楊書(shū)明，趙水喜，穆曉峰，趙衛(wèi)東，寧健

放射治療分次間與分次中眼晶狀體的位移研究

楊書(shū)明，趙水喜，穆曉峰，趙衛(wèi)東，寧健

目的探討眼晶狀體在放射治療分次間與分次中的運(yùn)動(dòng)范圍。方法對(duì)17例頭頸部腫瘤患者的CT和MRI圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，勾畫(huà)晶狀體輪廓，分別確定中心坐標(biāo)位置，進(jìn)一步模擬分析分次間與分次中的晶狀體位移。結(jié)果左右晶狀體在分次中與分次間均有不同程度的位移。與分次中運(yùn)動(dòng)幅度相比，在左右、前后和頭腳方向上分次間晶狀體運(yùn)動(dòng)的幅度均較大。結(jié)論在自由狀態(tài)下進(jìn)行放射治療時(shí)，不考慮擺位誤差影響，僅以分次間與分次中運(yùn)動(dòng)幅度而論，晶狀體的計(jì)劃危及器官應(yīng)在晶狀體外延1.5mm為宜。

圖像配準(zhǔn)；放射療法；放射治療計(jì)劃，計(jì)算機(jī)輔助；晶體

眼眶腫瘤與其他部位腫瘤相比，其放射治療更具挑戰(zhàn)性。眼部結(jié)構(gòu)精細(xì)，放射敏感性高，易產(chǎn)生放療并發(fā)癥，特別是晶狀體劑量耐受性很低，文獻(xiàn)報(bào)道其TD5/5僅為10Gy[1]，因此，白內(nèi)障是眼眶腫瘤放療后常見(jiàn)的放射損傷[2]。近年來(lái)，以逆向調(diào)強(qiáng)(intensity-modulated radiation therapy，IMRT)為代表的先進(jìn)技術(shù)相繼出現(xiàn)，劑量分布高度適形[3]，理論上可使晶狀體受量降低，但由于晶狀體位置可隨眼球運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，導(dǎo)致受照劑量改變，從而增加發(fā)生放射性白內(nèi)障的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究晶狀體運(yùn)動(dòng)范圍，設(shè)定合適的計(jì)劃危及器官(planning organ at risk，POAR)邊界，對(duì)于眼眶腫瘤乃至頭頸部腫瘤的放射治療具有重要意義。本文以定位CT與不同序列的MRI圖像為研究對(duì)象，通過(guò)圖像配準(zhǔn)，模擬并分析眼晶狀體在放射治療分次間與分次中的運(yùn)動(dòng)范圍。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 選擇2008年9月－2010年9月同時(shí)進(jìn)行過(guò)CT和MRI掃描的頭頸部腫瘤患者17例，其中男12例，女5例，平均年齡37(24～55)歲，所有患者病變均未累及眼球且眼球活動(dòng)狀況良好。

1.2 圖像采集 所有患者均采用熱塑成型膜固定，首先在Philips公司大孔徑CT模擬機(jī)下以3mm間距行增強(qiáng)掃描，再以相同體位條件、相同的框架與熱塑膜，在Siemens公司3.0T核磁下以3mm間距進(jìn)行無(wú)間隔掃描，將掃描后的CT定位圖像、MRI T1加權(quán)像和T2加權(quán)像導(dǎo)入Pinnacle 9.0計(jì)劃系統(tǒng)。

1.3 圖像配準(zhǔn) 以CT定位圖像作為主圖像序列，MRI T1加權(quán)像、T2加權(quán)像為融合圖像序列。首先進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)。Pinnacle 9.0計(jì)劃系統(tǒng)中提供了局部相關(guān)(local correlation，LC)、交叉相關(guān)(cross correlation，CC)及歸一化交互信息(normalizedmutual information，NMI)三種配準(zhǔn)算法。本研究選用NMI算法進(jìn)行圖像匹配。匹配完成后驗(yàn)證準(zhǔn)確性，方法為通過(guò)手動(dòng)勾畫(huà)腦中線(xiàn)、大腦中動(dòng)脈、外輪廓、竇腔等結(jié)構(gòu)，觀察各結(jié)構(gòu)在主圖像與融合圖像中的位置是否一致，若出現(xiàn)偏差則進(jìn)行手動(dòng)平移旋轉(zhuǎn)，直至上述結(jié)構(gòu)匹配正確(圖1)。

