張羽祺，葛云，蔡晶，儲(chǔ)開岳，金建華，葛斌斌，陳穎，黃曉林，李偉峰

1.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210023；2.南通市腫瘤醫(yī)院放射科，江蘇南通226300

前言

放射治療的主要目的是利用射線照射殺死腫瘤細(xì)胞，同時(shí)盡可能保護(hù)周邊的健康組織和器官免受或者少受射線的照射［1-3］。對(duì)于鼻咽癌患者，調(diào)強(qiáng)放射治療具有很大的優(yōu)勢(shì)，然而腫瘤周邊重要器官居多，這對(duì)放射治療的位置和精度提出了極高的要求。尤其在分次治療過程中，準(zhǔn)確且可靠的患者擺位對(duì)于放射治療中射線劑量的輸送至關(guān)重要［4-5］。錐形束CT（CBCT）是安裝在直線加速器上用于圖像引導(dǎo)治療的三維成像設(shè)備，相比于其他類別的CT，CBCT 對(duì)于骨骼、關(guān)節(jié)等硬組織結(jié)構(gòu)的成像效果好，對(duì)比明顯，所以CBCT也被認(rèn)為是全身各部位放射治療擺位的可靠衡量標(biāo)準(zhǔn)。但是，考慮到成像的輻射劑量較大，患者通常每周進(jìn)行一次CBCT，但是人體各局部可能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者移動(dòng)，所以分次間存在不確定度。此外，基于CBCT 的擺位驗(yàn)證需要經(jīng)過CT 模擬定位、勾畫靶區(qū)、設(shè)計(jì)治療計(jì)劃、首次擺位、CBCT掃描和糾正擺位誤差等步驟，過程較為繁瑣［6］。另一方面，在過去幾十年中，癌癥患者的數(shù)量逐步增多，對(duì)放射治療的需求不斷增加，這對(duì)治療設(shè)備的工作效率和可靠性提出了極高的要求。因此，對(duì)于放射治療過程中擺位精度的研究具有非常重要的意義［7-8］。國(guó)內(nèi)外的研究者們嘗試了基于光學(xué)的擺位驗(yàn)證系統(tǒng)，該方法相較于傳統(tǒng)的CT 定位具有高效、無輻射和易操作等特點(diǎn)［9-11］。SentinelTM監(jiān)控與擺位驗(yàn)證系統(tǒng)，CatalystTM和AlignRT 采用3D 光學(xué)表面定位及追蹤技術(shù)［12］，結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)患者的三維輪廓進(jìn)行掃描并且重建，并與CT 掃描得到的輪廓對(duì)比來進(jìn)行配準(zhǔn)擺位。其中Sentinel 系統(tǒng)獲取參考影像的時(shí)間與治療時(shí)間間隔較長(zhǎng)，其等中心與實(shí)際治療等中心會(huì)存在偏差，且Sentinel 影像分辨率相較于Catalyst 系統(tǒng)低，計(jì)劃系統(tǒng)生成影像不能直接顯示患者體表輪廓，而且由于掃描層厚、重建精度等影響，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)偏差［13］。SentinelTM、CatalystTM、AlignRT 系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)體表輪廓相對(duì)位置，患者在治療床上躺下后，受呼吸運(yùn)動(dòng)、胃容量大小、膀胱充盈度等影響，患者腹背方向上的數(shù)據(jù)會(huì)存在誤差［14-15］。結(jié)合先前的研究工作，南京大學(xué)自主研發(fā)的放療紅外定位系統(tǒng)（Optical Positioning System,OPS）是一種在放射治療中使用且以醫(yī)用直線加速器為輻射源的超高精度定位系統(tǒng)。OPS 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及實(shí)施跟蹤技術(shù)可以將患者腫瘤中心精準(zhǔn)擺位到加速器等中心上，達(dá)到精確擺位和精準(zhǔn)放療的目的。本文基于南京大學(xué)自主研發(fā)的OPS系統(tǒng)，研究其和CBCT及室內(nèi)激光定位系統(tǒng)擺位精度的差異性。

