行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
三維容積視覺化導引之適應性放射治療的影像自動對位技
術
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 99-2221-E-151-010- 執 行 期 間 ： 99 年 08 月 01 日至 100 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學電子工程系 計 畫 主 持 人 ： 李財福 共 同 主 持 人 ： 汪昶佑、方俊雄 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：陳柏亮 大專生-兼任助理人員：江競川 博士班研究生-兼任助理人員：趙珮如 處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢中 華 民 國 100 年 09 月 07 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
█ 成果報告
□期中進度報告
三維容積視覺化導引之適應性放射治療的影像自動對位技術
計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 99－2221－E－151－010－
執行期間：99 年 8 月 01 日至 100 年 07 月 31 日
執行機構及系所：國立高雄應用科技大學電子工程系
計畫主持人：李財福
共同主持人：方俊雄、汪昶佑
計畫參與人員：陳柏亮、趙珮如、江競川
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告
本計畫除繳交成果報告外，另頇繳交以下出國心得報告：
□赴國外出差或研習心得報告
□赴大陸地區出差或研習心得報告
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□國際合作研究計畫國外研究報告
處理方式：
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■涉及專利或其他智慧財產權，■一年□二年後可公開查詢
中 華 民 國 100
年 9 月 7 日
摘要 本研究提出一個離線分析的方法，量化分析缺乏影像導引之下的強度調控放射治療，其 每日擺位的誤差對劑量的影響。利用一位食道癌病人影像導引放射治療的一系列每日錐形射 束電腦斷層影像和治療計畫數據進行回顧性分析。每次治療的每日擺位位移，利用六維自由 度剛性影像對位方法，套用在強度調控放射治療計畫。分次治療間的平均平移位移分別為 X 軸 (左右方向)2.3±1.8mm、Y 軸 (前後方向)2.1±0.9mm 及 Z 軸 (頭腳方向)-1.8±2.6mm。分次 治療間的平均旋轉角度分別為沿著 X 軸、Y 軸及 Z 軸 2.2±1.2°、-0.7±0.8°及-0.7±0.6°。由於 位移變化，計畫靶體積的等價均勻劑量損失高達 6％。結果證實，高精準度的強度調控放射 治療需要實施每日影像導引，可確保準確地給予高梯度分佈的劑量曲線。 關鍵字：錐形射束電腦斷層 (CBCT)；等價均勻劑量 (EUD)；影像對位；分次治療間的擺位 誤差；影像導引放射治療 (IGRT)。 Abstract
This study proposed an off-line method to analyze quantitively the dosimetric impact of daily setup variations on Intensity-modulated radiotherapy (IMRT) when these variations are not corrected due to the lack of image guidance. Series of daily Cone-beam computed tomography (CBCT) images and treatment plan data of a patient with esophageal cancer previously treated using Image-guided radiotherapy (IGRT) were analyzed retrospectively. Daily setup shifts were applied to IMRT plans on a fraction-by-fraction basis using six-degree-of-freedom rigid image registration. The mean interfraction translation displacement was 2.3 ± 1.8, 2.1 ± 0.9, and -1.8 ± 2.6 mm in the LR, AP, and SI directions, respectively. The average interfraction rotation displacement was 2.2 ± 1.2, -0.7 ± 0.8, and -0.7 ± 0.6 degree around the three orthogonal axes. Due to variations, a loss of equivalent uniform dose (EUD) up to 6% for planning target volume (PTV) was noted. Findings confirmed that successful implementation of high precision IMRT required daily image guidance to ensure accurate delivery of sharp gradient dose distributions.