圖1 圖像配準(zhǔn)一致性驗(yàn)證Fig.1 Verification of image registration

1.4 器官勾畫(huà)和參考點(diǎn)選取 配準(zhǔn)完成后，分別在CT定位圖像及MRI T1、T2加權(quán)像上勾畫(huà)左右晶狀體，并同時(shí)顯示在CT圖像上。勾畫(huà)結(jié)束后，利用計(jì)劃系統(tǒng)中BOX體積中心點(diǎn)定位算法，分別找到左右晶狀體在各圖像中的中心點(diǎn)坐標(biāo)(圖2)。由于配準(zhǔn)后頭部骨性結(jié)構(gòu)一致，因此不同圖像間晶狀體中心坐標(biāo)的差異可反映不同時(shí)刻晶狀體的移動(dòng)范圍。

圖2 晶狀體勾畫(huà)和參考點(diǎn)選擇Fig.2 Contour lens and choose reference point

1.5 類(lèi)型劃分 在放射治療中，器官運(yùn)動(dòng)可分為分次間運(yùn)動(dòng)(即不同治療分次之間，inter-fraction movement)和分次中運(yùn)動(dòng)(即同一治療分次中，intrafraction movement)，CT與MRI分屬兩次掃描，可模擬晶狀體放療時(shí)不同分次間運(yùn)動(dòng)；而MRI的T1加權(quán)像與T2加權(quán)像，為同一次掃描不同時(shí)間的圖像，可模擬放療時(shí)同一分次中的晶狀體運(yùn)動(dòng)。

1.6 分次間及分次中晶狀體位移與計(jì)劃危及器官邊界的計(jì)算 根據(jù)1.5的類(lèi)型劃分，分次間運(yùn)動(dòng)選取T1加權(quán)像與CT圖像做配對(duì)，以晶狀體中心點(diǎn)坐標(biāo)差為參照，分次中運(yùn)動(dòng)則以T2加權(quán)像與T1加權(quán)像晶狀體中心點(diǎn)坐標(biāo)差為參照，分別計(jì)算兩側(cè)晶狀體的左右方向(lateral，LA)、前后方向(anterior posterior，AP)、頭腳方向(superior inferior，SI)的位移大小。

為獲得大于95%的置信區(qū)間，晶狀體的計(jì)劃危及器官邊界參照下式計(jì)算：

Marginx=Max{|LA95%|，|AP95%|，|SI95%|}

Marginfinal=Max{Marginx}

其中，Marginx代表某側(cè)晶狀體分次間或分次中三個(gè)方向均達(dá)到95%置信度的位移絕對(duì)值，LA95%、AP95%、SI95%分別代表左右、前后、頭腳方向95%置信區(qū)間范圍。Marginfinal代表多個(gè)Marginx取極大值的結(jié)果。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，晶狀體位移數(shù)值為計(jì)量資料，符合正態(tài)分布，以±s表示，并計(jì)算其95%置信區(qū)間。

2 結(jié) 果

分次間運(yùn)動(dòng)結(jié)果見(jiàn)表1，分次中運(yùn)動(dòng)結(jié)果見(jiàn)表2。從數(shù)值上看，左右晶狀體三個(gè)方向分次間的數(shù)值均大于或等于分次中的數(shù)值，即晶狀體的分次間運(yùn)動(dòng)幅度大于等于分次中的幅度。晶狀體計(jì)劃危及器官的Marginfinal根據(jù)公式計(jì)算應(yīng)為1.5mm。

表1 分次間運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果(mm)Tab. 1 Results of inter-fraction movement (mm)

表2 分次中運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果(mm)Tab. 2 Results of intra-fraction movement (mm)

3 討 論

晶狀體運(yùn)動(dòng)是眼眶腫瘤放射治療中不可忽視的環(huán)節(jié)，晶狀體耐受劑量低，并可隨眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生位置變化，而位移可影響劑量并增加發(fā)生放射性白內(nèi)障的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究晶狀體在放射治療分次間與分次中的運(yùn)動(dòng)范圍具有重要意義。

