張丙新,石祥禮,梁廣立

(天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院/國家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/天津市“腫瘤防治”

21世紀(jì)以來,圖像引導(dǎo)放療(image guided radiotherapy,IGRT)開啟了腫瘤精準(zhǔn)放療的新時代,IGRT可進(jìn)一步提高患者的放療精度,減小其CTV基礎(chǔ)上的PTV外放值,以達(dá)到降低患者放療副反應(yīng)的目的[1-3]。IGRT放療精度的提高主要通過兩步實(shí)現(xiàn)：(1)擺位誤差的計算,圖像引導(dǎo)設(shè)備采集患者治療前的三維或二維圖像,與患者定位CT或DRR圖像進(jìn)行配準(zhǔn),計算患者的六維擺位誤差,即三維平移誤差[左右(x)、頭肢(y)、腹背(z)]和三維旋轉(zhuǎn)誤差[繞x(Rx)、繞y(Ry)、繞z(Rz)]；(2)擺位誤差的校正,IGRT對患者擺位誤差的校正需通過加速器治療床的位移來實(shí)現(xiàn),治療床的誤差校正能力直接影響著擺位誤差的校正精度,進(jìn)而影響患者PTV外放值的大小。

目前,腫瘤IGRT中的圖像引導(dǎo)設(shè)備均可以檢測患者的六維擺位誤差,而實(shí)際臨床應(yīng)用中的治療床則主要為三維床和六維床兩種,三維床主要用于x、y、z三維平移誤差的校正,六維床則可進(jìn)行x、y、z和Rx、Ry、Rz六維平移和旋轉(zhuǎn)誤差的校正。盡管腫瘤IGRT在臨床中的應(yīng)用日益廣泛,三維床以其實(shí)用、價格低等優(yōu)勢仍是臨床應(yīng)用最廣泛的治療床[4-5],而六維床則主要裝備于較為先進(jìn)的放療系統(tǒng)中,如Cyber Knife[6]、質(zhì)子重離子放療系統(tǒng)[7]、瓦里安和醫(yī)科達(dá)較先進(jìn)的IGRT系統(tǒng)等[8]。為比較三維床和六維床對患者擺位誤差的校正能力,以及對患者PTV外放值的影響,本研究利用同一治療床的三維和六維模式對中心型肺癌患者的擺位誤差進(jìn)行了校正比較,現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集2020年1-12月在天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院進(jìn)行錐形束CT(CBCT)圖像引導(dǎo)下調(diào)強(qiáng)放療的中心型肺癌患者40例,隨機(jī)分為試驗(yàn)組和對照組各20例,試驗(yàn)組：男15例,女5例,平均年齡(46.8±8.3)歲；對照組：男14例,女6例,平均年齡(47.2±5.5)歲,兩組患者一般資料比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),具有可比性。所有患者均行1次/周的CBCT圖像引導(dǎo),放射劑量42～56 Gy,單次劑量2 Gy,每周5次；所有患者均了解并簽署了圖像引導(dǎo)放療相關(guān)知情同意書。

1.2 設(shè)備

恒溫水浴箱,胸部翼型定位板,胸部熱塑體膜,CT模擬機(jī),Pinnacle v9.8計劃系統(tǒng),瓦里安Vital Beam直線加速器。

1.3 定位與計劃

患者均采用仰臥位,胸部熱塑體膜聯(lián)合翼型定位板固定,CT模擬機(jī)進(jìn)行掃描,層厚3 mm,512×512像素重建,掃描完成后,將患者的CT掃描圖像傳送至治療計劃系統(tǒng)。臨床醫(yī)生根據(jù)ICRU 50號及62號建議進(jìn)行腫瘤靶區(qū)和危及器官的勾畫,物理師根據(jù)醫(yī)生的靶區(qū)劑量和危及器官限量要求設(shè)計和優(yōu)化治療計劃。治療計劃經(jīng)臨床醫(yī)生和物理師確認(rèn)后,患者于模擬機(jī)下進(jìn)行復(fù)位,確認(rèn)或重新標(biāo)記腫瘤靶區(qū)。治療計劃傳送至加速器治療系統(tǒng),患者開始治療程序。