keywords：cone-beam computed tomography (CBCT); equivalent uniform dose (EUD); image registration; interfraction variations; image-guided radiotherapy (IGRT)。
前言 強度調控放射治療 (IMRT)可以產生除峭的劑量梯度，給予目標精確的劑量分佈，並減少正常組 織受到高劑量。由於除峭的梯度，在臨床上每日擺位的變化可能產生負面的影響，例如:相鄰的正常組 織接受到過量的劑量或目標劑量可能不足。影像導引的功能提供一個很好的機制，可以瞭解病人的擺 位誤差。劑量-體積直方圖可以歸納出照射體積內目標和正常危及器官 (OAR)的三維劑量分佈數據，而 且每一個器官以一條曲線的圖形形式予以顯示。然而，在整個放射治療療程中，如果每日的錐形射束 電腦斷層影像一起被繪製在單一的劑量-體積直方圖時，其解讀將會變得過於複雜。因此，某些劑量學 指標被提出，用於克服此一缺陷。劑量學指標 (例如:腫瘤控制率 [TCP]，正常組織併發症概率 [NTCP]，或等價均勻劑量 [EUD])可視為一種概括的曲線，在劑量-體積直方圖反應到單一相似值的方 式，劑量-體積直方圖總結了三維劑量分佈到一個單一的曲線。 研究目的 在本研究中，提出基於回溯性錐形射束電腦斷層影像對位方法，探討在強度調控順形治療未校正 擺位位移時劑量的變化。錐形射束電腦斷層影像、剛性影像對位和劑量分佈套合技術被用於研究病人 每日的變化下，其正常危及器官和計畫靶體積 (PTV)的輻射劑量指標的輻射生物效應關係。我們還有 一個特點，應用我們新建議的方法於真實的放射治療病人資料上，來了解每日放射治療過程中的變化。 文獻探討 在過去，百萬伏 (MV)驗證影像是唯一能驗證放射治療期間擺位的方法，但這種方式容易產生對 比度較差的影像，而且腫瘤科醫生不易以肉眼目視調整影像的匹配。二維千伏 (kV)X-射線影像和三維 千伏錐形射束電腦斷層成像已被整合納入臨床成像系統和平板探測器，在放射治療的過程裡，正確的 校正擺位誤差。此外，三維的千伏錐狀電腦斷層定位影像已經證明比二維高能圖像更能減少擺位的錯 誤[1]。這個影像導引放射治療 (IGRT)能夠在病人日常擺位和解剖差異時提供一個最佳的治療[2]。 Guckenberger 等人建議，在選擇患者中，旋轉的變化可能導致重大劑量的改變[3]。Kim 等人表示，當 旋轉位移未經調整時，從劑量-體積直方圖來分析，顯示會增加脊髓 (6.4％)和兩側腮腺 (2.7％)等劑量 [4]。 研究方法 從歷史上看，最常使用劑量-體積直方圖 (DVH)的方式呈現出劑量的分佈或覆蓋率。在大部分治療 計畫系統 (TPS)，也都以劑量體積直方圖做為優化強度調控順形治療的目標函數，或放射腫瘤學家評 估時的基礎。劑量-體積直方圖的目的是協助醫生評估特定病人的複雜治療計畫，並決定最理想目標函 數的方案。
回溯性資料來源蒐集自一位食道癌病患，使用 Elekta Synergy 加速器與 XVI 錐形射束電腦斷層影 像導引技術進行強度調控放射治療，利用本論文的方法評估可行性研究。 A. 等價均勻劑量的計算 將劑量傳送到病患的目標區域 (ROI)，會有不同的生物效應。假設生物效應可以用一維尺度量化， 如功能化約的標準、併發症的風險或腫瘤控制的分級，這些方法將無數的劑量分佈歸為相同生物效應。 等價均勻劑量背後的基本立意是在非均勻劑量分佈裡找到相同生物效應的單一均勻劑量，並將此一 均勻劑量稱之為EUD。Niemerko[5]提出EUD (EUD_voxel)定義為
a N i a i d N EUD 1 1 ) 1 (
(1) 其中 di 代表體素 i 內的劑量，N 為目標區域內體素的數量，a 為體積參數。典型的體積參數如：計畫 靶體積=-10、脊髓=13 和肺=1。在多數的治療計畫系統如Pinnacle治療計畫系統 (Philips Medical Systems)，為了減少體素，只留下 目標區域的部份包括在內，方程式都有稍作修改[6]。簡言之，即治療計畫電腦使用劑量-體積直方圖的 資料計算等價均勻劑量，而非全體劑量體積矩陣進行體素迭代分析。使用此方法可以大幅減少計算等 價均勻劑量所需的時間。因此把目標區域的體素i分幾小部分vi，將EUD (EUD_dvh)計算公式改成
a N i a i id v E U D 1 1 ) (
(2) 此論文的IGT系統使用上述2種方法來計算等價均勻劑量。 B. 系統實施每日從 Elekta Synergy XVI 工作站的資料庫，擷取 2D 投影影像和重建 3D 錐形射束電腦斷層體積 影像，及每日分次治療間影像定位的參數。強度調控順形治療計畫資料，包括計畫的扇狀射束電腦斷 層影像 (FBCT)、放射治療勾畫目標區域和放射治療劑量，這些資訊由 Pinnacle 治療計畫系統傳到我們 的 IGT 系統。將自動影像對位、劑量分佈套合及劑量分析與 XVI 影像對位參數，在我們的 IGT 系統進 行比較 (Fig. 1)。
