四川大学华西医院图像引导放射治疗Conebeam CT使用初探

放疗科

柏森 许峰 综述

（四川省 成都市 610041 baisen2004@tfol.com 028-85422582）

 

一、影像引导系统XVI介绍

Synergy® 是一个图像引导放射治疗(IGRT)系统。该系统由Elekta® 数字化加速器和放射治疗头、治疗床和完整的图像功能组成。图像功能包括XVI（KV级影像）和iViewGT™（MV级影像）。XVI有三种KV级图像获取方式，分别是KV级运动图像MotionView™，可连续获取动态图像；KV级单幅图像PlanarView™和KV级容积图像VolumeView™（Conebeam CT,CBCT）。

XVI系统主要由KV级射线源和非晶硅图像检测板（amorphous silicon (a-Si)/cæsium iodide (CsI)）、计算机工作站及XVI软件组成。射线源和检测板两者相对，位置固定，可收回叠放。XVI在不同机架角度获取连续的一系列图像（若扫描360度，可获取约650幅图像），重建成三维容积图像，再剖成所需断面图像。XVI重建使用一系列预置参数，这些预置参数直接影响重建图像质量。检测板位置能移动，以适应不同X射线过滤板。常用三种过滤板L20、M20、S20，最大重建直径分别为500mm、410mm和270mm，在G－T方向上最大重建长度均为 276.7mm。CBCT重建参考体积为方形，容积图像在X、Y、Z方向（矢状面、横断面和冠状面）层数定义均是从0到255共256“层”（像素）；参考体积大小分别为 25.6cm3、40.0cm3、50.0cm3，相应的像素尺寸为0.100cm、0.156cm、0.200cm。CBCT的层，与CT图像中的CT层是不相同的意义。CT层输入XVI后，XVI将CT数据重建成三维数据，再按CBCT方式重新显示。在CBCT中，容积图像的CT值（CT numbers）不是指真正意义上的H值（Hounsfield units）。

 

二、CBCT的图像质量

CBCT的图像质量与扫描所采用的KV值、mAs大小、过滤方式以及重建方式有关；也与扫描过程中器官生理运动有关。图1(a)是采用120KV、43mAs、M20过滤、自由呼吸时高分辨率重建的肺癌CBCT图像；图1(b)是采用中分辨率加呼吸门控时的CBCT重建图像；图1(c)是采用高分辨率加呼吸门控后重建的图像。可以看出，图1(c)的图像质量最好。目前CBCT断层图像只适宜病人摆位，其分辨率还不能完全用于诊断。

  

      图1(a)                  图1(b)                图1(c)

 

三、CBCT使用方式

目前由于CBCT在使用方式可分为离线校正方式和在线校正方式。前者是使用低重建图像质量以提高处理速度，稍后再用高质量图像预置参数重新重建，并返回数据到治疗计划系统；后者是采用中高质量重建图像，并与预存计划图像进行对比，从而计算出摆位误差。可将CBCT图像与计划CT图像在三维空间比较位置和方向差别，通过移动治疗床来校正摆位误差。匹配方式可采用手动匹配、自动匹配（骨性匹配及软组织匹配）。在线校正方式可以在摆位结束后用CBCT扫描一次，与预存在系统中的CT图像进行匹配，调整病人位置后再用CBCT扫描一次以确定病人体位调整是否达到要求。扫描一次时间约需2至4分钟。采用中分辨率重建，约需1－2分钟（高分辨率重建时间需3－5分钟）。一般每个病人因图像引导而增加的治疗时间约为5至15分钟。我科目前对头颈部放疗病人位置误差要求在1mm以内，胸腹部在2mm以内；对大分割放疗病人摆位误差均要求在1mm以内。

