田龍，席強，趙鑫，劉月霞，張遵浩

1.河北北方學院附屬第一醫(yī)院，河北張家口075000；2.張家口教育學院臨床醫(yī)學院，河北張家口075000；3.河北醫(yī)科大學第一醫(yī)院，河北石家莊050000

前言

精確放療已成為行業(yè)內主導［1］，圖像引導放療（Image-Guided Radiation Therapy,IGRT）可有效提高膀胱癌靶區(qū)適形度和劑量，降低周圍正常組織、器官，例如直腸、前列腺等劑量［2-3］。IGRT的關鍵在于放療中、放療前確定靶區(qū)位置［4-6］，為此可利用正交X線［7］、內植電磁感應追蹤器［8］、超聲探測［9］等方法，來定位腫瘤靶區(qū)。

隨著錐形束CT（Cone Beam CT,CBCT）技術的普及和成熟，越來越多的放療科室裝備了載有CBCT的加速器［10］。多數放療科室在治療前進行CBCT 掃描，并基于軟組織或骨骼自動校準來調整每日誤差［11］。已證明膀胱癌IGRT 中，基于軟組織自動校準方法尚存不足，因此基于相鄰骨骼（例如骶骨）自動校準可能是更好的選擇［11］。在已有文獻證明基于內植標記物校準充足可靠性前提下，考慮到膀胱會因多種因素（包括直腸、膀胱充盈度變化、腸胃蠕動等）發(fā)生相對于相鄰骨骼的位移［11］。本研究以基于內植標記物手動校準為參考，比較其同基于相鄰骨骼自動校準之間準確性的差異。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

（1）西門子ARTISTE 直線加速器（裝載MV 級CBCT系統(tǒng)），如圖1所示；（2）西門子大孔徑CT模擬機，如圖2所示；（3）Visicoil金球標記物（具有良好射線不透性，直徑0.075 cm，長度1 cm），如圖3所示。

圖1 西門子ARTISTE加速器及其所載MV-CBCT成像設備Fig.1 Siemens ARTISTE accelerator and MV-cone beam computed tomography(MV-CBCT)device

圖2 西門子大孔徑模擬CTFig.2 Siemens big-bore simulation CT

圖3 Visicoil金球標記物Fig.3 Visicoil golden markers

1.2 試驗方法

（1）患者：篩選河北北方學院附屬第一醫(yī)院放療科2015年12月～2016年12月期間接受膀胱癌IGRT治療患者12 名。所有病人之前未接受包括手術、化療、激素治療等在內的任何治療。病人體征如表1所示。

表1 病人體征Tab.1 Signs of enrolled patients

（2）標記物安放：采用截石位仰臥，通過經直腸超聲引導術和細針抽吸術將標記物植入膀胱癌靶區(qū)不同的層面，如圖4所示，圖中灰色方框為物理師所設置的選擇框，白色輪廓為膀胱外輪廓，金球標記物位于靶區(qū)范圍內。標記物之間距離大于15 mm，其中7人植入1～2枚標記物，5人植入3～4枚標記物。

（3）CT 模擬：采用仰臥位，使用西門子大孔徑模擬CT進行增強掃描和重建。掃描范圍：第五腰椎到肛門，除膀胱外其他區(qū)域掃描層厚為3 mm，膀胱區(qū)域1 mm，以保證標記物可視性。其中8人接受4DCT掃描，4人接受3DCT掃描。

（4）放療：使用西門子ARTISTE直線加速器實施治療。總劑量4 500 cGy，分次20次，分次劑量225 cGy，規(guī)定達到95%的處方劑量目標。

（5）MV 級CBCT 掃描和校準：對所有病人于每日治療前進行MV級CBCT掃描，共240次，均執(zhí)行基于相鄰骨骼（骶骨）自動校準和基于內植標記物手動校準兩種方法，記錄每次校準平移差異，忽略旋轉差異。

（6）3個方向及3D空間向量差異計算：對于兩種校準結果在左右（LR）、頭腳（SI）、前后（AP）等各個方向差異，即（ΔX,ΔY,ΔZ），筆者分別使用以下公式計算［11］：