盡管從圖像獲取手段而言，直接采用治療時(shí)的斷層影像如錐束CT(cone beam CT，CBCT)可能會(huì)更好地反映晶狀體位置的變化情況，但在不具備CBCT設(shè)備的條件下，應(yīng)采用何種方法獲取指導(dǎo)性數(shù)據(jù)成為一個(gè)難題。本研究以圖像配準(zhǔn)作為解決手段之一，其思路如下：CT與MRI掃描前需要分別擺位，此過(guò)程中獲取的圖像與研究放療分次間運(yùn)動(dòng)時(shí)的性質(zhì)相同；而MRI掃描中的T1加權(quán)像與T2加權(quán)像采集近似于放療中的兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，晶狀體的位移變化與研究放療分次中運(yùn)動(dòng)的過(guò)程非常符合，以過(guò)程一致性為基礎(chǔ)，獲取的數(shù)據(jù)具有可信性。在此過(guò)程中，圖像配準(zhǔn)精度是最重要的環(huán)節(jié)，配準(zhǔn)方法至關(guān)重要。常見(jiàn)的CT與MRI軟件配準(zhǔn)方法包括基于標(biāo)識(shí)點(diǎn)配準(zhǔn)、手動(dòng)配準(zhǔn)、交互信息配準(zhǔn)三種方式[4]，而交互信息方法具有速度快、主觀因素少等特點(diǎn)，使用較多。但是，由于尚無(wú)一種軟件算法可以適應(yīng)任何配準(zhǔn)情況，因此，在考量配準(zhǔn)精度時(shí)必須進(jìn)行人為判斷。盧杰等[5]的研究表明，腦部腫瘤CT-MRI配準(zhǔn)時(shí)，采用交互信息法+手動(dòng)融合的方法具有較高的融合精度?；谏鲜鲈?，筆者采用計(jì)算機(jī)交互信息算法與手工匹配相結(jié)合的方式，分別考查腦中線(xiàn)、大腦中動(dòng)脈、外輪廓、竇腔等結(jié)構(gòu)的一致性，判斷并修正配準(zhǔn)結(jié)果，以保證匹配的準(zhǔn)確性。

眼球運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括凝視、掃視和平穩(wěn)跟蹤運(yùn)動(dòng)[6]，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)值可受到疲勞程度、注意力情況、注視角度、年齡等因素的影響[7]。另外，一些眼眶病特別是甲狀腺相關(guān)眼病患者常由于眼外肌受累出現(xiàn)眼球運(yùn)動(dòng)受限[8]。本研究的入組患者眼球動(dòng)度均良好，且在自由狀態(tài)下進(jìn)行掃描，結(jié)果顯示，分次間的晶狀體運(yùn)動(dòng)幅度要大于分次中，這可能由于分次間眼球的注視參照點(diǎn)發(fā)生了變化，而分次中更容易固定在某個(gè)范圍，因此分次間晶狀體位移多小于1.5mm，而分次中則小到1.1mm。

本研究可能存在的問(wèn)題在于，分次間與分次中均表現(xiàn)出頭腳方向較為明顯的位移，其原因不能排除采集圖像時(shí)的掃描層厚所帶來(lái)的容積效應(yīng)影響，這種影響可使測(cè)得的頭腳方向運(yùn)動(dòng)位移假性增加。另外，本研究假設(shè)前提是圖像配準(zhǔn)后骨性結(jié)構(gòu)一致性，即數(shù)據(jù)結(jié)果不包含擺位誤差。

綜上，筆者認(rèn)為在眼眶腫瘤及頭頸部腫瘤放射治療實(shí)踐中，不考慮擺位誤差影響，僅以分次間與分次中運(yùn)動(dòng)范圍而論，晶狀體的計(jì)劃危及器官應(yīng)在晶狀體外增加1.5mm邊界為宜。如果可通過(guò)額外設(shè)定參照物在凝視狀態(tài)下治療，或眼球受病變影響活動(dòng)受限，則外放邊界或可適當(dāng)縮小。

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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)

(責(zé)任編輯：沈?qū)?

楊書(shū)明，工學(xué)碩士。主要從事放射治療計(jì)劃優(yōu)化與質(zhì)量保證方面的工作

100039 北京 武警總醫(yī)院腫瘤放療中心(楊書(shū)明、穆曉峰、趙衛(wèi)東、寧健)，腫瘤一科(趙水喜)

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