膀胱癌放疗中两种图像引导方法校准精度比较

闫洁诚 田龙 胡逸民

0 引言

现今，精确放疗已成为业内主导，针对无法接受手术的肌层浸润性膀胱癌患者，图像引导放疗(image guided radiotherapy，IGRT)能有效应对由膀胱充盈度或位置变化所造成的膀胱壁靶区位移，提高治疗等中心准确度并降低摆位误差[1-2]。因此，物理师可在应用IGRT技术，例如锥形束CT(cone beam CT，CBCT)技术和准确性已充分证实的靶区内置标记物追踪技术前提下[1-3]，进一步增加靶区处方剂量从而提高治疗效果，缩小计划靶区(plan tumor volume，PTV)边界从而降低正常组织、器官照射量和放射毒性[4-8]。

鉴于上述优势，CBCT已得到普遍应用。基于CBCT的图像引导方法包括正交拍照和X线容积成像扫描，两种方法在其他肿瘤治疗中应用的相关文献较多[9-12]，但在膀胱癌放疗中应用研究极少。因此，迫切需要两种方法在膀胱癌放疗中的应用研究填补空白。同时，比较两种方法的应用结果，即校准精度，并在综合考虑基层医院繁重的临床工作和有限的治疗条件后从二者中选择一种最合适的膀胱癌IGRT方法，从而进一步提高膀胱癌放疗疗效和患者生活质量，对膀胱癌治疗具有重要临床意义。

为了解决上述问题，本研究基于kV级CBCT和内置标记物，采用自研算法[13]对CBCT正交拍照图像进行处理和X线容积成像(X-ray volumetric imaging，XVI)系统自带算法进行CBCT扫描重建，分别计算两种方法在左右、腹背和头脚方向上的校准位移。最后，参考校准精度比较结果，综合考虑各种因素，权衡两种方法利弊，以期确定最合适膀胱癌的IGRT方法。

1 研究方法

1.1 研究对象

筛选2018年1月至2019年7月于河北北方学院附属第一医院放疗科接受治疗的肌层浸润性膀胱癌男性患者15例，中位年龄53岁(范围为41～63岁)。纳入标准：① 之前未接受过其他治疗；② 除膀胱外生殖泌尿系统其他器官和功能正常；③ 未置入钢钉、人工股骨头等金属器具；④ 无腹腔积液。排除标准：① 患有前列腺增生、肥大等疾病；② 身体质量指数超标；③ 患有直肠息肉、痔等不利于标记物置入术的疾病。所有患者签署知情同意书，本研究经过河北北方学院附属第一医院医学伦理委员会审核批准。

1.2 设备

配备kV级CBCT系统的医用电子直线加速器(Synergy Platform，医科达公司，瑞典)；线性金标记物(Visicoil helical，直径1 mm，长度3 mm，IBA公司，比利时)。

1.3 方法

1.3.1 治疗前准备

首先，于治疗开始前，利用膀胱镜将3枚标记物置入膀胱癌靶区中[7]，要求3枚标记物全部落于膀胱纵、横中线同侧且间距≥10 mm。之后，患者采用仰卧位行盆部扫描，范围为髂嵴到坐骨结节，除膀胱区域1 mm外，其他区域层厚3 mm，以保证靶区及标记物分辨率。要求膀胱、直肠完全排空，历次治疗状态相同。最后，采用Monaco计划系统进行计划设计。PTV处方为64 Gy/32次，每周5次。治疗模式选择容积旋转调强放疗中Pareto模式下1F2A(一野二弧)，每弧最大子野数为100。

1.3.2 CBCT正交拍照和校准

每位患者每周周一、周四分次治疗前接受CBCT正交拍照和校准。① 拍照：CBCT球管处于0°和90°时分别拍摄两张正交图像。曝光条件为管电压100 kV、总管电流80 mAs。② 校准：首先利用自研算法对两张正交图像进行处理，计算3枚标记物在左右、腹背、头脚三个方向上相对治疗等中心原点(0，0，0)坐标(Xi，Yi，Zi)，其中i为标记物编号1、2、3，并计算3枚标记物所构成的空间三角形质心坐标(Xci，Yci，Zci)，其中Xci=(X1+X2+X3)/3；Yci=(Y1+Y2+Y3)/3；Zci=(Z1+Z2+Z3)/3，如图1、图2所示。之后，利用计划CT重建包含3枚标记物的盆腔区域组织结构，并获取3枚标记物在左右、腹背、头脚3个方向上相对治疗等中心原点(0，0，0)坐标(Xj，Yj，Zj)，并按照相同方法计算三枚标记物所构成的空间三角形质心坐标(Xcj，Ycj，Zcj)。最后，计算校准位移绝对值，其中Xci,cj=|Xci-Xcj|，Yci,cj=|Yci-Ycj|，Zci,cj=|Zci-Zcj|。每位患者每周每个方向上计算获取两个数据，6周共12个数据，计算平均值Xci,cj、Yci,cj、Zci,cj。