IGT 系統詳細的實施方法描述於之前的研究論文中[8-10]，我們使用 ITK (Insight Toolkit)[11]和視 覺化工具函式庫 (Visualization Toolkit,VTK)[12]來撰寫 IGT 系統。剛性影像對位技術可以用來評估 6 維自由度 ( 6 DOF)的變化 (平移和旋轉於三個正交軸：X-Y-Z)。扇狀射束電腦斷層和錐形射束電腦斷 層的每一張影像對位產生剛性轉換矩陣。放射治療劑量資料可透過未經錐形射束電腦斷層影像導引調 整的模擬劑量分佈，以逆函數生成轉換矩陣重新採樣。 由此產生的劑量-體積直方圖和劑量指標 (如 EUD)，即可以轉換劑量函數來計算。 結果 A.6 維自由度系統 每日治療前，進行錐形射束電腦斷層影像導引，因為受到傳統治療床的臨床執行限制，校正平移 誤差而非轉動誤差。在評估病人使用影像導引放射治療的治療過程中，共產生 16900 個二維投影影像 和重建 26 組 3D 錐形射束電腦斷層體積影像。因此，使用治療計畫的扇狀射束電腦斷層和錐形射束電 腦斷層影像，重複執行 6 維自由度影像對位 26 次。放射治療分次治療間的平均平移誤差為 X 軸 (左-右)2.3±1.8mm、Y 軸 (前-後)2.1±0.9mm 及 Z 軸 (上-下)-1.8±2.6mm。分次治療間的平均旋轉角度分別為 沿著 X 軸、Y 軸及 Z 軸 2.2±1.2°、-0.7±0.8°及-0.7±0.6°。 (如圖 2) 圖 2. 每日錐形射束電腦斷層和扇狀射束電腦斷層計畫之間的分次治療間的變化，同一病人在條件 (a) 平移 (上圖)， (b)旋轉約三個正交軸 (下圖)。
B.劑量的變化 使用強度調控放射治療計畫治療食道癌患者，未經錐形射束電腦斷層影像修正，其計畫靶體積的 劑量變化如圖 3 所示。參數指標 EUD_voxel 和 EUD_dvh 在總治療的 26 次裡有 3 次低於 5000 CGY (12 ％)，而這兩個等價均勻劑量指標比其他劑量的統計指標，如平均值、最低限度和最大的計畫靶體積等， 更能夠反映軸心偏位。雖然軸心偏位的平移和旋轉都被考慮，但在總治療 26 次裡有 5 次等價均勻劑量 指標低於 5000 cGy (19％)。 圖 3. 計畫靶體積未經錐形射束電腦斷層影像導引校正的劑量的變化 (a)只有平移 (上圖)， (b)平移和 旋轉 (下圖)。 我們希望正常危及器官的劑量儘可能降低。等價均勻劑量分析這種情況的表現，對於體積小、管 狀的正常危及器官，如脊髓，等價均勻劑量在放射治療分次治療中的變化有較顯著地反應。相反的， 代表了大體積的正常危及器官，如肺，等價均勻劑量的變化則沒有明顯地反應。如圖 2 和 3 所示，等 價均勻劑量根據平移和旋轉的規模及程度而改變。如 LR_X 軸旋轉 2.9°，相應減少等價均勻劑量，原 計畫裡為 5000 cGY 在本研究裡降低至 4700cGY，僅佔符合原計畫輻射劑量的 94％。至於比較兩種等 價均勻劑量的計算方法，在 EUD_voxel 和 EUD_dvh 兩者之間，沒有統計學上的顯著差異 (p = 0.49; Student's t-test)。
討論 本研究的目的為評估強度調控順形治療其劑量的分佈，於每日的擺位變化對輻射劑量的影響。基 於三維立體匹配使用錐形射束電腦斷層在線影像導引設定可以修正平移軸心的偏位。在這項工作過程 中，在傳統的二維平面圖像難以確認旋轉軸心的偏位。為減少廣泛應用強度調控順形治療技術的臨床 靶體積 (CTV)與計畫靶體積的邊際差異，減少周圍組織所接受到的輻射劑量，放射治療分次治療中劑 量變化的評估應根據實際病患的資料，而不是從概率分佈函數得到的模擬數據或假體數據。 本研究展現使用千伏錐形射束電腦斷層成像數據，來推論食道癌病人的理想臨床靶體積與計畫靶 體積的邊際之潛力，符合使用劑量指標確認其治療計畫的順形度。這項研究與以往的研究結果是一致 的。這是一個重要的臨床課題，如果強度調控放射治療能準確地施行，它能同時達到正常危及器官的 劑量減少和原發腫瘤及其他微小病變處劑量增加。 目前由於因傳統治療床的限制，我們未校正錐形射束電腦斷層所偵測出的旋轉位移。如果有一個 大的旋轉位移，等價均勻劑量會迅速下降低於處方劑量。Medical Intelligence (Schwabmünchen, Germany) 的 HexaPOD 治療床，是有能力糾正六維自由度的擺位錯誤之六維獨立反應機器碳纖維治療床。隨著這 種電腦控制機械治療床的幫助，可以進一步改善定位精準度。 然而，因為治療的等中心點和 6 DOF 治療床機械中心的不同，應小心處理兩者相互之間的平移和旋轉 位移。因為即使來自治療床下端的機械中心點誤差是極小的，HexaPOD 治療床未必能正確的校正每一 個旋轉方向[13]。 本研究顯示等價均勻劑量可作為一項指標來評估放射治療計畫分次治療間的位移的輻射劑量穩定 性。放射治療計畫優化過程的基礎是在於定義其目標函數和劑量限制。對於逆向規畫放射治療，目標 函數和劑量限制可使優化過程產生病患最佳劑量分佈的計畫。由於劑量分佈是大範圍的三維區域，它 很難以輕鬆可讀的形式呈現所有數據，也幾乎不可能在劑量分布中，使用單一值來說明所有需求。因 此，在選擇最佳放射治療計畫的決策過程中，可結合等價均勻劑量及其他評估的方法，如伽瑪指數[14] 和順形指標[15]。此外，決策過程則可以藉由來自融合模糊邏輯和基因演算法，模擬思維過程的專家模 型 (即醫生或放射腫瘤學家)予以優化。 結論 使用錐形射束電腦斷層影像導航是一種在強度調控放射治療中提高準確度的有效模式。我們的離 線影像對位的研究結果顯示，錐形射束電腦斷層影像應用於影像導引放射治療過程中，可以用來推斷 每日劑量的變化。如果沒有影像導引放射治療，建議計畫靶體積邊緣需確保覆蓋面要適度地大一些。 然而，使用錐形射束電腦斷層影像，這個幅度則可以減少，允許在腫瘤內增加劑量，並減少周圍正常 組織受到輻射的損傷。 參考文獻
