王蘊(yùn)龍 孟凡旭 楊金磊 王琢 修雨婷 趙康康 陳志深 田琦 申延男 孫寶勝

(1吉林省腫瘤醫(yī)院放療科，吉林 長春 130021；2吉林大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院)

宮頸癌調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使照射靶區(qū)適形度獲得明顯提升，提高治療精準(zhǔn)性，并降低了危及器官的照射劑量，減輕了放射治療的副反應(yīng)〔1,2〕。然而即便是進(jìn)行良好的體位固定，放療過程中體位的復(fù)雜多變?nèi)匀粚?duì)治療的準(zhǔn)確性提出了挑戰(zhàn)，各種情況下的位置偏差均會(huì)直接引起腫瘤脫靶，從而導(dǎo)致腫瘤的未控或復(fù)發(fā)。

在這種狀況下，影像引導(dǎo)放射治療(IGRT)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在近年來不斷進(jìn)步并得到了廣泛的應(yīng)用。放療加速器配備的錐形束(CB)CT能夠提供治療過程中的三維影像，再與定位CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)擺位誤差的精確計(jì)算，得到誤差的類型及大小后，通過六維床進(jìn)行誤差修正，也可以提供出擺位誤差的整體數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析計(jì)算出各種擺位誤差范圍，從而得到合理的計(jì)劃靶區(qū)(PTV)擴(kuò)邊以防止腫瘤脫靶〔3〕。然而，在六自由度圖像融合技術(shù)的應(yīng)用后，既往的研究及CTV外擴(kuò)PTV的邊界的制定都是以傳統(tǒng)的三維方向(前后、左右、頭腳)為基礎(chǔ)〔4〕，這樣的靶區(qū)外擴(kuò)及修正無法正確修正患者治療過程中的旋轉(zhuǎn)誤差〔5〕。因?yàn)閷m頸癌根治性放療靶區(qū)較大，較小的角度偏移往往會(huì)使距中心較遠(yuǎn)的靶區(qū)產(chǎn)生較大的位移，本研究利用對(duì)宮頸癌調(diào)強(qiáng)放療前CBCT的回傳圖像，通過與定位CT進(jìn)行融合得到并分析前后、左右、頭腳方向平移及冠狀面、矢狀面、橫斷面旋轉(zhuǎn)的擺位誤差，根據(jù)結(jié)果制定放療外擴(kuò)邊界，為PTV外擴(kuò)邊界的安全距離提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1臨床資料 選取吉林省腫瘤醫(yī)院放療科2020年6～12月收治的宮頸癌放療患者34例，均采用醫(yī)科達(dá)INFINITY加速器及圖像引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行治療，固定采用仰臥位，雙手上舉，Klarity腹部熱塑體膜及體板。

1.2CBCT掃描及圖像獲取 每例患者在治療過程中均接受1次/w的CBCT放療前掃描，選取圖像最清晰的5次CBCT圖像入組，共收集170組圖像，掃描采用INFINITY加速器自帶影像系統(tǒng)，掃描后立即將CBCT圖像與定位圖形進(jìn)行配準(zhǔn)，生成融合圖像及擺位誤差數(shù)據(jù)，采用三維床進(jìn)行誤差校正后將CBCT圖像回傳至醫(yī)科達(dá)MOSAIQ放療治療系統(tǒng)，用于擺位誤差的統(tǒng)計(jì)與分析。CBCT掃描參數(shù)，每幀電壓120 kV，電流40 mA，掃描角度-180°～180°。

1.3MOSAIQ系統(tǒng)圖像及誤差分析 利用MOSAIQ治療系統(tǒng)影像審核功能對(duì)CBCT回傳圖像進(jìn)行回顧分析，采用系統(tǒng)自帶MMI算法將CBCT圖像與定位圖像進(jìn)行精確配準(zhǔn)(圖1)，得到配準(zhǔn)后的融合圖像，再通過人工校對(duì)融合結(jié)果確保融合準(zhǔn)確，并分別記錄所有患者的校正數(shù)據(jù)，即患者在前后、左右、頭腳3個(gè)方向的平移擺位誤差大小x、y、z，冠狀面、矢狀面、橫斷面3個(gè)旋轉(zhuǎn)面上的旋轉(zhuǎn)誤差角度α、β、γ。

1.4旋轉(zhuǎn)擺位誤差的轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo) 如圖2所示，由于放療擺位過程中通常以治療中心點(diǎn)作為基準(zhǔn)即激光燈標(biāo)記線的校對(duì)，所以當(dāng)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)誤差θ時(shí)，距離治療中心點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)D會(huì)產(chǎn)生最大偏移，因此我們以位移D作為偏移系數(shù)，d設(shè)為點(diǎn)D到治療中心的距離，根據(jù)三角形的相關(guān)數(shù)學(xué)公式，我們可以得出公式：位移系數(shù)D=2sin(θ/2)d。