1.4 放療實(shí)施

由兩名治療師對患者進(jìn)行精確擺位,擺位完成后,進(jìn)行CBCT掃描以觀察患者的實(shí)際擺位誤差大小。CBCT選擇低劑量胸部模式(low dose thorax),掃描范圍178o～182o,層厚3 mm,512×512像素重建,CBCT重建三維圖像與CT定位圖像進(jìn)行灰度配準(zhǔn),采用自動配準(zhǔn)加人工檢驗(yàn)的方式,得到x、y、z三維平移和Rx、Ry、Rz三維旋轉(zhuǎn)擺位誤差。對照組采用三維床模式進(jìn)行三維平移誤差的校正,試驗(yàn)組采用六維床模式進(jìn)行六維平移和旋轉(zhuǎn)誤差的校正,擺位誤差校正完成后,再次進(jìn)行CBCT掃描,以觀察患者六維擺位誤差校正前后的變化情況,之后開始實(shí)施治療。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理

2 結(jié) 果

兩組患者分別進(jìn)行擺位誤差校正前后的CBCT掃描各103次和105次。三維床校正前后對照組x、y、z三維平移誤差和Rx、Ry、Rz三維旋轉(zhuǎn)誤差的分布范圍分別為(-3.9～5.1)/(-1.7～1.7)、(-5.1～4.7)/(-2.1～1.7)、(-4.3～5.1)/(-1.9～2.0)mm和(-3.0～3.3)/(-3.0～3.4)、(-3.2～3.0)/(-3.6～2.8)、(-1.8～2.9)/(-1.6～2.9)mm；三維床校正前后x、y、z平移誤差差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.001、0.013、0.000),而校正前后Rx、Ry、Rz旋轉(zhuǎn)誤差差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.064、0.209、0.140),見表1。試驗(yàn)組x、y、z三維平移誤差和Rx、Ry、Rz三維旋轉(zhuǎn)誤差經(jīng)六維床校正前后的分布范圍分別為(-3.6～5.0)/(-1.0～1.1)、(-5.2～5.1)/(-1.3～0.9)、(-4.6～4.9)/(-1.1～0.9) mm和(-3.0～3.4)/(-0.9～1.5)(-3.2～3.1)/(-0.9～0.8)、(-1.6～2.9)/(-1.3～0.9)mm；六維床校正前后x、y、z、Rx、Ry、Rz六維方向擺位誤差差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.000、0.002、0.000、0.000、0.020、0.001),見表2。

校正前,對照組和試驗(yàn)組患者的x、y、z三維平移和Rx、Ry、Rz三維旋轉(zhuǎn)誤差之間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.599、0.576、0.688、0.498、0.348、0.841)；經(jīng)三維和六維兩種治療床的校正以后,兩組患者六維方向的擺位誤差差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.014、0.007、0.023、0.000、0.011、0.012),見表3、4。

表1 三維床對擺位誤差的校正精度分析

表2 六維床對擺位誤差的校正精度分析

表3 兩組患者校正前的擺位誤差比較

表4 兩組患者校正后的擺位誤差比較

3 討 論

肺癌是發(fā)病率和病死率最高的腫瘤之一,放射治療在肺癌的根治性、姑息性、輔助性治療中發(fā)揮著重要作用。特別是隨著IGRT技術(shù)的廣泛應(yīng)用,調(diào)強(qiáng)放療、立體定向放療、質(zhì)子重離子等精確放療技術(shù)的高劑量梯度分布優(yōu)勢得以充分發(fā)揮,在保證腫瘤治愈率的前提下,可有效減小腫瘤周邊組織的照射劑量,降低患者的放療副反應(yīng)。IGRT可利用三維或二維圖像引導(dǎo)系統(tǒng)獲取和計算患者的擺位誤差,用三維或六維治療床來校正和減小擺位誤差；相關(guān)研究[9-12]表明,不同圖像引導(dǎo)系統(tǒng)對患者擺位誤差的計算具有較好的一致性,而不同治療床對擺位誤差的校正精度則直接影響著患者PTV外放值的大小和腫瘤周邊組織的照射劑量；受人體非剛性組織特點(diǎn)和治療床校正精度的影響,腫瘤患者的擺位誤差即使經(jīng)治療床在線校正后,仍無法消除,而是以剩余誤差的形式存在。

張大偉等[13]研究顯示,經(jīng)三維床校正后,頭頸部腫瘤患者腹背、頭腳、左右方向上的剩余誤差分別為(-0.14±0.51)、(0.19±0.75)、(0.20±0.58)mm；腹盆部腫瘤患者的剩余誤差分別為(0.34±1.61)、(-0.32±1.52)、(-0.28±1.75)mm。本研究顯示,三維床可以有效校正患者x、y、z方向的三維平移誤差(P=0.001、0.013、0.000),剩余誤差分別為(-0.11±0.62)、(0.39±0.85)、(0.14±0.78)mm；同時,平移誤差的校正對旋轉(zhuǎn)誤差的影響較小,患者的旋轉(zhuǎn)擺位誤差在三維床校正前后差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.064、0.209、0.140)。

