應(yīng)用四維CT進(jìn)行放療模擬定位的問題及解決方案

陳麗麗，王敏，趙紫婷，時(shí)飛躍,2，秦偉，趙環(huán)宇，魏曉為

1. 南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院（南京市第一醫(yī)院） a. 腫瘤放療中心；b. 設(shè)備處，江蘇 南京 210006；2. 南京醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)物理研究中心，江蘇 南京 210029

引言

胸、腹部器官的呼吸運(yùn)動(dòng)是影響放射治療精確性的一個(gè)重要因素[1]。實(shí)際靶區(qū)因受到呼吸運(yùn)動(dòng)、心臟搏動(dòng)、消化道蠕動(dòng)等生理運(yùn)動(dòng)的影響，與計(jì)劃靶區(qū)的位置存在較大差異[2-3]。近年來發(fā)展起來的四維CT（Four-Dimensional Computed Tomography，4D-CT）模擬定位技術(shù)，也可稱為呼吸運(yùn)動(dòng)門控技術(shù)，通過紅外攝像頭追蹤患者呼吸運(yùn)動(dòng)的標(biāo)記模塊，獲得與患者呼吸波形相匹配的四維CT影像[4-6]。4D-CT較常規(guī)CT增加了時(shí)間維度，可依據(jù)患者的呼吸周期重建一組不同呼吸時(shí)相的CT圖像，由此得到放療靶區(qū)隨呼吸起伏的運(yùn)動(dòng)幅度及范圍，減少靶區(qū)漏照幾率，提高腫瘤局部控制率，改善患者的生存率[7-8]。目前，4D-CT多應(yīng)用于肺癌與肝癌患者的立體定向放射治療的精確模擬定位[9-10]。然而，由于4D-CT的相關(guān)設(shè)備和技術(shù)較復(fù)雜，在放療模擬定位的具體應(yīng)用中存在諸多問題，如標(biāo)記模塊擺放、標(biāo)記點(diǎn)抓取等，阻礙了該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，但是關(guān)于上述問題及相應(yīng)解決方案的相關(guān)報(bào)道較少。本文針對(duì)使用西門子CT模擬機(jī)聯(lián)合瓦里安實(shí)時(shí)位置管理（Realtime Position Management，RPM）進(jìn)行4D-CT放療模擬定位中存在的問題，參照本部門的經(jīng)驗(yàn)，介紹了具體的解決方案，供相關(guān)放療工作人員參考。

1 儀器設(shè)備

① 西門子CT模擬機(jī)：型號(hào)為SOMATOM Sensation Open，機(jī)架孔徑為82 cm，配備平板床、主機(jī)、輔機(jī)以及Vsim工作站；② 呼吸門控系統(tǒng)：瓦里安RPM呼吸門控系統(tǒng)，配備紅外線攝像機(jī)、標(biāo)記模塊（含有兩個(gè)熒光標(biāo)記點(diǎn)）及RPM工作站（RPM軟件版本為1.7）等；③ LAP激光定位系統(tǒng)：型號(hào)為DORADO CT3；④ 治療計(jì)劃系統(tǒng)：瓦里安Eclipse治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS），版本為8.6。

2 模擬定位流程和圖像重建

放療4D-CT定位的一般流程包括體模制作、患者擺位、CT掃描和圖像重建四個(gè)部分。首先制模前，與病人充分溝通，根據(jù)醫(yī)生要求確定合適的體位，使用熱塑膜或真空墊固定患者體位，待病人完全放松后開始制模；接著，在CT掃描床上，將患者按治療時(shí)的體位進(jìn)行擺位和體位固定，并設(shè)立參考標(biāo)記點(diǎn)，在患者胸腹部的合適位置上放置標(biāo)記模塊；然后，操作CT主機(jī)工作站上的程序配合RPM工作站上的軟件，使用4D-CT相關(guān)的掃描協(xié)議進(jìn)行4D-CT圖像掃描，并采集患者的呼吸曲線；最后，將患者呼吸運(yùn)動(dòng)曲線導(dǎo)入CT主機(jī)工作站，一般重建10套不同呼吸時(shí)相的CT圖像序列，傳輸至治療計(jì)劃系統(tǒng)供醫(yī)生進(jìn)行靶區(qū)勾畫。