圖4 植入標記物的膀胱CBCT圖像Fig.4 CBCT images of bladder with implanted markers

其中，a代表基于內植標記物校準數據，b代表基于相鄰骨骼校準數據，每個病人共獲得20個結果，全部12名病人共獲得240 個結果。對于3D 空間向量差異，我們采用以下公式計算［11］：

（7）計劃靶區(qū)（PTV）邊界修正和重置：常規(guī)膀胱癌IMRT 中PTV 邊界是在臨床靶區(qū)（CTV）邊界基礎上外擴5～10 mm 獲得。本研究中，PTV 邊界修正和重置數值來自于基于相鄰骨骼的校準，即通過Van Herk's 統(tǒng)計學公式實現［12］。該公式保證了90%病人PTV劑量達到95%的處方劑量目標。公式如下：其中，M為某個方向上PTV的邊界；Σ為該方向上群體系統(tǒng)誤差，即所有病人基于相鄰骨骼校準和基于標記物校準之間在該方向上差異的標準差；σ是群體隨機誤差，即所有病人基于相鄰骨骼校準和基于標記物校準之間在該方向上差異的平均值。本研究計算了左右（LR）、上下（SI）和前后（AP）3個方向上的邊界。

1.3 統(tǒng)計學方法

使用SAS 統(tǒng)計學軟件回顧性分析患者在3 個方向上基于標記物和基于相鄰骨骼校準數據差異。

2 結果

2.1 各方向差異

所有病人均接受了完整的膀胱癌IGRT 治療，均未出現標記物引起的并發(fā)癥?；谙噜徆趋佬屎突跇擞浳镄试谧笥遥↙R）、上下（SI）和前后（AP）方向上差異的平均值分別為3.2、6.1 和2.6 mm，其分布如圖5～圖7所示。63 個分次（26.3%）在至少一個方向軸上出現大于10 mm的差異，137個分次（57.2%）在一個方向軸上出現大于5 mm差異。左右（LR）、上下（SI）和前后（AP）方向上最大差異分別為13、21 和12 mm。

2.2 3D空間向量差異

圖5 兩種校準在左右（LR,即X方向）方向上的240個對比結果Fig.5 The 240 comparison results for two calibrations in left-right direction(X direction)

圖6 兩種校準在頭腳（SI,即Y方向）方向上的240個對比結果Fig.6 The 240 comparison results for two calibrations in superiorinferior direction(Y direction)

圖7 兩種校準在前后（AP,即Z方向）方向上的240個對比結果Fig.7 The 240 comparison results for two calibrations in anterior-posterior direction(Z direction)

3D空間向量差異代表了絕對空間差異?；谙噜徆趋佬屎突跇擞浳镄手g3D空間向量差異平均值為8.6 mm，如圖8所示。162 個分次（67.9%）出現大于5 mm 差異，94 個分次（39.5%）出現大于10 mm 差異。

圖8 兩種方法在3D空間向量上的240個對比結果Fig.8 The 240 comparison results for two calibrations in 3D spatial vectors

2.3 PTV邊界修正和重置

膀胱癌IGRT 基于相鄰骨骼校準中，通過Van Herk's 計算出PTV 邊界應在CTV 邊界基礎上外擴：左右（LR）11 mm、上下（SI）20 mm 和前后（AP）10 mm，如表2所示。

表2 PTV修正值（mm）Tab.2 Corrected values of planning target volume(mm)

2.4 標記物數量導致的差異

內植1～2 枚標記物病人在具有顯著統(tǒng)計學特性方向上（SI，AP 和3D 空間向量，LR 不具有顯著統(tǒng)計學特性），差異明顯大于內植3～4枚標記物病人，如表3所示。

表3 標記物數量導致的差異Tab.3 Differences caused by the number of implanted markers

2.5 掃描方式導致的差異

接受4DCT 掃描病人在具有顯著統(tǒng)計學特性方向上（SI和3D空間向量，LR和AP不具有顯著統(tǒng)計學特性），差異明顯大于接受3DCT 掃描病人，如表4所示。