1 材料與方法

1.1 病例選擇

隨機(jī)選取南通市腫瘤醫(yī)院2018年4月～11月收治的鼻咽癌調(diào)強(qiáng)放射治療患者21 例，其中，男13 例，女8 例，年齡25～78 歲，中位年齡58 歲?；颊邔?duì)治療方案均知情同意，且得到醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 材料設(shè)備

采用Elekta SynergyTMIGRT 加速器機(jī)載千伏級(jí)CBCT 和圖像采集系統(tǒng)與圖像處理系統(tǒng)（XVI）；Philips Bigbore CT 模擬定位機(jī)；Philips Pinnacle39.0放射治療計(jì)劃系統(tǒng)；西門子MRI；IBA COMPASS3D驗(yàn)證系統(tǒng)；OPS-08A型放療紅外定位系統(tǒng)。

1.3 OPS

OPS根據(jù)定位球定位腫瘤中心的位置，擺位誤差為腫瘤中心實(shí)時(shí)坐標(biāo)和已注冊(cè)的加速器等中心坐標(biāo)之間的偏差值。

1.3.1 等中心注冊(cè)等中心依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為機(jī)架與治療床旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)。使用固定在機(jī)架或治療床上的定位球記錄旋轉(zhuǎn)軌跡，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)軌跡計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸，兩條旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)即為等中心點(diǎn)。

1.3.2 腫瘤中心定位OPS 坐標(biāo)系和CT 坐標(biāo)系之間的變換矩陣T是根據(jù)紅外監(jiān)控系統(tǒng)建立的，它將OPS坐標(biāo)系中的點(diǎn)映射到CT坐標(biāo)系中，如下所示：

其中，PCT是在CT 圖像中定義的定位球的坐標(biāo)，POPS是在OPS 坐標(biāo)系中紅外相機(jī)捕捉的定位球的位置。A是由旋轉(zhuǎn)角度定義的矩陣，D是一個(gè)三維向量，它的3 個(gè)維度分別表示左右、頭腳和腹背3 個(gè)方向上的位移。實(shí)際應(yīng)用中，我們采用6 對(duì)點(diǎn)（CT 坐標(biāo)系下的6 個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)和OPS 坐標(biāo)系下的6 個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)）對(duì)轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化過程采用的是貪心算法，參數(shù)優(yōu)化后得到的矩陣為T。利用變換矩陣T將OPS 系統(tǒng)下等中心的坐標(biāo)COPS轉(zhuǎn)換到CT 坐標(biāo)系下，求得等中心坐標(biāo)CCT。CTumor是放療師根據(jù)CT 模擬圖像勾畫靶區(qū)確定的腫瘤中心的位置，擺位誤差E表示等中心坐標(biāo)CCT和腫瘤中心坐標(biāo)CTumor之間的差值，這是一個(gè)三維向量，分別表示兩者在左右、頭腳和腹背3個(gè)方向上的擺位誤差。由于變換矩陣T構(gòu)建兩個(gè)坐標(biāo)系之間的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，從而快速有效地計(jì)算了實(shí)時(shí)擺位誤差，指導(dǎo)放療高效準(zhǔn)確進(jìn)行。

1.4 患者擺位

本文研究OPS在放療擺位中的應(yīng)用，與CBCT的擺位驗(yàn)證進(jìn)行對(duì)比。圖1 顯示了鼻咽癌患者放療擺位的總體工作流程，具體步驟如下：放療患者仰臥在治療床上，采用制作好的頭頸肩熱塑膜固定，利用室內(nèi)激光定位系統(tǒng)在熱塑膜上畫十字線，然后在熱塑膜上固定6 個(gè)定位球，為了更好地定位腫瘤中心，定位球在左右、頭腳和腹背3 個(gè)方向上呈不對(duì)稱分布。治療時(shí)再次對(duì)放療患者進(jìn)行固定，使頭頸、鼻尖、下頜骨和肩部等身體部位與先前定位時(shí)的頭頸肩熱塑膜相吻合，患者擺位與模擬定位時(shí)一致。首次擺位時(shí)，將室內(nèi)激光定位系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)熱塑膜上的十字線標(biāo)記進(jìn)行初次擺位，然后執(zhí)行CBCT 掃描驗(yàn)證擺位誤差，根據(jù)CBCT 驗(yàn)證結(jié)果移動(dòng)治療床，接著OPS 系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)跟蹤熱塑膜上的定位球，根據(jù)先前記錄的定位球和腫瘤中心之間的相對(duì)位置計(jì)算實(shí)時(shí)的擺位誤差。在本文的研究中，將CBCT 配準(zhǔn)結(jié)果作為評(píng)估OPS系統(tǒng)擺位精度的標(biāo)準(zhǔn)，公式如下：

