应用四维CT进行放疗模拟定位的问题及解决方案

陈丽丽，王敏，赵紫婷，时飞跃,2，秦伟，赵环宇，魏晓为

1. 南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院） a. 肿瘤放疗中心；b. 设备处，江苏 南京 210006；2. 南京医科大学 医学物理研究中心，江苏 南京 210029

引言

胸、腹部器官的呼吸运动是影响放射治疗精确性的一个重要因素[1]。实际靶区因受到呼吸运动、心脏搏动、消化道蠕动等生理运动的影响，与计划靶区的位置存在较大差异[2-3]。近年来发展起来的四维CT（Four-Dimensional Computed Tomography，4D-CT）模拟定位技术，也可称为呼吸运动门控技术，通过红外摄像头追踪患者呼吸运动的标记模块，获得与患者呼吸波形相匹配的四维CT影像[4-6]。4D-CT较常规CT增加了时间维度，可依据患者的呼吸周期重建一组不同呼吸时相的CT图像，由此得到放疗靶区随呼吸起伏的运动幅度及范围，减少靶区漏照几率，提高肿瘤局部控制率，改善患者的生存率[7-8]。目前，4D-CT多应用于肺癌与肝癌患者的立体定向放射治疗的精确模拟定位[9-10]。然而，由于4D-CT的相关设备和技术较复杂，在放疗模拟定位的具体应用中存在诸多问题，如标记模块摆放、标记点抓取等，阻碍了该技术的进一步推广应用，但是关于上述问题及相应解决方案的相关报道较少。本文针对使用西门子CT模拟机联合瓦里安实时位置管理（Realtime Position Management，RPM）进行4D-CT放疗模拟定位中存在的问题，参照本部门的经验，介绍了具体的解决方案，供相关放疗工作人员参考。

1 仪器设备

① 西门子CT模拟机：型号为SOMATOM Sensation Open，机架孔径为82 cm，配备平板床、主机、辅机以及Vsim工作站；② 呼吸门控系统：瓦里安RPM呼吸门控系统，配备红外线摄像机、标记模块（含有两个荧光标记点）及RPM工作站（RPM软件版本为1.7）等；③ LAP激光定位系统：型号为DORADO CT3；④ 治疗计划系统：瓦里安Eclipse治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS），版本为8.6。

2 模拟定位流程和图像重建

放疗4D-CT定位的一般流程包括体模制作、患者摆位、CT扫描和图像重建四个部分。首先制模前，与病人充分沟通，根据医生要求确定合适的体位，使用热塑膜或真空垫固定患者体位，待病人完全放松后开始制模；接着，在CT扫描床上，将患者按治疗时的体位进行摆位和体位固定，并设立参考标记点，在患者胸腹部的合适位置上放置标记模块；然后，操作CT主机工作站上的程序配合RPM工作站上的软件，使用4D-CT相关的扫描协议进行4D-CT图像扫描，并采集患者的呼吸曲线；最后，将患者呼吸运动曲线导入CT主机工作站，一般重建10套不同呼吸时相的CT图像序列，传输至治疗计划系统供医生进行靶区勾画。

在图像重建时，首先要注意导入正确的患者呼吸曲线文件，导入错误的曲线文件虽然会重建但得到的是错误的CT图像；其次，在CT工作站Syngo系统的Trigger界面，选择“%Pi”的重建模式然后再选择重建某个呼吸时相的CT图像序列，在Trigger界面可以看到呼吸曲线及选择的呼吸时相在曲线中的位置；一般以10%为时相间隔，将每个呼吸周期分为10呼吸时相，即0%、10%、20%、……、90%，并重建各个时相的CT图像，若要重建其他呼吸时相（例如25%、75%等，可参阅相关文献后选择重建；最后，在Recon界面，重建任务最多有8个，重建满8个后，删除最后两个重建任务，再增加余下的两个时相的重建任务进行重建，删除重建任务不会删除相应重建好的CT图像序列。

3 应用中的问题

在进行放疗4D-CT模拟定位的实际应用中，会遇到诸多问题，部分主要问题列举如下。

（1）有些患者为了达到较好的定位效果需要使用体部热塑膜进行固定，但是如果标记模块放置在热塑膜上，则无法探测到患者的呼吸运动曲线，见图1a。

图1 热塑膜开口剪裁示意图

（2）有些患者呼吸幅度较大的部位位于胸腹部体表坡度大的区域，如果把标记模块放置在此处，则标记模块向前倾斜，有可能导致红外摄像头无法准确抓取反光点，从而无法探测到呼吸曲线，见图2c。

图2 泡沫楔形块及楔形块摆放示意图

（3）由于有些患者的呼吸运动不规律等原因，导致红外摄像头无法抓取标记模块上荧光标记点，导致4D-CT模拟定位无法进行。

（4）患者佩戴的饰物对标记点抓取会造成干扰，导致RPM工作站的软件是虽然显示了绿色方框，但是抓取的不是标记模块上的荧光标记点（图3）。

图3 患者佩戴饰物对标记点抓取的干扰

（5）有些患者的呼吸运动虽然很规律，但是呼吸幅度太小，导致虽然能够进行4D-CT扫描，但是最后无法重建或重建出错误的不同呼吸时相的CT图像序列（图4c）。有些患者的呼吸运动很不规律，导致无法进行4D-CT扫描，见图4d。