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[14.] E. Spezi and D. G. Lewis, "Gamma histograms for radiotherapy plan evaluation," Radiother Oncol, vol. 79, pp. 224-30, 2006.
[15.] I. Paddick, "A simple scoring ratio to index the conformity of radiosurgical treatment plans. Technical note," J
國科會補助專題研究計畫成果報告自評表
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價
值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適
合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。
1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估
■ 達成目標
□ 未達成目標（請說明，以 100 字為限）
□ 實驗失敗
□ 因故實驗中斷
□ 其他原因
說明：
2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：
論文：■已發表 □未發表之文稿 □撰寫中 □無
專利：□已獲得 ■申請中 □無
技轉：□已技轉 □洽談中 ■無
其他：（以 100 字為限）
3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價
值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以
500 字為限）
本研究利用離線分析方法，研究三維容積視覺化導引之適應性放射治療
的影像自動對位技術與劑量的影響，本研究成果目前己發表相關 SCI 期刊論
文 3 篇，研討會論文 5 篇，而目前國內此相關研究並不多，主要是跨領域之
整合具有相當的難度，而本研究團隊成員有醫學方面專業，如放射腫瘤專科
醫師及醫學物理師，並結合具有演算法、醫學工程及放射物理之專長的工程
人員，而使此研究有創新發展及價值性。
本研究成果，高精準度的強度調控放射治療需要實施每日影像導引，可
確保準確地給予高梯度分佈的劑量曲線，進而增進病患治療品質，除了可供
醫師對於治療技術與治療計劃作為下決策的憑藉，也可提供一般放射治療的
癌症病患對選擇治療計畫或治療儀器有更明確的依據可供參考，未來希望在
研究希望能運用不同演算法及加入生活品質的關連程度來評估最佳之生物指
標的方法，以利提供放射治療新的思維。
附錄：成果發表與參賽得獎
(A) 期刊論文
[1]. Tsair-Fwu Lee*, Hui-Min Ting, Pei-Ju Chao, Fu-Min Fang. “Dual arc volumetric modulated arc radiotherapy (VMAT) of nasopharyngeal carcinomas: A simultaneous integrated boost treatment plan comparison with IMRTs and single arc VMAT,” Clinical Oncology 2011(SCI-IF: 2.294). NSC 99-2221-E-151 -010. in press Jul 2011
[2]. Tsair-Fwu Lee*, Stephen Wan Leung, Li-Min Sun, Ming-Hsiang Chu, Ming-Hsiang Liou, Chiu-Ching Tuan, Wen-Pen Chen, Ta-Wei Yu. “Health-related quality of life outcome evaluation for intensity-modulated radiotherapy versus helical tomotherapy using EORTC QLQ-C30 and EORTC QLQ-HN35 core questionnaires for nasopharyngeal carcinomas,” Scientific Research and Essays vol.6(16), pp.3389-3398, 19 Aug 2011. (SCI-IF: 0.445). NSC 99-2221-E-151 -010.