在圖像重建時(shí)，首先要注意導(dǎo)入正確的患者呼吸曲線文件，導(dǎo)入錯(cuò)誤的曲線文件雖然會(huì)重建但得到的是錯(cuò)誤的CT圖像；其次，在CT工作站Syngo系統(tǒng)的Trigger界面，選擇“%Pi”的重建模式然后再選擇重建某個(gè)呼吸時(shí)相的CT圖像序列，在Trigger界面可以看到呼吸曲線及選擇的呼吸時(shí)相在曲線中的位置；一般以10%為時(shí)相間隔，將每個(gè)呼吸周期分為10呼吸時(shí)相，即0%、10%、20%、……、90%，并重建各個(gè)時(shí)相的CT圖像，若要重建其他呼吸時(shí)相（例如25%、75%等，可參閱相關(guān)文獻(xiàn)后選擇重建；最后，在Recon界面，重建任務(wù)最多有8個(gè)，重建滿8個(gè)后，刪除最后兩個(gè)重建任務(wù)，再增加余下的兩個(gè)時(shí)相的重建任務(wù)進(jìn)行重建，刪除重建任務(wù)不會(huì)刪除相應(yīng)重建好的CT圖像序列。

3 應(yīng)用中的問題

在進(jìn)行放療4D-CT模擬定位的實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)遇到諸多問題，部分主要問題列舉如下。

（1）有些患者為了達(dá)到較好的定位效果需要使用體部熱塑膜進(jìn)行固定，但是如果標(biāo)記模塊放置在熱塑膜上，則無法探測(cè)到患者的呼吸運(yùn)動(dòng)曲線，見圖1a。

圖1 熱塑膜開口剪裁示意圖

（2）有些患者呼吸幅度較大的部位位于胸腹部體表坡度大的區(qū)域，如果把標(biāo)記模塊放置在此處，則標(biāo)記模塊向前傾斜，有可能導(dǎo)致紅外攝像頭無法準(zhǔn)確抓取反光點(diǎn)，從而無法探測(cè)到呼吸曲線，見圖2c。

圖2 泡沫楔形塊及楔形塊擺放示意圖

（3）由于有些患者的呼吸運(yùn)動(dòng)不規(guī)律等原因，導(dǎo)致紅外攝像頭無法抓取標(biāo)記模塊上熒光標(biāo)記點(diǎn)，導(dǎo)致4D-CT模擬定位無法進(jìn)行。

（4）患者佩戴的飾物對(duì)標(biāo)記點(diǎn)抓取會(huì)造成干擾，導(dǎo)致RPM工作站的軟件是雖然顯示了綠色方框，但是抓取的不是標(biāo)記模塊上的熒光標(biāo)記點(diǎn)（圖3）。

圖3 患者佩戴飾物對(duì)標(biāo)記點(diǎn)抓取的干擾

（5）有些患者的呼吸運(yùn)動(dòng)雖然很規(guī)律，但是呼吸幅度太小，導(dǎo)致雖然能夠進(jìn)行4D-CT掃描，但是最后無法重建或重建出錯(cuò)誤的不同呼吸時(shí)相的CT圖像序列（圖4c）。有些患者的呼吸運(yùn)動(dòng)很不規(guī)律，導(dǎo)致無法進(jìn)行4D-CT掃描，見圖4d。

圖4 四種典型的呼吸曲線截圖

（6）西門子廠家給出的4D-CT掃描協(xié)議不完全符合放療部門定位CT的要求，放療定位技師每次進(jìn)行4D-CT掃描時(shí)都要進(jìn)行重新設(shè)置，耗費(fèi)時(shí)間且可能會(huì)出錯(cuò)。

4 解決方案

針對(duì)上述放療4D-CT模擬定位存在的問題，結(jié)合本部門工作人員的使用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了針對(duì)上述六個(gè)問題的解決方案。

