影像引导放射治疗(IGRT)使用千伏级X射线锥形束CT(CBCT)成像方法测定摆位误差并在线修正,已成为降低放射治疗分次间和分次内摆位误差的常用方法^{[1, 2, 3, 4]}。基于X射线容积图像 (XVI)技术的CBCT技术可以获得具有丰富解剖结构的三维实时摆位图像,与计划CT图像精确配准。医科达XVI成像技术中同一解剖部位成像扫描具有标准扫描模式(机架转速180°/min)和快速扫描模式(机架转速360°/min)两种,其快速扫描模式成像速度是标准扫描模式的两倍,获取的图像帧幅数目和成像所受剂量均为标准扫描模式的二分之一,因此,应用快速扫描模式可大幅减少患者受照剂量、缩短成像时间。通过回顾性分析,本研究探讨两种不同扫描模式在胸腹部肿瘤放射治疗摆位误差测定中的差异,分析应用快速扫描模式进行摆位误差测定和在线修正的可行性。

资料与方法

1. 临床资料:回顾性分析2013年10月8日至2014年11月8日,行容积旋转调强放疗(VMAT)50例患者的两种不同CBCT扫描模式,各50组图像资料,男性24例,女性26例,年龄35~76岁,中位年龄61岁。胸部肿瘤患者26例,其中,肺癌22例,胸腺癌4例;腹部肿瘤患者24例,其中,前列腺癌10例,肝癌5例,宫颈癌9例。所有患者均在首次放射治疗前行CBCT。

2. 摆位固定和模拟定位:所有患者均采用美国Civco公司生产的碳纤维底板体部固定架及热塑膜固定。使用荷兰Philip公司生产的Brilliance Big Bore CT模拟定位扫描CT图像,电压120 kV,探测器的准直器0.75 mm,螺距0.982,层厚3 mm,间隔3 mm,视野(FOV)500 mm,矩阵512×512,扫描范围均根据医嘱要求,有个体差异。

3. 计划设计和传输:使用荷兰核通公司生产的Oncentra放射治疗计划系统设计VMAT治疗计划,将放疗计划CT图像及靶区传至Mosaiq网络系统中心服务器。

4. XVI图像获取与配准:患者摆位完成后,在瑞典医科达AXESSE型加速器配备的Mosaiq工作站上加载参考图像,胸腹部患者标准扫描模式和快速扫描模式预设扫描参数均为:电压120 kV,准直器M20,滤线栅F1,FOV 500 mm,矩阵512×512。首先,采用360°标准扫描模式(机架转速180°/min),机架顺时针方向(-180°~+180°)扫描。为减少患者分次内移动,尽量减少两次扫描间隔时间,在标准模式扫描结束后立即进行逆时针方向(+180°~-180°)快速模式扫描(机架转速360°/min),所有患者均进行标准扫描模式和快速扫描模式扫描,对应分组为快速模式组和标准模式组。两种模式下图像扫描重建完成后,均与计划CT图像进行摆位误差配准,配准区域为PTV及其外周约3 cm以内组织器官,采用Clipbox灰度算法自动配准6个自由度摆位误差。

5. 图像质量评价:图像质量由1名放疗医生、1名物理师和1名技术员采用主观质量评分法(MOS)对快速模式组和标准模式组各50组图像分别进行评分,5分为最高分。

6. 统计学处理:数据以 ± s表示,图像质量评分数据以平均值表示。采用SPSS 17.0软件对数据进行处理,标准模式组和快速模式组所得的摆位误差数据比较采用t检验,采用Pearson双变量相关性分析和Kappa一致性检验,r≥0.95为显著相关,P < 0.05为差异有统计学意义,Kappa≥0.75为具有满意一致性。

结 果

1. 摆位误差:两种不同扫描模式摆位误差统计结果列于表1。50例胸腹部肿瘤患者共计100次CBCT扫描配准结果统计显示,标准模式组和快速模式组在x、y、z轴平移和旋转方向摆位误差的差值分别为(0.2±0.2)、(-0.6±0.4)和(-0.2±0.3)mm,(0.2±0.1)°、(0.0±0.1)°和(0.1±0.1)°。扫描配准结果平移误差最大差值为y轴0.8 mm,旋转方向最大差值为x轴0.4°。两组结果之间配对检验结果显示,标准模式组和快速模式组之间的差异无统计学意义(P>0.05)。

表 1

表 1 两种扫描模式的摆位误差( ± s )

表 1 两种扫描模式的摆位误差( ± s )