XVI要求有严格的，较常规加速器额外增加的QA程序。该QA程序分为每天检查内容、每周检查内容和每月检查内容。

我科采用CBCT进行在线校正，可保证1至2mm的治疗精度，治疗计划的margin由常规5mm左右缩减到2mm，因此治疗体积明显减小，单次剂量可以提高，危及器官的DVH有明显改善，预计对肿瘤放射治疗学本身可能产生深远影响。我科多个研究小组已作了大量工作，另有单独报告。

 

四、CBCT在我科的使用情况

2006年4月，我科采用IGRT治疗了第一例肿瘤病人。病人为男性，低分化腺癌，孤立转移病灶，肿瘤大小为1.5cm×1.5cm。使用立体固定体架，病人身体下面垫真空垫固定。病人数据采用4排螺旋CT扫描，扫描层厚3mm，使用ABC呼吸门控。CTV是在GTV均匀外放3mm的margin，PTV在CTV外均匀外放3mm。计划系统是PrecisePLAN Release 2.10。采用6MV的X射线，7个共面射束进行多叶适形照射。射束采用微型多叶光栏，叶片在等中心处宽度为4mm，叶片半影小于5mm。靶区处方剂量为每次等中心的80％剂量为7Gy，14天内治疗7次，共49Gy。GTV的平均剂量为56.54Gy（55.46Gy～58.05Gy)，CTV平均剂量为56.31Gy (52.2Gy～58.12Gy)，PTV平均剂量为55.6G (39.85Gy ～50.18Gy)，最大剂量为58.18Gy。由于该病人脊髓在两年前接受过最大剂量是40Gy的照射，故本次治疗脊髓最大剂量为598cGy。采用CBCT在线校正治疗方式，CBCT扫描及治疗时采用ABC呼吸门控系统，病人屏气时间为40秒至60秒。病人第一次摆位后、校正体位后、治疗结束后分别用CBCT测量位置误差如表1所示。在三个方向上每次摆位误差分别如图2的A、B、C表示。

          表1 用CBCT测量的摆位平均绝对误差（cm）

方向

校正前

校正后

治疗结束后

左右

0.25 ± 0.07

0.09 ± 0.11

0.10 ± 0.09

上下

0.29± 0.17

0.13 ± 0.15

0.10 ± 0.09

前后

0.13 ± 0.12

0.13 ± 0.14

0.10 ± 0.10

 

                                   A

                                   B

                                   C

图2 用CBCT测量的三个方向的相对位置误差。A是左右方向；B是前后方向；C是上下方向

 

四川大学华西医院自2006年4月开始使用Synergy®，到目前约治疗70多例病人，治疗部位涵盖了头颈胸腹。使用图像引导治疗技术比常规照射技术摆位平均每次增加5－15分钟，摆位精度得到较大改善。其中一例较典型的鼻咽癌摆位误差如图3所示。病人采用头颈肩热塑面罩固定方式，每次治疗前均用CBCT扫描并进行匹配。首次摆位平均误差X方向为-1.2mm、Y方向为3.3mm、Z方向为0.4mm，最大偏差X方向为1.7mm、Y方向4.7mm、Z方向为1.4mm。校正后摆位平均误差X方向为0. 4mm、Y方向为0. 1mm、Z方向为0.1mm，最大偏差X方向为1.1mm、Y方向为1.1mm、Z方向为1.0mm。治疗结束后摆位平均误差X方向为-0.7mm、Y方向为-0.2mm、Z方向为0.0mm，最大偏差X方向为1.3mm、Y方向为2.9mm、Z方向为1.0mm。

 

    图3  典型鼻咽癌病人摆位误差

我们完成的一例较典型的肺癌摆位误差如图4所示。首次摆位平均误差X方向为-1.3mm、Y方向为-1.2mm、Z方向为1.4mm，最大偏差X方向为 3.4mm、Y方向9.5mm、Z方向为3.2mm。校正后摆位平均误差X方向为0. 2mm、Y方向为0. 0mm、Z方向为0.4mm，最大偏差X方向为 1.1mm、Y方向为0.7mm、Z方向为1.6mm。治疗结束后摆位平均误差X方向为0. 4mm、Y方向为0. 0mm、Z方向为0.6mm，最大偏差X方向为 2.1mm、Y方向为0.9mm、Z方向为2.3mm。

