彭海燕，毛開金，何 陽，羅煥麗，靳 富

(重慶大學附屬腫瘤醫(yī)院/重慶市腫瘤研究所/重慶市腫瘤醫(yī)院放療科 400030)

零輻射光學引導放療已成功應用于臨床[1-2]。Catalyst系統(tǒng)采用結構光原理，可實時跟蹤患者體表輪廓并與參考影像配準，獲取患者六維方向的亞毫米偏差并及時反饋，通過不同顏色光指導治療師快速糾正擺位誤差。在患者治療期間還可驅動呼吸門控開關[3-4]。

近年來Catalyst系統(tǒng)內(nèi)置算法逐漸升級，在原有剛性算法下新增一套彈性算法。彈性算法可在配準計算中優(yōu)化權重比，理論上針對形變位移更具有優(yōu)勢，誤差計算準確率更高?；谀[瘤患者，前期研究發(fā)現(xiàn)[7-10]，Catalyst系統(tǒng)易受患者的年齡、BMI、膀胱容積及皮膚狀態(tài)的影響[5-6]；而基于Catalyst系統(tǒng)本身，有學者針對模體展開研究[11]，發(fā)現(xiàn)彈性算法與剛性算法在非形變位移中基本無差異，而在形變位移中差別較大。

Catalyst系統(tǒng)在頭頸部腫瘤患者放療中的應用目前已有深入研究[12-13]，在頭頸放療過程中，形變位移和非形變位移均存在。但Catalyst系統(tǒng)內(nèi)由不同參考影像、不同算法、不同感興趣區(qū)(ROI)導致的頭頸患者的擺位誤差差異鮮有報道，故本研究旨在探討Catalyst系統(tǒng)采用不同配準算法、參考影像、ROI對不同年齡、性別的頭頸部腫瘤患者的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2019-2020年收治的頭頸部腫瘤患者33例，均為鼻咽癌，其中男18例，年齡27～69歲，中位年齡53歲，女15例，年齡33～84歲，中位年齡54歲。所有患者均由資深物理師在Varian Eclipse三維治療計劃系統(tǒng)中制訂計劃，9野調(diào)強放療(IMRT)，劑量50 Gy分25次實施，治療計劃由Varian IX直線加速器傳輸。

1.2 擺位固定和影像配準

用Daily QA3和Daily Check phantom分別對加速器和Catalyst系統(tǒng)進行晨檢。33例頭頸部腫瘤患者均采用頭頸肩熱塑膜仰臥位固定體位。首次擺位流程：基于激光與膜上標記擺位后，采用瓦里安機載錐形束CT(CBCT)影像系統(tǒng)驗證，平移擺位誤差均≤3 mm，移床糾正誤差；應用Catalyst系統(tǒng)進行頭頸部參考影像的采集，先采集有膜圖像并拍照，隨后囑患者保持不動，一位治療師監(jiān)督，另一位治療師取膜迅速采集無膜圖像并拍照，完畢后迅速扣膜，再次采集有膜圖像驗證，并再次行CBCT驗證。第2次CBCT在左右(LR)、頭腳(SI)、腹背(AP)的偏差均≤1 mm認為是有效數(shù)據(jù)，否則舍棄，2次拍照圖像分別為有膜、無膜的參考影像(有膜ImagCat、無膜ImagCat)。以后每次擺位流程：常規(guī)擺位后，應用Catalyst系統(tǒng)分別采集患者無膜、有膜的實時影像并配準，治療師依據(jù)投射至患者體表的不同顏色光進行局部校準，采集無膜影像后迅速扣膜，再采集有膜影像驗證無誤，每周進行1次CBCT驗證。CBCT曝光條件為75 kV，200 mA，25 ms，影像匹配均為骨性配準。Catalyst系統(tǒng)增益與積分時間參數(shù)設置標準：獲取的表面影像呈灰白色且剛好出現(xiàn)紅色曝光點。在Catalyst系統(tǒng)軟件后臺進行參考影像(定位CT：ImagCT，體表光學：有膜ImagCat、無膜ImagCat)、配準算法(彈性：Algoela、剛性：Algorig)、ROI(頭+頸：ROIHN、頭：ROIH、頸：ROIN)的更改并計算相應的擺位誤差。記錄患者性別、年齡，CBCT擺位誤差(SECBCT)及Catalyst系統(tǒng)在3個平移方向下(LR、SI、AP)及3個對應旋轉方向[左右旋轉(Roll)、頭腳旋轉(Rot)、腹背旋轉(Pitch)]的擺位誤差(SECat)。