图4 四种典型的呼吸曲线截图

（6）西门子厂家给出的4D-CT扫描协议不完全符合放疗部门定位CT的要求，放疗定位技师每次进行4D-CT扫描时都要进行重新设置，耗费时间且可能会出错。

4 解决方案

针对上述放疗4D-CT模拟定位存在的问题，结合本部门工作人员的使用经验，总结了针对上述六个问题的解决方案。

4.1 制作患者热塑膜及方形开口

首先，按医嘱要求确定患者体位并进行体位固定。本文主要针对以热塑膜固定体位的患者，图1a所示为制作成型的热塑膜局部图。对于需要进行4D-CT模拟定位的患者，标记模块的放置是一个比较重要的问题。热塑膜可以在一定程度上限制患者的呼吸运动，若标记模块直接放置在热塑膜上，则无法反映出患者真实的呼吸运动，甚至得到错误的呼吸曲线。我们的解决方法是在热塑膜的局部位置进行开口，开口的位置需要根据患者的实际情况来定，一般多选择胸、腹部呼吸起伏较大的部位。然后用记号笔在热塑膜合适的位置上画一长方形标记，如图1a所示，记号笔标记的区域应略大于标记模块，接着使用剪刀或其他工具对标记区域进行裁剪，得到如图1b所示的开口，此时可尝试将标记模块放入开口中以保证标记模块随病人呼吸起伏时不会触及热塑膜开口边缘，否则再次修剪开口至合适大小。

4.2 应对体表斜坡的泡沫楔形块

对于某些体型较瘦或其他特殊原因导致的胸、腹部体表坡度较大的患者，不能直接将标记模块放置于坡度处，否则标记模块会出现向前倾斜的情况（图2c），导致摄像头无法准确抓取荧光标记点。为了应对上述体表斜坡，本文利用热丝切割机制作了两个不同角度的泡沫楔形块，如图2a和2b中的泡沫块分别对应15°和30°的楔形角度，当然泡沫楔形块的角度也可以根据患者体表斜坡进行个性化定制。实际应用时，将泡沫楔形块与标记模块进行组合，如图2d所示，放置于热塑膜开口处，为防止标记模块移位或倾倒，泡沫楔形块与标记模块之间以及泡沫楔形块与患者体表之间均使用纸胶带进行固定。

4.3 标记模块上荧光标记点无法抓取的具体解决方法

标记模块上荧光标记点无法抓取是一个比较严重的问题，这意味着后续将无法获得呼吸运动曲线，导致4D-CT模拟定位失败。在开始定位之前，需要与患者做好沟通工作，介绍4D-CT模拟定位的一般流程以及过程中需要患者配合等事宜，从而达到缓解病人紧张情绪的目的。在完成患者摆位、体位固定以及设立参考标记点之后，将标记模块固定于患者体表合适位置后，查看RPM工作站能否抓取到荧光标记点。若RPM工作站显示红色方框或无方框说明无法抓取到荧光标记点。此时可以从两个方面着手解决此问题，一方面是对患者进行呼吸训练，尽量让患者保持均匀、规律呼吸；另一方面需要重新调节和转动红外摄像头，同时观察RPM工作站是否显示出绿色方框，若显示则说明已抓取到荧光标记点。

4.4 患者佩戴饰物对标记点抓取的干扰

患者佩戴饰物对标记点抓取也会造成干扰，虽然RPM工作站也显示出绿色方框，但这并不代表就抓取到了荧光标记点，如图3所示，患者眼镜框两侧显示有高密度的白点并被绿色方框错误抓取。为预防患者佩戴饰物对标记点抓取的干扰，应当在摆位之前，及时告知病人取下眼镜、项链、耳环等金属饰品，仔细观察并确认RPM工作站抓取到正确的荧光标记点后再进行下一步的CT扫描操作。

4.5 观察评估患者的呼吸曲线

获取患者定位像后，确定扫描范围，然后观察RPM工作站上患者的呼吸曲线，待患者呼吸均匀、曲线呈一规律波形时再进行CT扫描。由于肿瘤患者大部分体质较差，且呼吸训练的效果也因人而异，因此不同肿瘤患者的呼吸曲线也存在较大差异[10]。几种典型的呼吸曲线如图4所示。图4a是比较完美的呼吸曲线，该曲线周期性较好，呼吸运动幅度较大，可以导入CT主机工作站，并重建不同时相的CT图像；图4b是较好的呼吸曲线，曲线具有周期性，呼吸运动幅度适中，后续可以导入CT主机工作站，并重建不同时相的CT图像；图4c是比较差的呼吸曲线，呈锯齿形，虽然曲线具有很好的周期性，但病人呼吸幅度小、频率高，呼吸曲线不合格，导入CT主机工作站后不能正确重建不同时相的CT图像序列。对于此类患者，若呼吸训练效果仍然不佳则无法进行4D-CT模拟定位；图4d显示的呼吸曲线前半部分还比较规律，后半部分可能由患者突然咳嗽导致呼吸曲线的无规律变化，此外患者深呼吸也会导致呼吸曲线变差。因此，在CT扫描过程中应密切关注患者的呼吸曲线，若患者呼吸曲线不佳且训练后没有改善，则不适宜采用4D-CT扫描；应告知患者在4D-CT扫描时尽量避免咳嗽等影响呼吸曲线的行为；若扫描时遇到患者咳嗽等突发情况应立即停止扫描，待患者平静之后，再考虑重新采集呼吸曲线并行CT扫描。

