可兼容磁共振模擬定位的新型體位固定裝置在頭頸部放療中的應(yīng)用

【作 者】胡臻堯，李光俊，柏森

四川大學(xué)華西醫(yī)院放療科，成都市，610041

0 引言

現(xiàn)階段隨著CT、MRI等影像技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，放射治療也逐漸轉(zhuǎn)向了“三精”（精確定位、精確設(shè)計(jì)、精確照射）模式，所以需要更優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量，精確的計(jì)劃優(yōu)化和準(zhǔn)確的靶區(qū)定位。

現(xiàn)在放療臨床方面使用的影像技術(shù)多為CT和MRI，兩者相比，MRI能夠更好地滿足現(xiàn)在放療的需求，MRI可從功能解剖等多個(gè)方面反應(yīng)腫瘤的臨床生物學(xué)特性，同時(shí)MRI具有較高的軟組織分辨率和無(wú)額外輻射劑量的特點(diǎn)，減少對(duì)人體造成的損傷。然而普通磁共振并不滿足放療擺位。

隨著磁共振技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)了放療專用的MRI模擬定位機(jī)。這種放療模擬定位機(jī)在臨床上掃描時(shí)使用的是放療專用線圈，解決了普通頭頸聯(lián)合線圈與放療擺位裝置不兼容的問(wèn)題。然而使用放療表面線圈掃描所得圖像質(zhì)量經(jīng)校準(zhǔn)后仍然差于使用普通頭頸聯(lián)合線圈所成圖像，不能滿足現(xiàn)階段功能磁共振圖像質(zhì)量使用的要求[1]。

為了解決上述問(wèn)題，本研究研發(fā)了可兼容頭頸聯(lián)合線圈的新型放療輔助固定裝置，裝置分為兩個(gè)部分，頭肩模架（用于制模、CT模擬定位、治療）和體位固定板（用于MR模擬定位），如圖1、圖2所示。本實(shí)驗(yàn)研究了新型固定裝置與頭頸聯(lián)合線圈相結(jié)合應(yīng)用于放療專用磁共振模擬定位機(jī)臨床治療的可行性。

圖1 頭肩模架Fig.1 Head and shoulders mold base

圖2 體位固定板 Fig.2 Position fixed plate

1 材料和方法

1.1 入組患者一般情況

本研究選取腦轉(zhuǎn)移和鼻咽癌患者，首次行頭部腫瘤放射治療，入選標(biāo)準(zhǔn) ：①所有病例均經(jīng)病理證實(shí)；② 有完整、清晰的CT及MRI資料，且患者均于入院后放療前一周完成掃描，掃描體位及相關(guān)參數(shù)按融合要求設(shè)定。排除標(biāo)準(zhǔn)：①M(fèi)RI掃描體位與CT掃描體位明顯不一致者；② 有明顯偽影者。

1.2 體位固定和制模

所有患者均采取仰臥位，使用熱塑膜和新型頭肩模架進(jìn)行體位固定和制模。

1.3 模擬定位

1.3.1 CT模擬定位

CT模擬定位體位與體位固定時(shí)相同，使用熱塑膜和新型頭肩模架固定后行C T 定位掃描，使用128排SIMENS CT（SOMATOM Definition AS+）模擬定位機(jī)，使用常規(guī)頭頸序列掃描，掃描參數(shù)為120 kV，250 mA，螺距＝0.8，F(xiàn)OV=388 mm，層厚＝3 mm，掃描范圍從顱頂至第三頸椎。將掃描得到的CT圖像傳至Raystation放療計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行放射治療計(jì)劃并將此定位CT圖像作為治療使用的CBCT參考圖像。

1.3.2 MR模擬定位

定位前將體位固定板嵌入并固定在頭頸聯(lián)合線圈內(nèi)，患者體位與體位固定時(shí)一致，呈仰臥位。將頭部放置于體位固定板上，再覆蓋制模時(shí)的熱塑膜固定頭部，保持體位的穩(wěn)定性后使用頭頸聯(lián)合線圈行磁共振模擬定位掃描，掃描使用的3 T GE（Discovery 750 W）磁共振模擬定位機(jī)，掃描參數(shù)為T1 軸位：TE=3.4 ms，TR=8.9 ms，層厚＝3 mm，F(xiàn)OV=27 cm×27 cm，激勵(lì)次數(shù)＝2，帶寬＝27.78 kHz；T2 軸位：TE=88 ms，層厚＝3 mm，F(xiàn)OV=27 cm×27cm，激勵(lì)次數(shù)＝2.5，帶寬＝62.5 kHz。將獲取的MR圖像傳至放療計(jì)劃系統(tǒng)（Raystation計(jì)劃系統(tǒng)），用于CT和MR圖像配準(zhǔn)和靶區(qū)勾畫(huà)。