1.3 統(tǒng)計學處理

2 結 果

2.1 CBCT與Catalyst系統(tǒng)在頭頸放療中的擺位差異

33例患者(共計262組數(shù)據(jù))的擺位誤差見表1，Varian Ⅳ直線加速器常規(guī)行CBCT驗證時只考慮三維平移誤差。差異性分析可見：SECBCT與患者有膜狀態(tài)下的SEcat(有膜SEcat)；無膜狀態(tài)下的SEcat(無膜SEcat)在平移方向均存在一定差異(P<0.05)，無膜SEcat與CBCT更接近。

2.2 頭頸放療中Catalyst系統(tǒng)監(jiān)測在不同參考影像、配準算法下的擺位誤差比較

以ImagCT和ImagCat為參考的SEcat比較：在LR方向上，>45～60歲的男性患者、>60歲的女性患者有膜SEcat和無膜SEcat，≤45歲的患者無膜SEcat，>60歲的男性患者有膜SEcat差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。在Algoela下，除SI方向外，≤45歲的男性患者無膜SEcat差異也無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

以ImagCat為參考，Algoela與Algorig的2種配準算法的SEcat比較，見圖1：紅色為女性，黑色為男性，P值越小，兩者差異性越大。LR、SI、AP方向上的SEcat分析顯示：≤60歲的男性患者Algoela與Algorig的有膜SEcat和無膜SEcat差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，>60歲時在SI方向開始出現(xiàn)較小差異：Algoela與Algorig的有膜SEcat分別為(0.22 ±1.43)、(-0.27 ±0.51)mm，無膜SEcat分別為(0.72±2.76)、(1.24 ±2.93)mm。女性患者在LR方向上，Algorig和Algoela的有膜SEcat和無膜SEcat差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

黑色為男性，紅色為女性。a：P 0.05～0.01；b:P 0.01～0.001。

2.3 頭頸放療中Catalyst監(jiān)測在不同ROI下的擺位誤差比較

在Catalyst系統(tǒng)軟件后臺進行每分次實時影像的截取，在不改變圖像質量的前提下分別截至頭部和頸部并保存。在軟件后臺同一參考影像下更替ROI下(ROIHN、ROIH、ROIN)的不同實時影像并計算相應的擺位誤差。因后臺不能進行參考影像的截取，參考影像仍為頭頸部輪廓。本研究發(fā)現(xiàn)在Algorig下實時影像更替為ROIH、ROIN后Catalyst配準擺位誤差出現(xiàn)異常(>100 mm)，而選擇Algoela進行Catalyst配準卻無異常發(fā)生。因此，本研究在不同ROI下(ROIHN、ROIH、ROIN)的SEcat僅納入Algoela分析。研究發(fā)現(xiàn)在ROIHN、ROIH、ROIN下，因參考的選取不同而配準得到的SEcat差異較大，僅有少數(shù)情況差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，其中包括：(1)分別以ImagCT、有膜ImagCat、無膜ImagCat為參考對比分析時，≤45歲、>60歲的男性患者在LR方向的有膜SEcat監(jiān)測，≤45歲的男性、>60歲的女性患者在Rot和Pitch方向的無膜SEcat監(jiān)測；(2)分別以有膜、無膜ImagCat為參考對比分析時，男性患者≤45歲在SI方向、>45～60歲在AP和Roll方向、>45歲在Pitch方向，女性患者≤45歲在Roll方向、>45歲在SI方向的有膜SEcat和無膜SEcat。見表2。

