李文軍，李文哲，夏宏娟，張 萌，沈宇澄，袁 芳

XVI圖像配準(zhǔn)軟件在頭頸部放療中對體位驗證的影響

李文軍，李文哲，夏宏娟，張 萌，沈宇澄，袁 芳

目的：探討XVI R4.2圖像配準(zhǔn)軟件在頭頸部擺位驗證中的應(yīng)用，為臨床治療提供參考依據(jù)。方法：抽取25例頭頸部腫瘤患者，在進(jìn)行圖像引導(dǎo)放療時均經(jīng)過電子射野影像裝置（EPID）拍攝一個采集周期內(nèi)的一組平面影像，分別采用骨性標(biāo)志物和灰度方式與計劃系統(tǒng)生成的數(shù)字重建圖像進(jìn)行配準(zhǔn)分析。結(jié)果：采用骨性標(biāo)志物方式和灰度方式在X、Y軸方向上無明顯差異，在Z軸上灰度配準(zhǔn)方式誤差較大，與骨性標(biāo)志物方式比較有統(tǒng)計學(xué)差異。結(jié)論：在利用加速器Elekta SynergyRXVI系統(tǒng)對患者頭頸部進(jìn)行擺位誤差驗證時，采用骨性標(biāo)志物配準(zhǔn)方式在垂直方向上誤差優(yōu)于灰度配準(zhǔn)方式，且時間較灰度配準(zhǔn)方式短。

放射治療；圖像配準(zhǔn)；擺位驗證；電子成像設(shè)備

0 引言

隨著放射治療技術(shù)的不斷發(fā)展和對治療效果要求的日益提高，臨床放療過程中對于患者擺位的精確程度要求也就越來越高[1]。在臨床工作中，如果出現(xiàn)擺位的疏忽，就會影響治療效果，甚至造成正常組織出現(xiàn)放射性損傷。為了提高治療過程中對患者擺位的準(zhǔn)確性，圖像引導(dǎo)放射治療（image guided radiotherapy，IGRT）的概念應(yīng)運(yùn)而生，它是將治療前擺位時或治療中采集的患者身體靶區(qū)結(jié)構(gòu)影像與計劃設(shè)計時生成的數(shù)字重建圖像作對比，從而糾正擺位，或調(diào)整射束，或修正計劃，使得治療更加安全，從而符合腫瘤放射治療劑量學(xué)要求[2]。

我院于2011年引入瑞典醫(yī)科達(dá)公司數(shù)字化直線加速器Elekta SynergyR，用于向患者提供控制劑量的致電離輻射。該系統(tǒng)配備的電子成像設(shè)備XVI（X-ray volume image，XVI），又稱為X線容積成像，它包括kV級X線源和非晶硅（a-Si）/碘化銫（CsI）輻射影像探測板。kV級X線源生成的射線，作為平面影像投影到治療床另一端的kV探測板上，運(yùn)行于XVI工作站上的XVI軟件采集影像，并存儲在工作站上，最后將平面影像集重建的容積影像與參考計劃CT影像進(jìn)行配準(zhǔn)，找到這2種影像間的位置差異。XVI為臨床放射治療提供了一個功能強(qiáng)大且比較靈活的數(shù)據(jù)采集和處理工具，采用它可以明顯改善擺位過程中出現(xiàn)的誤差，從而提高準(zhǔn)確性和治療效果。

XVI配置的圖像處理及配準(zhǔn)軟件具有自動圖像配準(zhǔn)和手動微調(diào)的功能。為充分研究其在臨床使用中的情況，我科對其中的自動配準(zhǔn)功能進(jìn)行了一系列的實(shí)驗研究，比較了不同重建方法下重建的容積影像與參考計劃CT影像的位置差異，為日常放療擺位提供有價值的誤差數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗材料

以頭頸部腫瘤放療患者為例，抽取在2013年9月至2013年11月期間，使用直線加速器ElektaSynergyR進(jìn)行IGR T治療的患者25例，均為首次接受放射治療。所有患者經(jīng)過PET-CT掃描定位后，使用XiO放療計劃系統(tǒng)（treatment plan system，TPS）進(jìn)行頭頸部聯(lián)合不規(guī)則照射野設(shè)計。同時生成相應(yīng)照射野的數(shù)字重建圖像，此圖像傳送至加速器XVI控制計算機(jī)。所有患者均采用熱塑網(wǎng)膜固定體位。