其中，Elaser是室內(nèi)激光定位系統(tǒng)的擺位誤差，EOPS是本文提出的OPS 擺位誤差，RCBCT表示初次擺位后通過CBCT 檢測(cè)到的擺位誤差，ROPS表示經(jīng)過CBCT 驗(yàn)證并微調(diào)后OPS檢測(cè)到的實(shí)時(shí)擺位誤差。

圖1 鼻咽癌患者放療擺位的總體工作流程Fig.1 Overall workflow of the positioning in nasopharyngeal carcinoma radiotherapy

1.5 評(píng)估方法

在臨床擺位研究中，當(dāng)與頭頸部的CBCT檢測(cè)到的擺位誤差小于2.0 mm 時(shí)，可以進(jìn)行放射治療，否則患者位置需要調(diào)整，直到滿足要求為止。關(guān)于兩種方法之間的一致性比較，當(dāng)特定方法與CBCT在頭頸部的擺位誤差相差不超過2.0 mm 時(shí)，則認(rèn)為該方法的擺位結(jié)果與CBCT 一致。在本研究中定義“91%～100%”為幾乎完全一致，“81%～90%”為高度一致，“71%～80%”為中等一致，“61%～70%”為一般一致，低于60%被定義為較低一致。

2 結(jié)果

OPS 和室內(nèi)激光定位系統(tǒng)在鼻咽癌放療擺位中與CBCT 的一致性（一致性標(biāo)準(zhǔn)為±2.0 mm）表現(xiàn)如下：OPS 系統(tǒng)在左右方向（用x 軸表示）與CBCT 的擺位一致性為95.2%，即幾乎完全一致；OPS 系統(tǒng)在腹背方向（用y 軸表示）與CBCT 的擺位一致性為71.4%，表現(xiàn)為中等一致；OPS 系統(tǒng)在頭腳方向（用z軸表示）與CBCT 的擺位一致性為100.0%，即幾乎完全一致。室內(nèi)激光定位系統(tǒng)在左右方向（用x 軸表示）與CBCT 的擺位一致性為66.7%，即一般一致；室內(nèi)激光定位系統(tǒng)在腹背方向（用y 軸表示）與CBCT的擺位一致性為71.4%，表現(xiàn)為中等一致；室內(nèi)激光定位系統(tǒng)在頭腳方向（用z 軸表示）與CBCT 的擺位一致性為33.3%，即較低一致。

圖2 表示鼻咽癌患者在x 軸（左右）、y 軸（腹背）和z 軸（頭腳）的擺位誤差。紅色虛線表示OPS 檢測(cè)到的擺位誤差的平均值，藍(lán)色虛線表示室內(nèi)激光定位系統(tǒng)的擺位誤差的平均值，黑色虛線表示兩種方法的誤差范圍為2.0 mm。對(duì)于鼻咽癌，OPS 在左右方向和頭腳方向與CBCT的擺位偏差很小，幾乎完全一致；在腹背方向上表現(xiàn)出中等的一致性。

圖2 21例鼻咽患者在x軸（左右）、y軸（腹背）和z軸（頭腳）的擺位誤差Fig.2 Positioning errors of 21 patients with nasopharyngeal carcinoma in x(left-right),y(superior-inferior)and z(anterior-posterior)directions