1.4 靶區(qū)勾畫(huà)和放療計(jì)劃優(yōu)化

放療醫(yī)生通過(guò)CT和MR圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，并結(jié)合CT和MR圖像影像學(xué)信息，在CT圖像上勾畫(huà)腫瘤靶區(qū)和危及器官，并制定放療計(jì)劃。

由放療物理師在Raystation計(jì)劃系統(tǒng)上進(jìn)行治療計(jì)劃設(shè)計(jì)，計(jì)劃優(yōu)化條件與常規(guī)放療計(jì)劃相同。每個(gè)病例設(shè)計(jì)兩個(gè)放療計(jì)劃：Plan-為頭肩模架輪廓未納入劑量計(jì)算的計(jì)劃，Plan+為將頭肩模架輪廓納入劑量計(jì)算的計(jì)劃。并且兩個(gè)放療計(jì)劃的優(yōu)化條件完全一致。比較兩個(gè)放療計(jì)劃的DVH圖評(píng)估頭肩模架外輪廓對(duì)病人實(shí)際靶區(qū)和危及器官的劑量分布影響。主要評(píng)估包括靶區(qū)的平均劑量（Dmean）、D1（1%體積接受的劑量）、D2（2%體積接受的劑量）、適形指數(shù)(CI)、均勻性指數(shù)（HI）和靶區(qū)覆蓋率（CR）。其中CI越高，說(shuō)明劑量對(duì)靶區(qū)的適形性更好，反之則亦然，CI取值在0～1之間。CI、HI、CR計(jì)算公式如下：

其中VTR，VT和VR分別表示GTV接受處方劑量體積，GTV體積和處方劑量包含的總體積，Dp表示處方劑量大小。

1.5 放療實(shí)施

所有患者均在ELekta Versa加速器上進(jìn)行治療，治療前用十字激光燈對(duì)患者進(jìn)行預(yù)擺位后掃描錐形束CT（Cone Beam CT，CBCT）。由經(jīng)驗(yàn)豐富的放療技師將獲取的CBCT三維圖像與計(jì)劃系統(tǒng)傳輸?shù)挠?jì)劃CT圖像在XVI軟件上進(jìn)行配準(zhǔn)（此配準(zhǔn)基于骨解剖的剛性配準(zhǔn)為主，手動(dòng)配準(zhǔn)為輔），記錄下來(lái)的配準(zhǔn)結(jié)果作為CBCT修正的誤差值，將配準(zhǔn)結(jié)果發(fā)送至治療床控制系統(tǒng)進(jìn)行擺位誤差修正后加速器出束進(jìn)行放射治療。

以CBCT掃描結(jié)果為準(zhǔn)，研究該裝置用于臨床頭部腫瘤放射治療的固定效果和擺位重復(fù)性。具體分析計(jì)算每例患者三個(gè)平移方向和三個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上的擺位誤差的平均值（X）、標(biāo)準(zhǔn)差（S）和95%置信區(qū)間。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)量資料采用X±S表示，采用t檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 圖像質(zhì)量

圖3為分別使用放療表面線圈（圖3(a)）和頭頸聯(lián)合線圈（圖3(b)）對(duì)同一患者頭部掃描后選取同一層面的成像結(jié)果。根據(jù)圖像顯示，使用頭頸聯(lián)合線圈的成像質(zhì)量明顯高于使用放療表面線圈的成像質(zhì)量。

圖3 成像結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of two kinds of imaging methods

2.2 靶區(qū)劑量參數(shù)