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 XVI圖像采集

患者圖像采集時，利用激光燈對準(zhǔn)PET-CT掃描定位所采用的定位標(biāo)記點(diǎn)后，采用Volume ViewTM采集模式。在此模式下，數(shù)字化機(jī)架kV源和探測板一個360°全周旋轉(zhuǎn)周期大約采集650個影像，每個影像和采集該影像時的機(jī)架角度由XVI軟件存儲，該軟件使用該數(shù)據(jù)重建由平面影像集完成的解剖結(jié)構(gòu)容積的三維影像，此3-D容積可以對比導(dǎo)入數(shù)字圖像參考影像進(jìn)行配準(zhǔn)。

1.2.2 圖像配準(zhǔn)

影像配準(zhǔn)在VolumeViewTMR egistration中執(zhí)行，在此配準(zhǔn)模式下，需要選擇參考數(shù)據(jù)即TPS中的數(shù)字影像、切片平均數(shù)值（本實(shí)驗中我們統(tǒng)一選擇5層）以及默認(rèn)的顯示模式。執(zhí)行配準(zhǔn)中存在骨、灰度值和手動3個可選配準(zhǔn)方式，手動方式主要校準(zhǔn)大致錯誤且主觀性較強(qiáng)，故在此不做討論。本研究中患者均采用骨和灰度2種方式進(jìn)行配準(zhǔn)，得到X、Y、Z（X：床橫向運(yùn)動，Y：床縱向運(yùn)動，Z：床垂直運(yùn)動）3個方向上的誤差大小。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS19軟件對實(shí)驗中所得到的2種方法在X、Y、Z軸方向上的配準(zhǔn)誤差進(jìn)行分析，計算6組數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并將2種方法在3軸上的擺位誤差分別進(jìn)行配對樣本t檢驗，比較是否存在統(tǒng)計學(xué)差異，以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，同時計算2種方法間的相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果

3個方向上配準(zhǔn)均值、標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果見表1。2種方法下同一方向上配準(zhǔn)結(jié)果比較見表2。表1中X、Y 2個方向2種方式配準(zhǔn)的結(jié)果與參考圖像誤差較小，且此2種方式配準(zhǔn)的結(jié)果近似。而Z軸方向上灰度配準(zhǔn)方式誤差相對較大，與骨配準(zhǔn)方式差別較明顯。在表2的配對檢驗分析中，2種配準(zhǔn)方式在X、Y軸上沒有明顯差別（P＞0.05），X、Y軸方向上兩者的相關(guān)系數(shù)R分別為0.966和0.842，這與表1中相關(guān)配準(zhǔn)誤差結(jié)果一致。在Z軸方向上，2種方式存在明顯差異（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)R為0.059，說明骨配準(zhǔn)方式的準(zhǔn)確性優(yōu)于灰度方式，且符合表1中Z軸方向上配準(zhǔn)結(jié)果。

表1 不同方向頭頸部配準(zhǔn)誤差均值和標(biāo)準(zhǔn)差cm

表2 不同配準(zhǔn)方法在同一方向上的擺位誤差的統(tǒng)計分析

3 討論

本研究中配準(zhǔn)是指比較重建的影像和參考計劃中的PET-CT影像的空間位置和朝向。XVI通過查找2種影像中的特征匹配來實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)，然后告知用戶二者之間的差異。使用這個差異信息重新定位精確治療床，以根據(jù)治療計劃校正患者治療位置的任何位置誤差，或者在以后使用此信息校正患者擺位的系統(tǒng)性誤差。

本實(shí)驗中的2種匹配驗證方法采用了不同的算法原理。Bone算法又叫分級斜面匹配算法，它通過最小廣義距離來尋找圖像的匹配邊界[3]。匹配通過同一場景的不同分辨率圖像的分級結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，大大降低了運(yùn)算量，使得算法簡單，相對容易實(shí)施。對于某些劇烈疼痛的患者大多難于長時間臥床保持同一姿勢，此時縮短配準(zhǔn)驗證的時間，就會大大提高患者的承受能力，增強(qiáng)治療效果。但是，此方法對于噪聲和干擾比較敏感，例如患者擺位誤差較大或者偽影