為了研究腹背方向呈現(xiàn)的差異性，隨機(jī)抽取一例差異表現(xiàn)較大的病人，圖3 顯示了該患者CT 圖像的正視圖和側(cè)視圖，圖中的紅球?yàn)橛?jì)劃腫瘤中心，圖4 顯示了該患者CBCT 圖像的正視圖和側(cè)視圖，圖中紅球?yàn)镃BCT 配準(zhǔn)找到的計(jì)劃腫瘤中心。CBCT 使用的是剛性配準(zhǔn)，它將頸椎上的參考點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)計(jì)劃CT圖像來定位腫瘤位置，保證其擺位準(zhǔn)確性的前提是計(jì)劃腫瘤中心應(yīng)該和實(shí)際腫瘤組織之間呈剛性或準(zhǔn)剛性結(jié)構(gòu)，但是鼻咽癌腫瘤位于鼻咽區(qū)域，相對(duì)頸椎明顯可以發(fā)生運(yùn)動(dòng)，計(jì)劃腫瘤中心和腫瘤組織之間呈現(xiàn)出非剛性結(jié)構(gòu)。而由OPS 進(jìn)行的配準(zhǔn)和頸椎骨的彎曲無關(guān)，它可以準(zhǔn)確地定位鼻咽癌腫瘤位置，即使對(duì)于細(xì)微的頸椎骨彎曲變化，OPS仍然可以實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)和精準(zhǔn)的擺位。綜上所述，CBCT 和OPS 在腹背方向的中等一致性基本是由頸椎骨的彎曲引起的，OPS 在鼻咽癌擺位精度方面比CBCT 更具優(yōu)勢(shì)。值得注意的是，在擺位耗時(shí)方面，OPS 大概需要30 s，而CBCT 擺位大約需要10～15 min，而且OPS 是智能化擺位，和擺位專家的水平無關(guān)。

3 討論

放射治療已經(jīng)進(jìn)入精準(zhǔn)放療時(shí)代，腫瘤中心的定位和患者擺位的精確度是提高放射治療質(zhì)量的重要前提，也是殺死腫瘤細(xì)胞提高治療效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文對(duì)OPS 系統(tǒng)在鼻咽癌放射治療方面進(jìn)行擺位精度的研究，將其和室內(nèi)激光定位系統(tǒng)及CBCT進(jìn)行比較，結(jié)果顯示OPS在擺位精度方面與CBCT在總體上表現(xiàn)出很高的一致性。

對(duì)于常規(guī)的放療患者，需要在首次擺位之后使用CBCT進(jìn)行內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證以計(jì)算擺位誤差，對(duì)于誤差超過一定范圍的情況則需要手動(dòng)配準(zhǔn)。由于成像劑量的影響，患者一般一周使用一次CBCT以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)擺位，并且患者在治療過程中無法使用CBCT［16-17］。而本文提出的OPS 系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)擺位驗(yàn)證，并且?guī)缀醪徽加妙~外時(shí)間，分次間治療時(shí)不需要頻繁使用CBCT進(jìn)行精準(zhǔn)擺位，避免患者受到不必要的輻射劑量，在一定程度上提高了患者治療的擺位精度和治療安全性。

室內(nèi)激光定位系統(tǒng)采用3 個(gè)方向的激光十字線進(jìn)行定位，任何一個(gè)十字投影激光線的偏差都有可能導(dǎo)致較大的擺位誤差。相比之下，OPS采用自由式配準(zhǔn)技術(shù)，具有較高的抗干擾能力［18］。另一方面，CBCT 在使用過程中比較依賴使用人員的技術(shù)水平，由于人員的使用經(jīng)驗(yàn)、身體疲勞程度、判斷力和工作時(shí)間等因素都有可能對(duì)結(jié)果造成影響，而OPS 主要依賴計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能化擺位，由人員操作帶來的誤差幾乎忽略不計(jì)。

總的來說，OPS在鼻咽癌放射治療擺位方面非常有效，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、快速的患者擺位，其擺位結(jié)果與CBCT 有較高的一致性。對(duì)于放療的患者而言，OPS在滿足放射治療精度的情況下，還能具有如下特點(diǎn)：減少輻射劑量，實(shí)時(shí)監(jiān)控患者的擺位誤差，降低放療擺位時(shí)間成本，提高治療效率，增強(qiáng)治療安全性。

圖3 某患者的CT正視和側(cè)視圖Fig.3 CT front view and side view of a patient

圖4 同一例患者的CBCT正視和側(cè)視圖Fig.4 CBCT front view and side view of the same patient