在臨床研究中，根據(jù)是否考慮新型固定裝置外輪廓對(duì)腦轉(zhuǎn)移癌和鼻咽癌患者進(jìn)行研究，探究其外輪廓對(duì)靶區(qū)劑量參數(shù)的影響。患者劑量參數(shù)見(jiàn)表1、表2。兩組數(shù)據(jù)均采取配對(duì)t檢驗(yàn)，P＜0.05，說(shuō)明是否考慮靶區(qū)外輪廓對(duì)于劑量計(jì)算存在差異，差異主要出現(xiàn)于平均劑量（Dmean），并且平均劑量的偏差值大于百分之一，且當(dāng)計(jì)劃設(shè)計(jì)考慮固定裝置外輪廓時(shí)，治療計(jì)劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）計(jì)算結(jié)果說(shuō)明靶區(qū)劑量普遍降低。且經(jīng)過(guò)TPS計(jì)算后得到結(jié)果，危及器官受模體影響不大，不影響臨床的治療工作。腦轉(zhuǎn)移患者放療計(jì)劃危及器官劑量參數(shù)，如表3所示。

表1 腦轉(zhuǎn)移患者放療計(jì)劃靶區(qū)劑量參數(shù)Tab.1 Radiation therapy plan target dose parameters for brain metastasis

表2 鼻咽癌患者放療計(jì)劃靶區(qū)劑量參數(shù)Tab.2 Radiation therapy plan target dose parameters for nasopharyngeal carcinoma

表3 腦轉(zhuǎn)移患者放療計(jì)劃危及器官劑量參數(shù)Tab.3 Radiation therapy plan organ parameters for brain metastasis

2.3 擺位誤差

研究中分別收集了腦轉(zhuǎn)移癌和鼻咽癌在治療中分次數(shù)據(jù)，包括其三個(gè)平移方向和旋轉(zhuǎn)方向的擺位誤差，結(jié)果均取平均值。結(jié)果其平均平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差滿足小于2 mm和2o的要求，且三個(gè)平移方向的擺位誤差大多集中在1.5 mm以內(nèi)，三個(gè)方向旋轉(zhuǎn)誤差大多在1o以內(nèi)。具體結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 腦轉(zhuǎn)移和鼻咽癌患者擺位誤差參數(shù)Tab.4 Brain metastases and nasopharyngeal carcinoma setting error

3 討論

3.1 圖像質(zhì)量

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，使用可兼容頭頸聯(lián)合線圈的新型體位固定裝置得到的圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于常規(guī)固定方式即使用放療表面線圈。

這是由于放療表面線圈通道數(shù)相較于頭頸聯(lián)合線圈較少，圖像信噪比較低，圖像質(zhì)量降低，并且放療表面線圈是由兩塊柔線圈組成，靠近體表，存在近線圈效應(yīng)，導(dǎo)致距離人體表面信號(hào)高，距離遠(yuǎn)信號(hào)變差，圖像均勻性較低。使用本研究中的新型體位固定裝置能夠避免以上兩個(gè)現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高圖像質(zhì)量。

3.2 擺位誤差

為保證每次的治療質(zhì)量，使射線按照計(jì)劃設(shè)計(jì)照射腫瘤靶區(qū)，減少對(duì)于靶區(qū)周圍危及器官的影響，這需要保證每次治療的擺位的準(zhǔn)確性[2]。通過(guò)近年來(lái)的研究得以證實(shí)，每個(gè)接受治療的患者每次的擺位位置都不能做到完全準(zhǔn)確，都存在差異和變化，這便是擺位誤差[3]。

本研究中，頭頸部放療時(shí)三個(gè)方向擺位誤差均小于2 mm，三個(gè)方向旋轉(zhuǎn)誤差均小于2o，滿足國(guó)內(nèi)外臨床治療要求。黃麗娜等[4]在她的研究中認(rèn)為頭頸部放射治療擺位旋轉(zhuǎn)誤差應(yīng)均小于2o。HURKMANS等[5]研究了頭頸部腫瘤進(jìn)行放射治療時(shí)定位和擺位誤差的分布情況，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)之后發(fā)現(xiàn)其系統(tǒng)誤差范圍為3.1±1.5 mm，隨機(jī)誤差范為1.8±0.7 mm。在國(guó)內(nèi)這與王鑫等[6]的研究結(jié)論類似，認(rèn)為理想的頭頸部腫瘤放療擺位誤差應(yīng)小于2 mm。