由3枚标记物(高亮度不规则影像)相对治疗等中心(高亮度圆)原点坐标计算获取空间三角形(黑色三角形)质心(黑色圆)坐标

由3枚标记物(高亮度不规则影像)相对治疗等中心(高亮度圆)原点坐标计算获取空间三角形(黑色三角形)质心(黑色圆)坐标

1.3.3 CBCT扫描和校准

每位患者每周周一、周四分次治疗前接受CBCT扫描(顺序于CBCT正交拍照之后)和校准。① 扫描：按照顺时针方向，机架由-180°～180°进行360°扫描，采用Pelvic常规扫描模式(管电压120 kV，总管电流1689.6 mAs，滤过板F1，准直器S20，总时间2 min，总成像剂量32.2 mGy，总平片数660)。② 校准：首先利用XVI自带算法重建包含3枚标记物的盆腔区域组织结构，并计算三枚标记物在左右、腹背、头脚三个方向上相对治疗等中心原点(0，0，0)坐标(XI，YI，ZI)，其中I为标记物编号1、2、3，并计算3枚标记物所构成的空间三角形质心坐标(XcI，YcI，ZcI)，计算方法同正交拍照法。之后，利用之前计划CT重建获取的3枚标记物所构成的空间三角形质心坐标(Xcj，Ycj，Zcj)，计算校准位移绝对值，其中XcI,cj=|XcI-Xcj|，YcI,cj=|YcI-Ycj|，ZcI,cj=|ZcI-Zcj|。每位患者每周每个方向上计算获取两个数据，6周共12个数据，计算平均值：XcI,cj、YcI,cj、ZcI,cj。

1.3.4 统计学分析

1.3.5 其他临床数据

(1) 成像剂量：对患者摆位完成后，将热释光剂量仪(FJ-427型，北京核仪器公司，中国)放置于患者体中线同水平激光灯交叉处的体表表面。每次CBCT正交拍照和扫描后，使用配套热释光读出仪读取辐射剂量。

(2) 操作时间：使用秒表记录每次CBCT正交拍照及扫描全部过程时间。

2 结果

2.1 计量资料描述

计量资料描述结果如表1所示。

表1 CBCT正交拍照和扫描校准位移(单位：mm)

由表1可见，3个方向上CBCT正交拍照校准位移平均值均略大于扫描校准位移平均值。

2.2 统计学分析

15名患者3个方向上CBCT正交拍照同扫描校准位移相关性分析和配对样本t检验结果(表2)显示：① 3个方向上CBCT正交拍照同扫描校准位移呈强相关(R>0.5)，且结果具有统计学意义(P<0.05)，提示两变量适合进行配对样本t检验；② 3个方向上配对样本t检验差异无统计学意义(P>0.05)，提示两变量差异源于患者自身因素，即抽样误差。综上所述，结果提示CBCT正交拍照相比扫描校准位移略大，在精度方面稍具有劣势。

表2 三个方向上CBCT正交拍照和扫描校准位移的分析结果

2.3 其他临床数据统计

在15例患者中，12次CBCT正交拍照最大辐射剂量为0.801 mGy，最小辐射剂量为0.789 mGy，均值为(0.7944±0.0031) mGy；CBCT扫描分别为5.334、5.322、(5.3274±0.003) mGy。配对样本t检验差异有统计学意义，提示两变量差异源于方法因素，与抽样误差无关。CBCT扫描辐射剂量约为正交拍照6.71倍，远大于后者。

15名患者12次CBCT正交拍照和扫描全过程平均时间分别为42 s和103 s，CBCT扫描全过程时间约为正交拍照2.45倍，较大于后者。

尽管在校准精度上CBCT正交拍照略低于扫描，但是在临床实践中，极低的成像剂量对患者造成的额外影响远小于扫描，较短的操作时间不仅缩短了总治疗时间，防止患者于治疗过程中发生位移及其他不利于治疗的情况，从而更使得正交拍照在当前繁重的临床工作和有限的治疗条件下成为常规验证方法。因此，综上所述，CBCT正交拍照法是最合适膀胱癌的IGRT方法。