以有膜ImagCat、無膜ImagCat為參考的擺位誤差，即有膜SEcat、無膜SEcat與年齡的相關性見表3：>45～60歲的男性患者在SI方向，不同ROI分析下的無膜SEcat與年齡均呈正相關(r=0.421、0.414、0.409)?！?5歲的女性患者在SI方向，無膜SEcat與年齡均呈負相關(r=-0.321、-0.537、-0.601)，>60歲的女性患者在LR方向，有膜SEcat與年齡均呈顯著正相關(r=0.557、0.679、0.637)。見表3。采用ROIHN、ROIH、ROIN分析的無膜SEcat差異見表4：除ROIHN與ROIN在LR方向上的無膜SEcat基本無差異外，其他無膜SEcat在各方向、各年齡段均存在一定差異(P<0.05)。

表1 CBCT與Catalyst引導頭頸部腫瘤患者的擺位誤差分布

表2 分別在ROIHN、ROIH、ROIN下采用不同參考影像的擺位誤差(P值)

方向年齡ImagCTvs. 無膜ImagCat女ROIHNROIHROINImagCat有膜 vs. 無膜ImagCat男ROIHNROIHROIN女ROIHNROIHROINLR≤45歲0.305 0.001 <0.001 <0.001 0.057 <0.001 0.025 <0.001 <0.001 >45～60歲<0.001 0.105 <0.001 0.049 0.027 0.040 <0.001 0.006 0.001 >60歲0.414 0.005 0.676 0.265 0.116 0.021 0.017 0.002 0.001

續(xù)表2 分別在ROIHN、ROIH、ROIN下采用不同參考參考影像的擺位誤差(P值)

表3 Catalyst在ROIHN、ROIH、ROIN下有膜、無膜擺位誤差與年齡的相關性(r值)

表4 在ROIHN、ROIH、ROIN下的Catalyst無膜擺位誤差 (P值)

3 討 論

Catalyst表面光學成像系統(tǒng)通過投射不同顏色的光指導治療師糾正患者的擺位誤差，應用結構光原理進行參考影像和實時影像的配準。CBCT與Catalyst引導頭頸放療擺位存在較好的相關性[14]，鼻咽癌體外誤差與體內(nèi)誤差間也具有良好的一致性[15]，本研究中無膜SEcat與SECBCT稍有差異，主要是因為CBCT未配準旋轉方向的擺位誤差。而Catalyst系統(tǒng)進行了六維方向擺位誤差的配準，是否考慮旋轉本身存在一定差異[16]。本研究旨在探討針對不同年齡、性別的頭頸部腫瘤患者，Catalyst系統(tǒng)采用不同配準算法、參考影像、ROI計算的擺位誤差差異。

Catalyst系統(tǒng)采用不同參考影像引導頭頸擺位，差異性分析發(fā)現(xiàn)：ImagCT與有膜ImagCat差異較無膜ImagCat更大?！?5歲的患者在Catalyst無膜監(jiān)測下，ImagCT替代無膜ImagCat僅LR方向應用Algoela、Algorig2種算法配準的無膜SEcat無差異。CT為斷層掃描，由DICOM影像中提取圖像邊緣輪廓，再基于體素的等值面法實現(xiàn)三維重建[17]，掃描參數(shù)的選取和掃描時體素位置的不同對三維重建輪廓及放射治療計劃系統(tǒng)(TPS)自動勾畫有較大影響[18]，由此導致ImagCT和ImagCat存在一定差異。有研究報道由于鼻和前額的輪廓差異，光學監(jiān)測鼻部動度更加精準[19]；≤45歲的患者頭頸部輪廓明顯，LR方向移動會引起較大輪廓曲率改變，Catalyst系統(tǒng)在2種算法下對此信息的捕捉均較敏感，故采用ImagCT和ImagCat在LR方向基本無差異。