在本研究中使用的是半開(kāi)放的熱塑膜固定，增加了患者的舒適度，在本研究中選取的患者均能與熱塑膜適形。若將來(lái)出現(xiàn)患者頭部過(guò)小，不能與模體適形，預(yù)處理方式是使用真空墊等類似物體填充其中，使患者頭部完全被包裹，再將真空墊抽氣塑形，保證其穩(wěn)定性和重復(fù)性，經(jīng)試驗(yàn)，此方法可以滿足臨床要求。

3.3 靶區(qū)劑量變化

在臨床治療當(dāng)中，病人外在的體位固定裝置會(huì)造成劑量的變化，比如增加皮膚劑量[7]，減少腫瘤劑量和改變劑量分布[8]。本研究因使用的是新型研發(fā)的體位固定裝置，該裝置覆蓋在人體表面，需驗(yàn)證該固定裝置時(shí)候否會(huì)對(duì)劑量產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該實(shí)驗(yàn)裝置會(huì)對(duì)患者靶區(qū)，危及器官甚至皮膚劑量造成影響，有些靶區(qū)與常規(guī)治療相比劑量偏差大于1%，但在計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)將其考慮其中，便可消除此影響。

有很多研究顯示目前使用的床板的劑量衰減率可以達(dá)到15%[9]，有研究表示在現(xiàn)階段的臨床治療當(dāng)中，建議當(dāng)使用碳纖維頭枕時(shí)應(yīng)包含在CT圖像當(dāng)中，進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，考慮其固定裝置外輪廓的形狀，以此來(lái)改善表面劑量的變化[10]。使用熱塑膜來(lái)進(jìn)行放療體位固定在現(xiàn)階段是主流的方法，可以保證患者體位固定的穩(wěn)定性，也能保持一定的舒適性。然而，由于熱塑膜會(huì)由于其不同的形狀和厚度，會(huì)使皮膚劑量發(fā)生一定的改變，影響治療的效果，這種情況已廣泛地受到關(guān)注和重視[11]?，F(xiàn)在已經(jīng)有研究表明熱塑膜會(huì)導(dǎo)致皮膚劑量的增加[12]，彭順有等[13]在研究中發(fā)現(xiàn)，為了將表淺劑量降低，可以在制模時(shí)盡量拉伸熱塑膜。但是需把握力度，因過(guò)分拉伸會(huì)破壞熱塑膜的外觀，影響擺位的精度和重復(fù)性。因此在臨床放射治療時(shí)，應(yīng)盡量拉伸面罩，減少因熱塑膜而產(chǎn)生的對(duì)表淺劑量的影響，同時(shí)還要兼顧穩(wěn)定性，避免過(guò)分拉伸[14]。本研究顯示，使用熱塑面罩固定患者面部時(shí)，應(yīng)將熱塑面罩盡量拉伸均勻地覆蓋在患者面部，盡可能降低表淺劑量的影響。有研究結(jié)果表示[15]，在臨床治療中若皮膚劑量大于25 Gy可產(chǎn)生一定皮膚反應(yīng)，而當(dāng)大于40 Gy時(shí)可引起干燥脫屑。

綜合以上結(jié)論，在本研究中，所有治療計(jì)劃應(yīng)考慮納入固定裝置，來(lái)確保治療當(dāng)中的精確性。

4 結(jié)論

本研究中研發(fā)的可兼容磁共振模擬定位的新型體位固定裝置在臨床治療中能夠得到質(zhì)量更高的磁共振圖像，并且不對(duì)治療造成額外影響，治療期間各項(xiàng)要求滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并且由于磁共振模擬定位時(shí)使用的是成像質(zhì)量更高的頭頸聯(lián)合線圈，可以滿足如磁共振加速器，磁共振圖像引導(dǎo)等現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)的需要[16-17]。除此之外，本研究裝置因其可兼容性的特點(diǎn)，還可用于后續(xù)的使用功能磁共振序列的研究，包括自適應(yīng)的研究[18]、輔助生物靶區(qū)勾畫(huà)等方面[19]，具有廣闊的前景。

但新型固定裝置在某些方面還存在著不足，如操作人員需要有較高的熟練程度。相信隨著放療技術(shù)的進(jìn)步，這些不足都能得到進(jìn)一步的修正。