3 讨论与结论

本研究比较了CBCT正交拍照和扫描两种IGRT方法校准精度，但根本上是在比较两种图像处理算法精度，即自研算法和XVI系统自带算法。

对Random仿真人体盆腔，自研算法在加速器机头任意两个角度时，于6 mV曝光条件下进行电子射野影像装置(electronic portal imaging device，EPID)拍照，获取两张包含内置标记物的图像，之后利用Matlab编辑的算法对基于治疗等中心坐标系的两张图像进行处理，计算获取3枚标记物相对治疗等中心原点(0,0,0)空间坐标[13]。在以前的研究中，空间三角形质心校准位移平均值为左右1.189 mm、腹背0.456 mm、头脚1.078 mm，本研究为左右0.994 mm、腹背1.788 mm、头脚2.443 mm。可见空间三角形质心校准位移(精度)差距不大，主要实验条件对结果差距影响较小(例如mV级EPID拍照图像分辨率劣于kV级CBCT拍照图像，而Random仿真人体盆腔稳定性优于真人盆腔)，说明自研算法普适性良好，可应用于CBCT正交拍照图像处理。

由表2可见，3个方向上自研算法计算获取的校准位移均较大于XVI自带算法，但差距不大，差异均无统计学意义。造成上述结果的原因可能是：(1) 自研算法程序编制不够优化。(2) 基于660张反向投影图像的XVI自带算法对盆腔组织结构信息诠释更具体，内置标记物等微小目标配准良好，另外在X线容积成像扫描过程中，涵盖了靶区多个运动周期，经反投影算法重建后反映了内置标记物平均坐标，故校准精度较高。而仅基于两张正交图像的自研算法信息丢失量较大，内置标记物等微小目标配准失真，而且忽略了靶区运动周期性和内置标记物坐标平均性，故校准精度较低。

类似的结果也出现在其他研究中，例如王玮等[9]在其针对EB-PBI患者保乳术后放疗中比较了正交拍照同CBCT扫描校准精度差异，结果同样为3个方向上前者均低于后者，而且其实验得出，2D图形引导方法低估了校准误差20%～50%，信息丢失量较大，而3D扫描则显著提高了校准精度的结论。周军等[10]在其针对肺癌脑转移患者立体定向放射外科治疗相同试验中也得到了近似的结果。

另外，在李明辉等[11]针对头颈部肿瘤患者和焦升超等[12]针对病变靠近肝门处大血管，肿瘤无法完全切除时，采用靶区内置金属银环标记物的肝癌患者的随机临床试验中均比较了CBCT正交拍照与扫描校准精度，也得到了近似的结果。李明辉等[11]在Synergy Platform加速器所载kV级CBCT扫描获取的650帧图像中，提取对应0°和90°正侧位两张2D正交拍照图像，之后同数字影像重建图像(digitally reconstructed radiography，DRR)校准；焦升超等[12]利用Synergy Platform加速器XVI系统在“planner view”模式下将CBCT在0°和90°方向上获取的连续35帧2D图像合成为反映银环运动范围的正交拍照图像，之后同DRR图像校准。上述研究同本研究的差异在于2D正交拍照图像获取方式和校准对象不同，但结果是近似的，即3个方向上CBCT正交拍照校准精度均低于扫描。

尽管本研究中，CBCT正交拍照校准精度较低于扫描，但二者差距甚微，且在临床实际应用选择时仍需考虑多个因素：(1) 成像剂量。张玉海等[14]在其试验中利用德国PTW公司生产的UNIDOS E型剂量仪与30013型电离室和有机玻璃圆柱形模体详细对比了不同IGRT方法成像剂量，CBCT正交拍照在100 kV、100 mA、80 ms曝光条件下成像剂量为0.74 mGy，CBCT扫描在100 kV、20 mA、20 ms曝光条件下成像剂量为4.77 mGy，是前者6.45倍。(2) 成像时间。CBCT正交拍照全部过程大约需要1 min，CBCT扫描全部过程至少需要1.5～2 min，甚至更久[11-12]。因此，在二者差距可以接受前提下，CBCT正交拍照相比扫描更具适应基层医院繁重的临床工作和有限的治疗条件，可选择作为最合适膀胱癌的IGRT方法。

本研究仅计算了空间三角形质心相对平移位移，未计算相对旋转幅度，以后将利用六维床[15-16]对相对旋转幅度进行计算，从而优化实验结果。