4.6 放疗4D-CT扫描协议的制作

为方便操作，我们制作了放疗4D-CT扫描协议模板，如图5所示，模板命名为RT_Resp_C，包括定位像（Topogram）、平扫（Throax）和呼吸门控扫描（Resp）三部分。依据该模板，首先采集患者平静呼吸状态下的平扫像，然后采集记录患者呼吸曲线后的4D-CT图像，扫描参数设置为：管电压120 kV，有效曝光量400 mAs，层厚3 mm，层间距3 mm，卷积核B30f。

图5 放疗4D-CT扫描协议模板图

5 应用效果

图6a和6b所示分别为标记模块放置在热塑膜上和热塑膜方形开口处的皮肤上的呼吸运动曲线。由图可见，标记模块放置在热塑膜上几乎看不出呼吸运动曲线，而对热塑膜进行方形开口后，患者的呼吸运动曲线能够清楚显示出来。在实际应用中，使用了泡沫楔形块后，能有效克服皮肤斜坡对标记模块的不利影响，使红外摄像头能准确抓取荧光标记点。针对由于呼吸运动不规律等原因导致的红外摄像头无法抓取标记模块上荧光标记点的问题，通过对患者进行训练，大部分患者呼吸运动的规律性有所改善；移动红外摄像头，一般横向缓慢移动，可以解决大部分无法抓取荧光标记点的问题。对图3所示患者，去除了患者金属饰物（实际那个点是患者眼镜上的金属所致）后，4D-CT放疗模拟定位可以正常进行。现在，每次做4D-CT模拟定位前，我们都对患者的呼吸运动曲线进行评估，曲线有问题的及时与医师沟通，讨论解决方法或替代方案，避免了不能或错误重建4D-CT图像的问题。放疗技师使用制作好的4D-CT扫描模板，操作更加方便，避免了定位技师不熟悉操作、手动修改参数时出现的层厚层间距不一致以及重建时相错误等问题。

图6 两种情况下某位患者呼吸运动曲线对比

6 讨论

研究表明，采用4D-CT定位的肺癌患者在治疗时靶区的移动度明显较采用非门控增强扫描定位的患者更小[11-13]。目前，使用外部替代物监测腹部或胸壁表面呼吸运动的系统包括RPM、C-RAD，GateCT等[14]，此外还有使用腹带压力传感器的呼吸运动监测系统，包括ANZAI，Bellows等[15]。除回顾性4D-CT扫描，RPM还可用于呼吸门控放射治疗[16]。门控技术通过监测呼吸运动使得射线束的放射周期与呼吸周期同步，只在呼吸过程的某一特定时相内出束进行放疗[17-18]，进一步提升均次大剂量放疗计划执行的精确性。为保证4D-CT计划执行与模拟定位的重复性，加速器机载4D-CBCT应运而生。相关研究表明，4D-CBCT能够减少自由呼吸状态下CBCT图像存在的运动伪影，降低不同观察者之间的不确定性，有一定提升靶区位置准确性的作用[19-20]。但是考虑到使用该技术所需的大量时间成本及部分患者的有限获益，目前尚未普及。

本文介绍了使用西门子CT模拟机联合瓦里安RPM系统对放疗患者进行4D-CT模拟定位中存在的六个问题及解决方案，对4D-CT的临床应用有一定的参考价值。当然本工作也有不足之处，受限于本单位的设备条件，本文仅针对西门子CT模拟机联合RPM系统的应用经验进行了表述，没有涉及其他厂家的CT模拟机联合RPM系统的应用。相信随着新技术的不断发展，放疗4D-CT模拟定位的应用会越来越普及，将会有更多肿瘤放疗患者因此受益。

7 总结

随着技术的发展进步以及先进放疗设备的不断普及，国内能够开展放疗4D-CT模拟定位的放疗部门越来越多。针对使用西门子CT模拟机联合瓦里安RPM系统进行放疗4D-CT模拟定位中存在的一些问题，结合本部门的经验和实际应用效果，本文对相应的解决方案进行了总结，包括对热塑膜做方形开口、制作泡沫楔形块、调节红外摄像头、去除金属饰品、评估患者呼吸曲线、制作放疗4D-CT扫描协议模板等。这些解决方案为放疗工作人员开展放疗4D-CT模拟定位工作提供了一些有益的参考。