图4  肺癌病人摆位误差

我们完成的一例较典型的腹部肿瘤摆位误差如图5所示。首次摆位平均误差X方向为-2.0mm、Y方向为-1.4mm、Z方向为2.3mm，最大偏差X方向为 -8.3mm、Y方向-7.8mm、Z方向为-5.9mm。校正后摆位平均误差X方向为0. 1mm、Y方向为-0.2mm、Z方向为-0.3mm，最大偏差X方向为 2.2mm、Y方向为-4.2mm、Z方向为-2.1mm。

图5  腹部肿瘤治疗病人摆位误差

 

从我们目前初步结果看，腹部首次摆位平均误差和最大偏差明显大于肺癌和鼻咽癌，且每次摆位之间相差较大。校正后摆位平均误差和最大偏也大于肺癌和鼻咽癌。

 

我科许峰等进行了肺部转移癌图像引导下大分割放射治疗研究。7例肺癌治疗后肺部复发或转移患者，共计13个病灶。分割为7Gy，隔日照射，共7次。每次照射时利用容积CT技术修正三维方向误差。其结果是治疗前摆位时和计划时靶中心误差在左右、前后和头脚方向的平均误差分别为0.30 ± 0.14cm、0.22 ± 0.15cm和0.28 ± 0.21cm。调整后及治疗后误差减少。

 

五、CBCT的研究情况

我科柏森小组进行了CBCT重建精度分析研究。将形状与体积已知的模体分别置放于CBCT的不同位置进行扫描，并与普通螺旋CT中扫描结果及模体标称值进行比较，目的在于检查CBCT重建容积空间是否存在畸变。

模体选用QUASARTM Multi-Purpose Body Phantom静止模体。椭圆柱模体右边插入的圆柱形插件中包含标称体积为33.5、4.2和0.52cm3的大、中、小球；中间插入的圆柱形插件中包含标称体积为125和27cm3的大、小立方体；左边插入的圆柱形插件中包含标称体积为40cm3的楔形块。将模体中心分别置放于CBCT的中心及G－T方向偏离中心5、8、10Cm处。将CBCT重建的图像通过放疗网络传送到PrecisePLAN R2.1治疗计划系统中。用手工方式及自动方式勾画出不同重建层面上的各兴趣轮廓形状，并计算出各种形状的模体重建体积。同时与用西门子四排螺旋CT扫描进行对比。测量时保持相同的窗宽和窗位。图6显示了螺旋CT测量的各模体体积，按标称值进行归一。

     图6 螺旋CT扫描测量结果                图7  Quasar 模体大球的测量结果

 

采用CBCT进行模体扫描。模体大球、中球、小球，大立方体、小立方体测量体积结果分别如图7、7、8、9和图11所示。

图8  模体中球的测量结果                       图9 模体小球的测量结果

         图10 模体大方块的测量结果              图11 模体小方块的测量结果

图7中模体大球在加速器G－T方向偏中心10cm处的测量值与标称值相差12.7%，而中心与偏中心5、8cm三者的平均值与标称值相差仅2.1％，可能是因为模体置于偏中心10cm位置时，大球重建的部分层面已超出XVI的有效扫描重建范围，造成模体部分体积漏计，而带来较大测量误差。

     模体中球在中心与偏中心5、8cm三者的平均值与标称值相差1.5％；模体小球在中心与偏中心5、8、10cm四者的平均值与标称值相差8.1％；模体大立方体在中心与偏中心5、8、10cm四者的平均值与标称值相差0.8％；模体小立方体在XVI中心与偏中心5、8、10cm四者的平均值与标称值相差2.9％。结合图7至图11，可以认为在我们的 CBCT在有效扫描重建范围内，重建体积精度与偏离CBCT中心的距离无关。