2. 两种扫描模式图像配准相关性和一致性检验:两组图像配准的摆位误差数据结果Pearson法相关性分析显示,相关性系数x、z轴平移方向和3个旋转方向均显著相关(r=0.96、0.98、0.97、0.96、0.96,P＜0.01),y轴平移方向r值高度相关(r=0.92,P＜0.01)。Kappa一致性检验结果显示,两组图像配准的摆位误差数据结果Kappa一致性检验,Kappa系数分别为0.89、0.82、0.92、0.91、0.94、0.87,均＞0.75,具有较满意的一致性。

3. 图像质量评分:放疗医生、物理师和放疗技师分别对50例患者两种不同扫描模式各50组图像进行MOS评分,MOS结果进行平均值统计,在标准模式下放疗医生、物理师和放疗技师图像质量评分分别为3.9、4.1和3.8分,在快速模式下放疗医生、物理师和放疗技师图像质量评分分别为3.6、4.0和3.8分。结果显示,两种不同扫描模式图像质量评分接近,差异无统计学意义(P＞0.05)。

讨 论

图像引导放射治疗的CBCT容积图像技术主要有3个关注焦点:成像时间、成像剂量和不同配准方法的配准精度。在运用千伏级X射线锥形束CT(kV-CBCT)技术进行IGRT时,成像过程中患者的额外受照剂量为国内外学者所关注,Létourneau等^[5]应用医科达基于XVI技术的kV-CBCT对一个直径为32 cm的人体仿真模体进行研究,在每一次容积成像扫描过程中,等中心和皮肤表面受照剂量分别为2.8~4.4 cGy。Islam等^[6]运用相同的CBCT技术在一个柱状模体上研究发现,每次成像不同深度处点剂量范围为1.6~2.3 cGy。放疗日常摆位验证和误差修正中,kV-CBCT所产生的受照剂量会使二次肿瘤发生率提高至4%^[7],应用CBCT进行图像采集和图像重建会增加治疗时间,会增加分次内体位变化的风险^{[8, 9]},减少CBCT图像采集时间可以减少患者分次内体位变化风险。在肿瘤放射治疗中用于IGRT成像的kV-CBCT产生的受照剂量不可忽视,必须尽可能降低图像引导所致的受照剂量,因此,研究快速扫描模式的临床应用具有非常重要的临床价值。

本研究通过回顾性研究分析配准结果显示,快速模式组与标准模式组的摆位误差结果差异无统计学意义(P>0.05)。在Pearson法相关性分析显示两者之间具有非常高的相关性(r=0.92~0.98,P＜0.01)。Kappa一致性检验显示两者具有满意的一致性(Kappa=0.82~0.94)。两组不同扫描模式配准结果中,平移方向误差的最大差值为0.8 mm,出现在y轴,且y轴平移方向r值较小,高度相关且差异具有统计学意义,其余5个自由度均为显著相关且差异具有统计学意义,笔者认为虽然两组CBCT都包括了数个呼吸周期的运动图像,但不能准确记录匹配呼吸幅度和频率的变量,且最大误差的差值出现在y轴,因此,呼吸运动应该是可能的最大误差来源,其次的误差来源是系统误差。标准扫描模式采集的图像数据量达到660帧,是一种临床常规运用且被广泛认可的CBCT扫描模式,本研究结果显示,快速扫描模式与标准扫描模式采集的图像在与计划CT进行摆位误差配准中没有差异,两者之间具有很高的相关性和较满意的一致性。

快速扫描模式虽然在成像时间和成像剂量上具有很大优势,但其获取数据量仅为标准扫描模式的一半,重建图像质量能否满足临床观察需求也需要进一步探讨研究,Kowatsch 等^[10]研究发现,在同等机架转速下kV-CBCT半圈扫描(200°,366帧)和整圈扫描(360°,660帧)图像质量具有高度相关性和一致性,半圈扫描重建图像质量相对于整圈扫描并没有变差。在最新的研究中,Ung等^[11]也认为半圈扫描相对于整圈扫描虽然数据量和扫描角度减少,但并不会使图像质量恶化。快速扫描模式相对于标准扫描模式区别也在于数据量的减少,本研究两组图像质量评分结果平均值差距较小,差异无统计学意义(P＞0.05),评分者均认为快速模式图像质量相对于标准模式图像质量没有明显变差,主观上不影响图像观察分析。

鉴于快速扫描模式在成像剂量和成像时间上的优势,且图像质量并没有明显变差,结合配准结果统计分析,本研究结果认为在胸腹部肿瘤放射治疗中,可以使用锥形束CT快速扫描模式进行摆位误差测定和在线修正。