4.1 制作患者熱塑膜及方形開口

首先，按醫(yī)囑要求確定患者體位并進(jìn)行體位固定。本文主要針對(duì)以熱塑膜固定體位的患者，圖1a所示為制作成型的熱塑膜局部圖。對(duì)于需要進(jìn)行4D-CT模擬定位的患者，標(biāo)記模塊的放置是一個(gè)比較重要的問題。熱塑膜可以在一定程度上限制患者的呼吸運(yùn)動(dòng)，若標(biāo)記模塊直接放置在熱塑膜上，則無法反映出患者真實(shí)的呼吸運(yùn)動(dòng)，甚至得到錯(cuò)誤的呼吸曲線。我們的解決方法是在熱塑膜的局部位置進(jìn)行開口，開口的位置需要根據(jù)患者的實(shí)際情況來定，一般多選擇胸、腹部呼吸起伏較大的部位。然后用記號(hào)筆在熱塑膜合適的位置上畫一長(zhǎng)方形標(biāo)記，如圖1a所示，記號(hào)筆標(biāo)記的區(qū)域應(yīng)略大于標(biāo)記模塊，接著使用剪刀或其他工具對(duì)標(biāo)記區(qū)域進(jìn)行裁剪，得到如圖1b所示的開口，此時(shí)可嘗試將標(biāo)記模塊放入開口中以保證標(biāo)記模塊隨病人呼吸起伏時(shí)不會(huì)觸及熱塑膜開口邊緣，否則再次修剪開口至合適大小。

4.2 應(yīng)對(duì)體表斜坡的泡沫楔形塊

對(duì)于某些體型較瘦或其他特殊原因?qū)е碌男?、腹部體表坡度較大的患者，不能直接將標(biāo)記模塊放置于坡度處，否則標(biāo)記模塊會(huì)出現(xiàn)向前傾斜的情況（圖2c），導(dǎo)致攝像頭無法準(zhǔn)確抓取熒光標(biāo)記點(diǎn)。為了應(yīng)對(duì)上述體表斜坡，本文利用熱絲切割機(jī)制作了兩個(gè)不同角度的泡沫楔形塊，如圖2a和2b中的泡沫塊分別對(duì)應(yīng)15°和30°的楔形角度，當(dāng)然泡沫楔形塊的角度也可以根據(jù)患者體表斜坡進(jìn)行個(gè)性化定制。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將泡沫楔形塊與標(biāo)記模塊進(jìn)行組合，如圖2d所示，放置于熱塑膜開口處，為防止標(biāo)記模塊移位或傾倒，泡沫楔形塊與標(biāo)記模塊之間以及泡沫楔形塊與患者體表之間均使用紙膠帶進(jìn)行固定。

4.3 標(biāo)記模塊上熒光標(biāo)記點(diǎn)無法抓取的具體解決方法

標(biāo)記模塊上熒光標(biāo)記點(diǎn)無法抓取是一個(gè)比較嚴(yán)重的問題，這意味著后續(xù)將無法獲得呼吸運(yùn)動(dòng)曲線，導(dǎo)致4D-CT模擬定位失敗。在開始定位之前，需要與患者做好溝通工作，介紹4D-CT模擬定位的一般流程以及過程中需要患者配合等事宜，從而達(dá)到緩解病人緊張情緒的目的。在完成患者擺位、體位固定以及設(shè)立參考標(biāo)記點(diǎn)之后，將標(biāo)記模塊固定于患者體表合適位置后，查看RPM工作站能否抓取到熒光標(biāo)記點(diǎn)。若RPM工作站顯示紅色方框或無方框說明無法抓取到熒光標(biāo)記點(diǎn)。此時(shí)可以從兩個(gè)方面著手解決此問題，一方面是對(duì)患者進(jìn)行呼吸訓(xùn)練，盡量讓患者保持均勻、規(guī)律呼吸；另一方面需要重新調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)紅外攝像頭，同時(shí)觀察RPM工作站是否顯示出綠色方框，若顯示則說明已抓取到熒光標(biāo)記點(diǎn)。

4.4 患者佩戴飾物對(duì)標(biāo)記點(diǎn)抓取的干擾

患者佩戴飾物對(duì)標(biāo)記點(diǎn)抓取也會(huì)造成干擾，雖然RPM工作站也顯示出綠色方框，但這并不代表就抓取到了熒光標(biāo)記點(diǎn)，如圖3所示，患者眼鏡框兩側(cè)顯示有高密度的白點(diǎn)并被綠色方框錯(cuò)誤抓取。為預(yù)防患者佩戴飾物對(duì)標(biāo)記點(diǎn)抓取的干擾，應(yīng)當(dāng)在擺位之前，及時(shí)告知病人取下眼鏡、項(xiàng)鏈、耳環(huán)等金屬飾品，仔細(xì)觀察并確認(rèn)RPM工作站抓取到正確的熒光標(biāo)記點(diǎn)后再進(jìn)行下一步的CT掃描操作。