[3]. Stephen Wan Leung, Tsair-Fwu Lee, Chih-Yen Chien, Pei-Ju Chao, Wen-Ling Tsai, Fu-Min Fang. “Health-related Quality of life in 640 head and neck cancer survivors after radiotherapy using EORTC QLQ-C30 and QLQ-H&N35 questionnaires,” BMC Cancer 2011, 11:128, pp.1-10/10, doi:10.1186/1471-2407-11-128, 12 Apr 2011. (SCI-IF: 3.153), NSC 99-2221-E-151 -010.
*corresponding author
(B) 研討會論文
[1]. Chang-Yu Wang, Yu-Jie Huang, Chun-Hsiung Fang, Tsair-Fwu Lee*, “Evaluating the Dosimetric Impact of Interfraction variations during Image-Guided Radiotherapy using Six-degree-of-freedom Image Registration and Equivalent Uniform Dose Method,” 2010 Fourth International Conference on Genetic and Evolutionary Computing, NSC 99-2221-E-151 -010.
[2]. 劉彥佑, 李昱,江競川,李財福*,”Augmented Reality Interactive Modeling in 4D Image-Guided Radiation Therapy Application,”生物醫學工程科技研討會暨國科會醫學工程學門成果發表會, Aug.19~20, 2011, Tainan, Taiwan. NSC 99-2221-E-151-010
[3]. 姚俊州,江競川,陳柏亮,王冠智,李財福*, “放射治療計畫劑量評估之圖形化人機介面平台建構,” 生物醫學工程科技研討會暨國科會醫學工程學門成果發表會, Aug.19~20, 2011, Tainan, Taiwan. NSC 99-2221-E-151-010
[4]. 宋國強,李財福*,廖宗義,陳文平, “The Analysis of Confounding Factors in Volume Reconstruction with Spiral Mode CT Simulation in Different Treatment Planning System,” 2011 Conference on Electronic Communication and Applications(2011 CECA), pp.530-534, May.20, 2011. Kaohsiung, Taiwan. NSC 99-2221-E-151-010.
[5]. 陳柏亮, 李財福*, 黃偉綸, 李桀, “應用模糊系統評估於放射治療計畫指標,” 2011 Symposium on applications of information, management and communication technology, 資通技術管理與應 用研討會, Jun.10, 2011, Kaohsiung, Taiwan. NSC 99-2221-E-151-010
(C)參賽得獎
(1) 榮獲「2011 電子通訊與應用研討會」論文優等獎，May 2011
(2) 行政院國家科學委員會 99 年度補助大專校院獎勵特殊優秀人才， May 2010. (3) 行政院國家科學委員會 100 年度補助大專校院獎勵特殊優秀人才， Aug 2011. (4) 參加「2010 第一屆全國生醫電子與資訊專題實務競賽」，獲得佳作，Aug 2010
(5) 指導學生江競川、方智顯、陳志豪、柯毅軒參加「100 年度全國技專校院學生專題製作競賽暨 成果展」，獲得電子資通群，第三名，26~28 May 2011.
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2011/09/07國科會補助計畫
計畫名稱: 三維容積視覺化導引之適應性放射治療的影像自動對位技術 計畫主持人: 李財福 計畫編號: 99-2221-E-151-010- 學門領域: 醫學資訊無研發成果推廣資料
99 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：李財福 計畫編號： 99-2221-E-151-010-計畫名稱：三維容積視覺化導引之適應性放射治療的影像自動對位技術 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 4 4 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 1 1 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 1 1 100% 博士生 1 1 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 3 3 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 1 1 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 1 1 100% 博士生 1 1 100% 博士後研究員 0 0 100% 國外 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次其他成果