六維床伴隨著IGRT的發(fā)展開始應(yīng)用于臨床放療,六維床雖然可以同時校正患者的平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差,但也有一定的剩余誤差存在。鐘偉偉等[14]利用六維床對顱內(nèi)腫瘤立體定向放療患者的擺位誤差進(jìn)行校正后,3個平移方向x、y、z的剩余誤差分別為(0.020±0.016)、(0.012±0.012)、(0.014±0.011)cm,3個旋轉(zhuǎn)方向Rx、Ry、Rz的剩余誤差分別為(0.080±0.080)°、(0.076±0.075)°、(0.076±0.075)°；姜樹坤等[15]利用六維床對直腸癌術(shù)前放療患者的擺位誤差進(jìn)行校后,x、y、z方向的剩余誤差分別為(0.01±0.09)、(-0.01±0.05)和(-0.03±0.08)cm,Rx、Ry、Rz方向的剩余誤差分別為(-0.16±0.40)°、(0.36±0.31)°和(-0.01±0.25)°。與三維床對患者擺位誤差的校正能力相比較,六維床對旋轉(zhuǎn)誤差的校正則可能有助于線性誤差校正精度的進(jìn)一步提高。本研究顯示,兩組患者校正前的擺位誤差差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.599、0.576、0.688、0.498、0.348、0.841),經(jīng)三維床和六維床校正后,兩組患者x、y、z、Rx、Ry、Rz六維方向的擺位誤差差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.000、0.002、0.000、0.000、0.020、0.001)。試驗(yàn)組患者不僅旋轉(zhuǎn)誤差的剩余誤差明顯小于對照組,而且平移誤差的剩余誤差也小于對照組。此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于：CBCT圖像與CT圖像間的配準(zhǔn)是對配準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)的腫瘤及周邊組織進(jìn)行的相似性配準(zhǔn)。申紅峰等[16]、黃家文等[17]研究指出腫瘤放療患者的三維旋轉(zhuǎn)誤差與三維平移誤差存在不同程度的相關(guān)性,三維床雖然可以校正患者的線性誤差,但無法有效校正旋轉(zhuǎn)誤差,旋轉(zhuǎn)誤差的存在,影響線性誤差的進(jìn)一步校正；而六維床則可以同時校正患者的線性誤差和旋轉(zhuǎn)誤差,旋轉(zhuǎn)誤差的校正則有助于線性誤差的進(jìn)一步減小。因此,在對IGRT患者的擺位誤差進(jìn)行校正時,六維床的校正精度要高于三維床。

腫瘤患者的常規(guī)放療中,患者的擺位誤差直接影響其PTV外放值的大小,對于行IGRT的腫瘤患者而言,其PTV外放值的大小則主要受患者剩余誤差的影響。本研究中,利用三維床進(jìn)行對照組患者的擺位誤差校正后,患者x、y、z方向的剩余誤差分別為(-1.7～1.7)、(-2.1～1.7)、(-1.9～2.0)mm,其PTV外放值可設(shè)置為1.7、2.1、2.0 mm；利用六維床進(jìn)行試驗(yàn)組患者的擺位誤差校正后,不僅Rx、Ry、Rz方向的旋轉(zhuǎn)誤差得到有效校正,其x、y、z方向的剩余誤差也小于對照組,分別為(-1.0～1.1)、(-1.3～0.9)、(-1.1～0.9)mm,其PTV外放值設(shè)置為1.1、1.3、1.1 mm即可,說明六維床可提供比三維床更小的PTV外放值,較小的PTV外放值為更進(jìn)一步降低患者的放療副反應(yīng)提供了可能。

綜上所述,在腫瘤的IGRT中,圖像引導(dǎo)設(shè)備可以精確檢測患者的實(shí)際擺位誤差,而患者擺位誤差校正則是由治療床來完成；與傳統(tǒng)的三維治療床相比,六維治療床具有更高的擺位誤差的校正精度,可更有效地減小患者的PTV外放值,進(jìn)而更有效地降低患者的放療副反應(yīng)。因此,在腫瘤的IGRT中,應(yīng)優(yōu)先選擇六維治療床進(jìn)行患者擺位誤差的校正。