表4 掃描方式導致的差異Tab.4 Differences caused by scanning methods

3 討論

MV級CBCT同kV級CBCT［11］相比，由于能量過高，光電效應貢獻小，故對比度低，而且高能導致高背景噪音，也使得MV級CBCT掃描中基于軟組織灰度值校準更加困難，因此基于相鄰骨骼校準是更好的選擇，但同基于內植標記物校準相比，存在一定差異，可參考其他研究報告［7-9,12］。

通常放療計劃中PTV邊界在CTV邊界基礎上外擴5～10 mm獲得，本研究結果顯示，基于相鄰骨骼校準存在一定誤差。162 個分次（67.9%）出現大于5 mm 3D空間向量差異，若仍應用5 mm邊界，則會出現靶區(qū)劑量覆蓋不足的問題；94個分次（39.5%）出現大于10 mm 3D 空間向量差異，若仍應用10 mm 邊界，則會出現輸出劑量無法達到要求的情況，這是由于直腸等組織體積變化所造成，且膀胱本身充盈度也容易發(fā)生變化，從而導致其位移和形變，并出現差異。

基于內植標記物校準準確真實地反映了靶區(qū)位置，使得群組回顧性分析（Van Herk's 公式）所獲得的11、20 和10 mm（分別為LR、SI 和AP 方向）邊界均降低至2 mm（近似成像系統(tǒng)固有誤差），這樣得到最小PTV外擴邊界。內植1～2枚標記物病人差異大于3～4枚病人原因為標記物數量越多，處理旋轉誤差能力越強，故可以修正旋轉誤差的六維機床是解決問題的關鍵［13］。接受4DCT 掃描病人差異大于3DCT 掃描病人原因為4DCT 掃描更精確地考慮了標記物在多個呼吸循環(huán)周期中的平均位置，更真實地反映標記物的實際位置，因此得到結果對比差異會更大［14］。

本課題之前研究了膀胱癌IGRT 中利用kV 級CBCT，基于軟組織灰度值校準同基于內植標記物校準的比較［11］，結果兩種方法在3D 空間向量、左右（LR）、頭腳（SI）、前后（AP）上差異平均值分別為6.5、0.3、4.5 和16.7 mm，同本研究8.6、3.2、6.1 和2.6 mm的結果相比差異較大，進一步證明膀胱癌IGRT中就準確性來說，基于相鄰骨骼校準優(yōu)于基于軟組織灰度值校準。而且，骨骼和內植標記物在MV 和kV 級CBCT平片上均可獲得良好可視性，故在不具備內植標記物的條件下，膀胱癌IGRT中基于相鄰骨骼校準不失為任何一種CBCT 模式下更優(yōu)的選擇。不同模式之間主要差異為軟組織可視度差別。

雖然基于內植標記物校準是最準確的，但其本身帶有一定手術風險和額外醫(yī)療成本，并不適合普及，因此還需要開發(fā)其他圖像分析、計算方法。Zhang等［15］和張基永等［16］提出劑量校準新算法，即通過CBCT掃描獲得模擬劑量分布，同計劃CT所生成的劑量分布對比，從而實現校準；Fidanzio等［17-18］和Michael等［19］均提出基于CBCT劑量病人自適應校準算法，提高了準確度且更符合自適應放療要求；Robles等［20］通過超聲圖像定位骨骼和其他器官，或許未來可將其應用于放療，從而在治療過程中實時了解興趣器官同骨骼之間的位置關系，實現多圖像聯合校準。

4 結論

膀胱癌IGRT 中常用的基于相鄰骨骼自動校準在準確度上劣于基于膀胱內植標記物手動校準。通過群組回顧性分析得到的新PTV邊界至少在90%分次治療中可足夠滿足靶區(qū)覆蓋要求，這對于降低基于相鄰骨骼校準誤差影響，甚至保證沒有圖像引導下的常規(guī)IMRT治療準確性至關重要。同時，編制新算法提高基于相鄰骨骼自動校準準確度，利用新圖像分析方式實現多種圖像聯合校準，避免內植標記物給病人帶來的手術風險和經濟負擔是未來研究的趨勢。