1.5分別測(cè)量患者在冠狀面、矢狀面、橫斷面上靶區(qū)邊緣距治療中心的最遠(yuǎn)距離a、b、c，利用1.4公式得到每個(gè)患者每次治療旋轉(zhuǎn)位移在冠狀面、矢狀面、橫斷面上所致的最大靶區(qū)位移。

1.6PTV擴(kuò)邊即CTV外擴(kuò)邊界的計(jì)算 擺位誤差來源于分次治療擺位過程中的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，系統(tǒng)誤差用所有分次擺位誤差的均值表示，隨機(jī)誤差用所有分次擺位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差表示。利用van Herk〔6〕推導(dǎo)的幾何邊界公式(MPTV=2.5Σ+ 0.7σ)分別計(jì)算 CTV 在 x、y、z 軸方向上的外放邊界MPTV值，其中Σ為誤差的平均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算MPTV時(shí)，所有分次誤差取絕對(duì)值。

1.7統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS21.0軟件進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn)。

圖1 通過MOSAIQ系統(tǒng)對(duì)回傳圖像與定位圖像進(jìn)行融合

圖2 轉(zhuǎn)角誤差θ對(duì)靶區(qū)位移的影響

2 結(jié) 果

2.1擺位誤差在左右、頭腳、前后上的位移 如圖3箱式圖所示，各個(gè)變量不存在顯著的異常值，經(jīng)過正態(tài)分布t檢驗(yàn)提示3個(gè)方向變量均符合正態(tài)分布，3個(gè)方向中頭腳方向的位移y最大為(0.49±0.37)cm，前后方向的位移z最小為(0.13±0.10)cm，左右方向的位移x的位移居兩者之間為(0.25±0.19)cm。采用1.6公式計(jì)算出左右、頭腳、前后的PTV擴(kuò)邊MPTV分別為0.76 cm、1.5 cm、0.40 cm。

2.2旋轉(zhuǎn)擺位誤差在冠狀面、矢狀面、橫斷面上的旋轉(zhuǎn)誤差角度α、β、γ，各旋轉(zhuǎn)面變量中均具有疑似異常值(圖4)，數(shù)據(jù)值大于1.5倍箱距，均無法使用t檢驗(yàn)。冠狀面、矢狀面、橫斷面3個(gè)旋轉(zhuǎn)面上的旋轉(zhuǎn)誤差角度α、β、γ分別為0.76°±0.60°、0.74°±0.60°、0.92°±0.79°，采用D=2sin(θ/2)d公式分別計(jì)算出位移系數(shù)，冠狀面A為(0.19±0.15)cm、矢狀面B為(0.18±0.16)cm，橫斷面C為(0.18±0.14)cm。

2.3通過對(duì)冠狀面、矢狀面、橫斷面上測(cè)量靶區(qū)邊緣部分距治療中心最遠(yuǎn)距離的測(cè)量，得到3個(gè)層面上的距中心最遠(yuǎn)距離分別為(14.78±2.93)cm、(14.53±2.7)cm、(11.90±2.35)cm，偏移系數(shù)分別為0.19±0.15、0.18±0.16、0.18±0.14。各個(gè)層面距離中心最遠(yuǎn)的靶區(qū)距離均大于10 cm，因此α角、β角、γ角產(chǎn)生的較大的轉(zhuǎn)角誤差-2.7°、-2.2°、-3.1°分別造成了靶區(qū)邊緣-0.57 cm、-0.69 cm、-0.52 cm誤差，從各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以看出旋轉(zhuǎn)誤差造成的靶區(qū)偏移不容忽視，且在靶區(qū)范圍寬廣的情況下，較小的轉(zhuǎn)角也會(huì)造成不小的靶區(qū)偏移。

圖3 左右、頭腳、前后數(shù)據(jù)顯著的異常值檢驗(yàn)

圖4 冠狀面、矢狀面、橫斷面旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)誤差角度α、β、γ顯著的異常值檢驗(yàn)

3 討 論

IGRT相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步使調(diào)強(qiáng)放療的精度得以保證，尤其在左右、前后、頭腳方向上的平移誤差，可以通過治療床修正與PTV擴(kuò)邊的方法避免放療時(shí)腫瘤脫靶，然而治療過程中患者身體各個(gè)方向上的旋轉(zhuǎn)造成的誤差通常被忽略，放療靶區(qū)勾畫系統(tǒng)和放療計(jì)劃系統(tǒng)并沒有應(yīng)對(duì)旋轉(zhuǎn)誤差的外擴(kuò)方式，CTV外擴(kuò)邊界的時(shí)候往往沒有被考慮。

