锥形束CT图像引导在头颈部及胸腹部肿瘤放射治疗中的应用

【摘要】：[目的]:应用直线加速器机载千伏级锥形束CT(cone beam computed tomography,CBCT)系统,分别探讨头颈部、胸部及腹部肿瘤的最佳配准方式和外放间距。并深入研究图像引导鼻咽癌调强适形放射治疗(intensity modulated radiation therapy,IMRT)过程中,腮腺及颌下腺因解剖学变化导致的剂量变化,以及脊髓、脑干、视神经和视交叉等危及器官在治疗过程中实际剂量的变化,分析其对治疗的影响。 [材料与方法]:医科达Synergy IGRT直线加速器分别治疗头颈部肿瘤患者22例,胸部肿瘤患者20例,腹部肿瘤患者20例,其中头颈部肿瘤治疗前5次及此后每周1次治疗前后行CBCT扫描,胸腹部肿瘤每次治疗前后均行CBCT扫描,重建获得的CBCT图像与原计划CT图像进行配准,比较骨性配准、灰度值配准及手动配准间的差异。分析X、Y、Z轴方向的平移误差及旋转误差,初步探讨我科CTV外放边界大小。13例Ⅱ～Ⅵ期接受IMRT首程治疗的鼻咽癌患者,治疗过程中每周治疗前进行1次千伏级CBCT扫描,每次扫描的CBCT图像均与其原始计划CT图像进行可变形融合,在融合的CT图像上勾画双侧腮腺及颌下腺轮廓,并测量腮腺及颌下腺体积变化,通过移植原始治疗计划到融合CT上,重新计算剂量-体积直方图(Dose-Volume Histogram,DVH),获取腮腺及颌下腺每周平均剂量变化和累积剂量变化,从而分析其剂量变化与解剖学变化的关系。同时根据13例鼻咽癌患者的X、Y、Z轴方向的平移摆位误差,并在治疗计划系统中通过等中心移位来模拟摆位误差,重新计算剂量来评价未行在线校位与校位后对脊髓、脑干、视神经和视交叉等危及器官IMRT剂量分布的影响。 [结果]:22例头颈部肿瘤患者治疗前共行229次CBCT扫描,手动配准、骨性配准、灰度值配准在X轴的平移误差分别为0.04±0.16cm、-0.05±0.15 cm、-0.03±0.14 cm,在Y轴的平移误差分别为0.05±0.15 cm、-0.01±0.14 cm、-0.01±0.15 cm,在Z轴的平移误差分别为0.04±0.16 cm、-0.02±0.14 cm、-0.02±0.15 cm;X轴的旋转误差分别为0.13±0.97°、-0.28±0.91°、0.36±0.83°,在Y轴的旋转误差分别为0.20±1.87°、0.08±2.04°、0.09±2.06°,在Z轴的旋转误差分别为0.13±1.09°、0.06±1.05°、0.09±1.12°;三种配准方式下摆位误差校正前X轴方向的CTV外放边界分别为3.64 mm、3.68 mm、3.68 mm,Y轴方向的CTV外放边界分别为3.27 mm、3.28 mm、3.22 mm,Z轴方向的CTV外放边界分别为3.17 mm、3.37 mm、3.32 mm,摆位误差校正后X轴方向的CTV外放边界分别为1.44mm、1.46 mm、1.49 mm,Y轴方向的CTV外放边界分别为1.50 mm、1.34mm、1.21mm,Z轴方向的CTV外放边界分别为1.59 mm、1.69 mm、1.47 mm,其中骨性配准与灰度值配准结果无统计学差异,二者与手动配准的摆位误差结果有明显差异。20例胸部肿瘤患者治疗前共行384次CBCT扫描,手动配准、骨性配准、灰度值配准在X轴的平移误差分别为0.01±0.29cm、0.04±0.31 cm、-0.02±0.28 cm,在Y轴的平移误差分别为0.11±0.41 cm、0.12±0. 