（????）（????）嚴(yán)重時，匹配結(jié)果就會出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤[4-5]。對于灰度方法，主要是根據(jù)圖像的相關(guān)性自動配準(zhǔn)射野圖像。本算法利用基于相關(guān)算子的快速傅里葉變換找到最優(yōu)配準(zhǔn)，對于平面平移和旋轉(zhuǎn)同樣適用。

在表1的實(shí)驗結(jié)果中，在X軸方向上，2種配準(zhǔn)方法所得靶區(qū)擺位誤差的均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差較小，表明在擺位過程中，床的左右移動帶來的影響較小。而Y軸方向上擺位誤差的均值差異較大，2種方法最大擺位誤差分別達(dá)到0.522 cm和0.486 cm，說明治療擺位時Y方向的調(diào)整幅度較其他2個方向明顯。實(shí)驗研究中，不同病例的個體差異明顯，對治療擺位影響較大，治療計劃的設(shè)計和實(shí)施都應(yīng)該考慮進(jìn)去，針對不同的患者，最好采用個體化的方法進(jìn)行擺位校準(zhǔn)。3個方向上的誤差值均小于1 cm。利用灰度方式在Z軸方向上誤差最大，2種方式在X和Y軸的誤差近似，說明灰度方式對于Z軸即垂直方向上影響較大。此外X和Y軸的誤差均值均在負(fù)方向，這可能和患者的體位及技師擺位的方式或者加速器的系統(tǒng)誤差有關(guān)。

表2中2種配準(zhǔn)方法在X、Y軸方向上的結(jié)果無明顯統(tǒng)計學(xué)差異，且相關(guān)系數(shù)R進(jìn)一步說明了這2種方法的相關(guān)性較高。反之，在Z軸方向上，2種方法配準(zhǔn)的結(jié)果存在明顯的統(tǒng)計學(xué)差異，且相關(guān)系數(shù)R說明兩者的相關(guān)性較低。隨著影像技術(shù)越來越先進(jìn)，醫(yī)療質(zhì)量必然會大幅提高，但不能完全依賴硬件，臨床工作經(jīng)驗也是一個重要的因素，所以在放療擺位過程中兩者需要有機(jī)地結(jié)合起來，才能達(dá)到最佳效果。

[1]戴建榮，胡逸民.圖像引導(dǎo)放療的實(shí)現(xiàn)方式[J].中華放射腫瘤學(xué)雜志，2006，15（2）：132-135.

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（收稿：2014-04-25 修回：2014-07-30）

Influence of XVI image registration software on positioning verification in head and neck radiotherapy

LI Wen-jun,LI Wen-zhe,XIA Hong-juan,ZHANG Meng,SHEN Yu-cheng,YUAN Fang
（Department of Radiotherapy,Urumqi General Hospital of Lanzhou Military Area Command,Urumqi 830000,China）

ObjectiveTo apply XVI R4.2 image registration software to the head and neck positioning verification to provide references for clinical radiotherapy.MethodsTwenty-five cases with head and neck tumors were chosen and taken shot in the whole collection period.The technology of IGRT was used in this period with EPID.Two different methods called Bone and Grey-level were implemented to register the collected image and digitally reconstructed radiograph stored in the TPS.ResultsThere was no significant difference in the X,Y axes which resulted from both Bone and Grey-level methods,while the errors on the Z axis were significantly higher than those of the other axes.Conclusion The setup errors based on Bone method in Z direction is better than that by Grey-level method.[Chinese Medical E-quipment Journal，2015，36（1）：72-73，95]

radiotherapy;image registration;positioning verification,electronic portal imaging device

R318；R445

A

1003-8868（2015）01-0072-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.072

李文軍（1973—），男，主管技師，主要從事放療精確定位、計劃優(yōu)化等方面的研究工作，E-mail：609557377@qq.com。

830000烏魯木齊，蘭州軍區(qū)烏魯木齊總醫(yī)院放療科（李文軍，李文哲，夏宏娟，張 萌，沈宇澄，袁 芳）

袁 芳，E-mail：zyyfmxj@163.com