以ImagCat為參考，Catalyst系統(tǒng)采用不同算法進行擺位誤差的配準，差異性分析發(fā)現(xiàn)：應用Algorig和Algoela的有膜SEcat及無膜SEcat，平移方向上，男性患者除>60歲時SI方向存在差異，其他均無差異，女性患者LR方向無差異，而SI方向差異最大；男性在Pitch方向無膜SEcat差異最大。因治療師行頭頸擺位時，患者很易下巴過揚或過低，老年患者因不易配合，導致SI方向和Pitch方向易出現(xiàn)形變位移。PALLOTTA等[11]基于模體的研究報道，Algorig和Algoela下的無膜SEcat非形變位移基本無差異；形變位移中Algoela的無膜SEcat在LR、SI和Pitch方向監(jiān)測更準確：LR方向誤差可由1.9 mm降低至1.1 mm，SI由1.1 mm降低至0.6 mm，Pitch由0.8°降低至0.4°。由此，本研究建議將彈性算法(Algoela)設置為默認算法，更能準確監(jiān)測偏差，實現(xiàn)精準放療。

以ImagCat為參考，采用Algoela進行擺位誤差的配準，在不同ROI下分別分析參考影像間的差異和患者年齡對擺位誤差的影響，發(fā)現(xiàn)采用不同ROI分析的結果中規(guī)律一致(均無差異)的情況較少。有學者應用AlignRT光學系統(tǒng)對頭頸部模體的2個ROI進行監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)[19]，以鼻為ROI，監(jiān)測精度可達(0.3±0.2)mm，而以前額為ROI，對LR、SI、AP 3個方向的監(jiān)測均出現(xiàn)更大偏差，其中SI方向偏差最大，可達(0.8±0.5)mm，由此說明ROI的選擇對光學監(jiān)測的影響較大，與本次應用Catalyst系統(tǒng)基于頭頸部腫瘤患者的研究結果一致。本研究針對ROIHN、ROIH、ROIN進一步詳細分析，發(fā)現(xiàn)僅在Rot和Pitch方向，≤45歲的男性患者及>60歲的女性患者對ROI及參考影像的依賴較小，這可能是由于青年男性患者面部脂肪少，輪廓明顯，而女性患者面部脂肪多，隨年齡增加面部脂肪量下降，老年時面部輪廓明顯[20]，故在不同參考影像下的光學監(jiān)測差異較??；同時常規(guī)擺位時膜具可控制頭頸旋轉在較小的范圍，因頭部旋轉會牽引頸部旋轉，故在不同ROI下Rot和Pitch方向的旋轉基本無差異。>45～60歲的男性患者在SI方向，不同ROI分析下的無膜SEcat與年齡均呈正相關，有學者也報道隨年齡增加，皮膚彈性變?nèi)?，頭頸部無膜SEcat增大，與男性患者年齡呈正相關[8]。ZHAO等[21]將面部和頸部分別行AlignRT光學監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)頸部的動度較頭部更大，由此說明頭頸整體的監(jiān)測結果中，頸部對擺位誤差的貢獻更大，本研究將ROIHN、ROIH、ROIN的擺位誤差進行比較也發(fā)現(xiàn)，ROIHN與ROIN的在LR、SI、AP方向上的無膜SEcat基本無差異，而ROIH與上述差異較大。由此，采用Catalyst系統(tǒng)引導頭頸擺位時，根據(jù)患者靶區(qū)位置選擇ROI，更能提高監(jiān)測精度。

綜上所述，光學表面成像系統(tǒng)引導頭頸放療擺位具有一定的臨床價值[22-23]，Catalyst系統(tǒng)目前應用廣泛[24-26]。經(jīng)論證，本研究建議應用Catalyst系統(tǒng)引導頭頸擺位時，以ImagCat為參考(CBCT、kV-kV等驗證)，在Algoela下，選擇靶區(qū)所在的特定ROI(頭、頸等)，并充分暴露體表，可更精確地指導治療師擺位。