本研究通過回顧性分析放療前CBCT的回傳圖像，與定位CT進(jìn)行配準(zhǔn)，得到前后左右頭腳平移及冠狀面、矢狀面、橫斷面旋轉(zhuǎn)共6種誤差。由于旋轉(zhuǎn)角度的誤差很難直觀的評(píng)價(jià)誤差的大小，本文將旋轉(zhuǎn)誤差導(dǎo)致的位移計(jì)算出來，以便更直觀的觀察旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致靶區(qū)偏轉(zhuǎn)的距離大小。本文通過相關(guān)數(shù)學(xué)直角三角形相關(guān)定理，推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的最大位移公式D=2sin(θ/2)d，也有國外學(xué)者采用D=dtanθ公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算〔3〕，相比之下本研究的計(jì)算公式更為精確，但在角度較小的情況下D=dtanθ公式計(jì)算結(jié)果與本研究公式計(jì)算結(jié)果極其近似，在實(shí)驗(yàn)過程中也采用D=dtanθ公式進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，轉(zhuǎn)換后得到的結(jié)果在小數(shù)點(diǎn)后兩位完全相同，但如果出現(xiàn)較大角度的旋轉(zhuǎn)位移D=dtanθ公式誤差會(huì)增加。本研究發(fā)現(xiàn)，宮頸癌放療靶區(qū)0.7～0.9°區(qū)間的旋轉(zhuǎn)誤差，就可以造成靶區(qū)邊緣近2 mm的擺位誤差，個(gè)別出現(xiàn)若大于2°的旋轉(zhuǎn)誤差，則可以造成靶區(qū)邊緣5～7 mm的靶區(qū)偏移。研究表明，宮頸癌5～7 mm的擺位誤差會(huì)產(chǎn)生明顯的劑量缺失〔7〕。雖然對(duì)距離放療中心的靶區(qū)影響較小，但仍會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)離中心CTV脫靶，造成邊緣劑量不足導(dǎo)致腫瘤未控及復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)加大，特別對(duì)于腹股溝或腹膜后淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移患者，靶區(qū)在矢狀面和冠狀面上偏移范圍更大，旋轉(zhuǎn)誤差的控制則顯得更為重要。

本研究中3個(gè)旋轉(zhuǎn)面的旋轉(zhuǎn)誤差均出現(xiàn)了疑似的異常值，而3個(gè)方向的平移誤差均未出現(xiàn)疑似異常值，分析可能由于定位與擺位過程中固定參考線均是針對(duì)平移誤差，沒有針對(duì)旋轉(zhuǎn)誤差的參考線及參考點(diǎn)，這就使擺位過程中旋轉(zhuǎn)誤差出現(xiàn)的不確定性增加。由于靶區(qū)勾畫系統(tǒng)并沒有針對(duì)旋轉(zhuǎn)誤差增加擴(kuò)邊的選項(xiàng)，如果出現(xiàn)重要靶區(qū)位于遠(yuǎn)離中心的位置，有必要增加PTV擴(kuò)邊以避免旋轉(zhuǎn)位移所致脫靶。對(duì)于旋轉(zhuǎn)所致的MPTV大小的確定，由于旋轉(zhuǎn)誤差的復(fù)雜性，尚不能用MPTV=2.5Σ+ 0.7σ公式進(jìn)行計(jì)算〔8〕，本研究的相關(guān)數(shù)據(jù)彌補(bǔ)旋轉(zhuǎn)誤差所需的擴(kuò)邊僅能提供基本的借鑒，本文推薦在能保證射野覆蓋完全的情況下盡可能將靶區(qū)中最重要的部分(通常為原發(fā)腫瘤)位于治療中心，以減小旋轉(zhuǎn)誤差的影響。

對(duì)于CBCT聯(lián)合六自由度治療床校正擺位誤差的治療方式，已經(jīng)有國內(nèi)外學(xué)者通過對(duì)比六自由度床校正前后擺位誤差的大小，結(jié)果顯示六自由度床可以有效地減小擺位誤差，使治療更精準(zhǔn)〔9～11〕。然而國內(nèi)相當(dāng)一部分治療機(jī)構(gòu)尚不具備每次放療行IGRT的條件，頻繁地使用CBCT及挪床校正會(huì)使治療時(shí)間延長，增加患者治療中移動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，而且對(duì)于常規(guī)分割放療來說頻繁地使用CBCT掃描也會(huì)增加患者所受劑量，從而增加第二原發(fā)腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)〔12〕，所以根據(jù)誤差的回顧分析計(jì)算PTV擴(kuò)邊仍然是避免脫靶的主要方式。

除本研究涉及的位移及旋轉(zhuǎn)的誤差外，組織器官內(nèi)部的充盈變化也會(huì)影響治療的精準(zhǔn)〔13，14〕，本文并沒有相關(guān)分析，主要是因?yàn)樵谘芯窟^程中也發(fā)現(xiàn)CBCT的圖像質(zhì)量尚不足以清晰的顯示體內(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)邊界，而且腸內(nèi)積氣、體形過胖、機(jī)器掃描頻繁都會(huì)使圖像質(zhì)量明顯降低〔15〕。不過本研究也發(fā)現(xiàn)調(diào)整掃描時(shí)間等相關(guān)參數(shù)可以使圖像質(zhì)量得到提高，這也是今后進(jìn)一步研究的方向。

綜上，宮頸癌根治性放療治療過程中的旋轉(zhuǎn)擺位誤差與平移擺位誤差同樣會(huì)造成明顯的靶區(qū)偏移，需要通過增加特殊的PTV擴(kuò)邊以確保避免靶區(qū)脫靶。