CatalystTM系统采集的误差数据在平移方向x、y、z和旋转方向PIT、ROL、RTN分别进行配对样本t检验，分析两系统在各方向上摆位误差的相关情况。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

研究组中33例患者在每周第1次治疗前进行CatalystTM系统和CBCT系统的误差数据采集，共获得115组数据。

将两种检验系统各方向上的误差值计算平均值及标准差。误差数据经过配对样本t检验分析，在平移方向y、z以及旋转方向PIT和RTN的误差值差异无统计学意义（P＞0.05）；在平移方向x和旋转方向ROL的误差值差异有统计学意义（P＜0.05，表2和表3）。摆位误差数据的系统误差（Σ）和随机误差（δ）见表4和表5。

表2 平移方向误差配对样本t检验分析结果Tab.2 The results of paired samples t test in translational directions(±s)

表2 平移方向误差配对样本t检验分析结果Tab.2 The results of paired samples t test in translational directions(±s)

表3 旋转方向误差配对样本t检验分析结果Tab.3 The results of paired samples t test in rotational directions(±s)

表3 旋转方向误差配对样本t检验分析结果Tab.3 The results of paired samples t test in rotational directions(±s)

表4 平移方向的系统误差和随机误差Tab.4 The systemic error and random error in translational directions

表5 旋转方向的系统误差和随机误差Tab.5 The systemic error and random error in rotational directions

3 讨 论

CBCT是一种已经广泛应用于放疗患者摆位误差检测的重要辅助工具。基于大面积非晶硅数字化X射线探测板的CBCT具有质量轻、体积小、分辨率高、射线利用率高、开放式结构等特点。它还可以直接整合到直线加速器的机架上，机架旋转360°即可获取并重建出患者的三维模型，进而与参考图像进行配准比对，得到患者的摆位误差。在进行误差纠正后，对患者进行更为精准的放射治疗。但是，CBCT的使用也会给患者带来额外的辐射剂量，可能会增加患者患二次肿瘤的风险［9］。为了更好地解决额外辐射、框架限制、实时监测等问题，OSI系统应运而生。OSI系统一般通过3D成像传感器将电磁波投射到患者体表，并通过传感器测量电磁波从患者体表反射回来的时间来计算距离。因此，OSI系统是一种无电离辐射、无侵袭性、成像速度快、可实时监控的误差检测系统。目前，国内常用的OSI系统是AlignRT系统、CatalystTM系统以及OSM系统。本研究所应用的是搭载于Varian Edge直线加速器上的KV级CBCT和CatalystTM系统。

Walter等［10］回顾性分析了25例胸部、腹部及盆腔肿瘤患者的154次误差检测数据，发现CBCT扫描配准的摆位误差在左右方向、头脚方向以及腹背方向分别是（0.0±2.1）mm、（-0.4±2.4）mm和（1.1±2.6）mm，CatalystTM系统在上述3个方向的误差检测值分别为（-0.1±2.1）mm、（-1.8±5.4）mm和（1.4±3.2）mm。经统计学分析后发现二者差异无统计学意义，因此研究者认为CatalystTM系统可以在摆位误差检测中有效地替代CBCT系统。除此之外，Wei等［11］分析了27例乳腺癌患者的OSI系统和CBCT系统的误差检测数据（共计127组）后发现，两种检测系统在各个方向上的检测误差值差异均无统计学意义，且其系统误差和随机误差均小于1 mm，所以OSI系统可以替代CBCT系统进行误差检测。本研究对33例胸腹部肿瘤患者在CBCT和CatalystTM系统下进行误差检测，结果显示，CBCT扫描配准的摆位误差在平移方向x、y、z分别为（0.95±1.18）mm、（1.28±1.63）mm和（0.97±1.20）mm，在旋转方向PIT、ROL、RTN分别为（0.73±0.65）°、（1.07±0.86）°和（0.69±0.69）°。CatalystTM系统配准的摆位误差在平移方向x、y、z分别为（0.96±1.35）mm、（1.43±1.66）mm和（1.59±1.98）mm，在旋转方向PIT、ROL、RTN分别为（0.86±0.80）°、（0.87±0.74）°和（0.75±0.76）°。且经配对样本t检验后发现，平移方向y、z以及旋转方向PIT和RTN的误差数据差异无统计学意义，而平移方向x和旋转方向ROL的误差数据差异有统计学意义。结合其误差平均数和标准差可以发现CBCT较CatalystTM系统在平移方向x上无明显增大，在旋转方向ROL的摆位误差值略有增大。除此之外，通过对各个方向的误差数据进行统计计算得到其系统误差和随机误差。结果显示，各方向的系统误差和随机误差之间的差值在1 mm之内，两种检测系统的检测结果差异无统计学意义。本研究结果与相关研究［10-11］的结论一致。

综上所述，CBCT系统和CatalystTM系统对于患者的摆位误差检测差异无统计学意义，且二者对于摆位误差检测的系统误差和随机误差都小于1 mm，故CatalystTM系统可以代替CBCT系统进行摆位误差的检测。