4.5 觀察評(píng)估患者的呼吸曲線

獲取患者定位像后，確定掃描范圍，然后觀察RPM工作站上患者的呼吸曲線，待患者呼吸均勻、曲線呈一規(guī)律波形時(shí)再進(jìn)行CT掃描。由于腫瘤患者大部分體質(zhì)較差，且呼吸訓(xùn)練的效果也因人而異，因此不同腫瘤患者的呼吸曲線也存在較大差異[10]。幾種典型的呼吸曲線如圖4所示。圖4a是比較完美的呼吸曲線，該曲線周期性較好，呼吸運(yùn)動(dòng)幅度較大，可以導(dǎo)入CT主機(jī)工作站，并重建不同時(shí)相的CT圖像；圖4b是較好的呼吸曲線，曲線具有周期性，呼吸運(yùn)動(dòng)幅度適中，后續(xù)可以導(dǎo)入CT主機(jī)工作站，并重建不同時(shí)相的CT圖像；圖4c是比較差的呼吸曲線，呈鋸齒形，雖然曲線具有很好的周期性，但病人呼吸幅度小、頻率高，呼吸曲線不合格，導(dǎo)入CT主機(jī)工作站后不能正確重建不同時(shí)相的CT圖像序列。對(duì)于此類患者，若呼吸訓(xùn)練效果仍然不佳則無法進(jìn)行4D-CT模擬定位；圖4d顯示的呼吸曲線前半部分還比較規(guī)律，后半部分可能由患者突然咳嗽導(dǎo)致呼吸曲線的無規(guī)律變化，此外患者深呼吸也會(huì)導(dǎo)致呼吸曲線變差。因此，在CT掃描過程中應(yīng)密切關(guān)注患者的呼吸曲線，若患者呼吸曲線不佳且訓(xùn)練后沒有改善，則不適宜采用4D-CT掃描；應(yīng)告知患者在4D-CT掃描時(shí)盡量避免咳嗽等影響呼吸曲線的行為；若掃描時(shí)遇到患者咳嗽等突發(fā)情況應(yīng)立即停止掃描，待患者平靜之后，再考慮重新采集呼吸曲線并行CT掃描。

4.6 放療4D-CT掃描協(xié)議的制作

為方便操作，我們制作了放療4D-CT掃描協(xié)議模板，如圖5所示，模板命名為RT_Resp_C，包括定位像（Topogram）、平掃（Throax）和呼吸門控掃描（Resp）三部分。依據(jù)該模板，首先采集患者平靜呼吸狀態(tài)下的平掃像，然后采集記錄患者呼吸曲線后的4D-CT圖像，掃描參數(shù)設(shè)置為：管電壓120 kV，有效曝光量400 mAs，層厚3 mm，層間距3 mm，卷積核B30f。