 

 我科柏森小组还进行了CBCT均匀性分析研究。用IBA调强验证均匀固体水模体，进行 CBCT容积扫描，分析得到的CBCT重建空间CT值分布，得到三维容积空间内的均匀性。需要指明的是，目前CBCT进行容积扫描获得的容积图像的CT值还不是真正意义上的H值。

用CBCT，加M20过滤，分别采用120KV和100KV进行扫描。测量模体CT值在三个轴向上的分布分别如图12、图13和图14所示。图14中分别测量了中心轴和其它三个轴向上的分布。结果表明，我们的CBCT重建的CT值，在X、Y和Z轴方向都不是完全均匀的。从图12可以看出，重建的CT值在X轴方向上具有一定的对称性；不同KV条件下得到的CT值整体有一定差别。从图13可以看出，CBCT重建的CT值在Y轴方向上不具备对称性；不同KV条件下得到的CT值整体有较大差别。从图14可以看出，CBCT重建的CT值在Z轴方向上不具备对称性；不同的KV条件下得到的CT值整体有差别，但差别相对较小；不同Z轴位置的CT值曲线是不相同的，但120和100KV的差别趋势是相同的。

     

    图12 测量的模体CT值在X轴方向上的分布，XVI扫描电压分别采用120和100KV。

 

图13 测量的模体CT值在Y轴方向上的分布，XVI扫描电压分别采用120和100KV。

    

图14 测量的模体CT值在Z轴方向上的分布，XVI扫描电压分别采用120和100KV。

此外，选120KV扫描电压，不同的过滤条件，CBCT进行容积扫描，测量模体的CT值在三个轴向上的分布，如图15、图16和图17所示。从图中可以看出，采用不同过滤时，在X、Y和Z轴三个方向上CT值整体有明显差别；但差别的趋势是一致的；S20过滤时CBCT扫描有效范围明显小于M20过滤时的有效范围。

  

图15 M20与S20过滤时，模体           图16  M20与S20过滤时，模体

CT值在X轴方向上的比较                 CT值在Y轴方向上的比较

图17  M20与S20过滤时，模体CT值在Z轴方向上的比较

 

此外，我科其它小组还进行了许多临床及应用研究，将另文报告。

 

六、结果与结论

    CBCT的图像质量与扫描所采用的KV值、mAs大小、过滤方式以及重建方式有关；也与扫描过程中器官生理运动有关。目前CBCT断层图像只适宜病人摆位。CBCT在使用方式可分为离线校正方式和在线校正方式。一般每个病人因图像引导而增加的治疗时间约为5至15分钟。我科目前对头颈部放疗病人位置误差要求在1mm以内，胸腹部在2mm以内；对大分割放疗病人摆位误差均要求在1mm以内。我科采用CBCT进行在线校正，可保证1至2mm的治疗精度。2006年4月，我科采用IGRT治疗了第一例肿瘤病人。到目前约治疗70多例病人，治疗部位涵盖了头颈胸腹。使用图像引导治疗技术比常规照射技术摆位平均每次增加5－15分钟。腹部首次摆位平均误差和最大偏差明显大于肺癌和鼻咽癌，且每次摆位之间相差较大。校正后摆位平均误差和最大偏也大于肺癌和鼻咽癌。我科许峰等进行了肺部转移癌图像引导下大分割放射治疗研究。柏森小组进行了CBCT重建精度分析研究结果是我科的 CBCT在有效扫描重建范围内，重建体积精度与偏离CBCT中心的距离无关。柏森小组还进行了CBCT均匀性分析研究。结果是重建的CT值在X轴方向上具有一定的对称性；重建的CT值在Y轴方向上不具备对称性；重建的CT值在Z轴方向上不具备对称性；采用不同过滤时，在X、Y和Z轴三个方向上CT值整体有明显差别。我科其它小组还进行了许多临床及应用研究。