45 cm、0.09±0.41 cm,在Z轴的平移误差分别为-0.11±0.23 cm、-0.05±0.22 cm、-0.08±0.23 cm;X轴的旋转误差分别为0.61±1.09°、0.34±1.44°、0.66±1.28°,在Y轴的旋转误差分别为0.06±0.83°、0.04±1.89°、0.16±1.6°,在Z轴的旋转误差分别为-0.17±1.45°、-0.19±1.53°、-0.13±1.45°;三种配准方式下摆位误差校正前X轴方向的CTV外放边界分别为6.04mm、6.78mm、5.53mm,Y轴方向的CTV外放边界分别为9.89mm、8.78mm、8.93mm,Z轴方向的CTV外放边界分别为5.81mm、6.22mm、5.89mm,摆位误差校正后X轴方向的CTV外放边界分别为2.97 mm、3.57 mm、1.62 mm,Y轴方向的CTV外放边界分别为2.9mm、4.14 mm、1.74mm,Z轴方向的CTV外放边界分别为2.37 mm、3.53 mm、和1.7 mm,统计结果显示手动配准、骨性配准和灰度值配准三种方式之间存在明显的差异。20例腹部肿瘤患者治疗前共行282次CBCT扫描,手动配准、骨性配准、灰度值配准在X轴的平移误差分别为-0.02±0.27cm、-0.04±0.28cm、-0.03±0.27cm,在Y轴的平移误差分别为0.08±0.46cm、0.11±0.48cm、0.09±0.48 cm,在Z轴的平移误差分别为-0.01±0.28 cm、-0.02±0.28cm、-0.02±0.28cm;X轴的旋转误差分别为0.57±1.78°、0. 73±2.17°、0.67±1.98°,在Y轴的旋转误差分别为0.15±1.24°、0.12±1.51°、0.23±1.47°,在Z轴的旋转误差分别为0.05±0.92°、0.02±1.02°、0.18±1.04°;三种配准方式下摆位误差校正前X轴方向的CTV外放边界分别为6.04mm、6.78mm、5.53mm,Y轴方向的CTV外放边界分别为9.89mm、8.78mm、8.93mm,Z轴方向的CTV外放边界分别为5.81mm、6.22mm、5.89mm,摆位误差校正后X轴方向的CTV外放边界分别为2.57 mm、3.86 mm、2.69 mm,Y轴方向的CTV外放边界分别为4.79mm、4.65 mm、2.8mm,Z轴方向的CTV外放边界分别为3.42 mm、3.61 mm、和3.3mm,统计结果显示其中骨性配准与灰度值配准结果无统计学差异,二者与手动配准的摆位误差结果有明显差异。 13例鼻咽癌患者放疗结束时,腮腺体积缩小了17.64%～61.6%,每治疗分次腮腺平均剂量中位值比计划剂量平均增加0.29 Gy,累积实际剂量比计划剂量平均高16.27%,实际接受≥26Gy剂量的腮腺体积(V26)比计划值高11.31%～45.02%。颌下腺体积缩小了6.46%～61.82%,每治疗分次颌下腺平均剂量中位值比计划剂量平均增加0.05 Gy,累积实际剂量比计划剂量平均高1.07%,是否照射同侧Ⅰb区淋巴结对颌下腺平均剂量的改变无显著影响。腮腺及颌下腺剂量变化的大小与体重下降明显相关。 13例鼻咽癌患者摆位误差纠正前后除视交叉外,脊髓、脑干和视神经最大剂量改变不明显,校正后脊髓最大剂量平均降低1.08%,脑干最大剂量降低1.85%,左侧视神经增加约0.11%,右侧视神经降低约1.41%;视交叉最大剂量明显降低,降低约2.47%。摆位误差校正后比校正前明显改善了危及器官剂量。 [结论]:头颈部、胸部及腹部肿瘤患者行三维适形或调强放疗时具有一定的摆位误差。基于CBCT图像分析的在线摆位校正能明显减小摆位误差,并有助于缩小CTV外放,系统的三种配准方式无法相互替代,需要根据病变具体部位选择配准方式,建议自动配准后必要时结合手动微调,直到配准结果符合要求。在鼻咽癌调强放射治疗过程中,因治疗过程中解剖学变化的影响,腮腺及颌下腺实际剂量明显高于计划剂量。通过将每周扫描的千伏级锥形束CT图像与计划CT相互融合,可以动态观察腮腺及颌下腺的解剖学变化以及由此导致的剂量差异,同时每次治疗前的摆位校正能有效减少摆位误差及对脊髓、脑干、视神经、视交叉等危及器官剂量分布的影响,为个体化自适应放射治疗的研究提供一定的依据。