圖5 放療4D-CT掃描協(xié)議模板圖

5 應(yīng)用效果

圖6a和6b所示分別為標(biāo)記模塊放置在熱塑膜上和熱塑膜方形開口處的皮膚上的呼吸運(yùn)動(dòng)曲線。由圖可見，標(biāo)記模塊放置在熱塑膜上幾乎看不出呼吸運(yùn)動(dòng)曲線，而對(duì)熱塑膜進(jìn)行方形開口后，患者的呼吸運(yùn)動(dòng)曲線能夠清楚顯示出來。在實(shí)際應(yīng)用中，使用了泡沫楔形塊后，能有效克服皮膚斜坡對(duì)標(biāo)記模塊的不利影響，使紅外攝像頭能準(zhǔn)確抓取熒光標(biāo)記點(diǎn)。針對(duì)由于呼吸運(yùn)動(dòng)不規(guī)律等原因?qū)е碌募t外攝像頭無法抓取標(biāo)記模塊上熒光標(biāo)記點(diǎn)的問題，通過對(duì)患者進(jìn)行訓(xùn)練，大部分患者呼吸運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性有所改善；移動(dòng)紅外攝像頭，一般橫向緩慢移動(dòng)，可以解決大部分無法抓取熒光標(biāo)記點(diǎn)的問題。對(duì)圖3所示患者，去除了患者金屬飾物（實(shí)際那個(gè)點(diǎn)是患者眼鏡上的金屬所致）后，4D-CT放療模擬定位可以正常進(jìn)行。現(xiàn)在，每次做4D-CT模擬定位前，我們都對(duì)患者的呼吸運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行評(píng)估，曲線有問題的及時(shí)與醫(yī)師溝通，討論解決方法或替代方案，避免了不能或錯(cuò)誤重建4D-CT圖像的問題。放療技師使用制作好的4D-CT掃描模板，操作更加方便，避免了定位技師不熟悉操作、手動(dòng)修改參數(shù)時(shí)出現(xiàn)的層厚層間距不一致以及重建時(shí)相錯(cuò)誤等問題。

圖6 兩種情況下某位患者呼吸運(yùn)動(dòng)曲線對(duì)比

6 討論

研究表明，采用4D-CT定位的肺癌患者在治療時(shí)靶區(qū)的移動(dòng)度明顯較采用非門控增強(qiáng)掃描定位的患者更小[11-13]。目前，使用外部替代物監(jiān)測(cè)腹部或胸壁表面呼吸運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)包括RPM、C-RAD，GateCT等[14]，此外還有使用腹帶壓力傳感器的呼吸運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括ANZAI，Bellows等[15]。除回顧性4D-CT掃描，RPM還可用于呼吸門控放射治療[16]。門控技術(shù)通過監(jiān)測(cè)呼吸運(yùn)動(dòng)使得射線束的放射周期與呼吸周期同步，只在呼吸過程的某一特定時(shí)相內(nèi)出束進(jìn)行放療[17-18]，進(jìn)一步提升均次大劑量放療計(jì)劃執(zhí)行的精確性。為保證4D-CT計(jì)劃執(zhí)行與模擬定位的重復(fù)性，加速器機(jī)載4D-CBCT應(yīng)運(yùn)而生。相關(guān)研究表明，4D-CBCT能夠減少自由呼吸狀態(tài)下CBCT圖像存在的運(yùn)動(dòng)偽影，降低不同觀察者之間的不確定性，有一定提升靶區(qū)位置準(zhǔn)確性的作用[19-20]。但是考慮到使用該技術(shù)所需的大量時(shí)間成本及部分患者的有限獲益，目前尚未普及。

本文介紹了使用西門子CT模擬機(jī)聯(lián)合瓦里安RPM系統(tǒng)對(duì)放療患者進(jìn)行4D-CT模擬定位中存在的六個(gè)問題及解決方案，對(duì)4D-CT的臨床應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。當(dāng)然本工作也有不足之處，受限于本單位的設(shè)備條件，本文僅針對(duì)西門子CT模擬機(jī)聯(lián)合RPM系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了表述，沒有涉及其他廠家的CT模擬機(jī)聯(lián)合RPM系統(tǒng)的應(yīng)用。相信隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，放療4D-CT模擬定位的應(yīng)用會(huì)越來越普及，將會(huì)有更多腫瘤放療患者因此受益。

7 總結(jié)

隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步以及先進(jìn)放療設(shè)備的不斷普及，國(guó)內(nèi)能夠開展放療4D-CT模擬定位的放療部門越來越多。針對(duì)使用西門子CT模擬機(jī)聯(lián)合瓦里安RPM系統(tǒng)進(jìn)行放療4D-CT模擬定位中存在的一些問題，結(jié)合本部門的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用效果，本文對(duì)相應(yīng)的解決方案進(jìn)行了總結(jié)，包括對(duì)熱塑膜做方形開口、制作泡沫楔形塊、調(diào)節(jié)紅外攝像頭、去除金屬飾品、評(píng)估患者呼吸曲線、制作放療4D-CT掃描協(xié)議模板等。這些解決方案為放療工作人員開展放療4D-CT模擬定位工作提供了一些有益的參考。