易良波，岳海振，李俊禹，胡鑒頎，陳吉祥，毛繼，盧子紅，王欽

1. 什邡市人民醫(yī)院 腫瘤科放療室，四川 德陽 618400；2. 北京大學腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所（放療科）/惡性腫瘤發(fā)病機制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點實驗室，北京 100142；3. 首都醫(yī)科大學附屬北京世紀壇醫(yī)院 放療科，北京 100038

引言

作為主流放療技術(shù)，容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療在靶區(qū)適形度和均勻性以及危及器官保護方面獨具優(yōu)勢，但在劑量投遞精度方面，對擺位精度相關(guān)的軟硬件設(shè)備提出了更高的要求[1-3]。基于千伏級機載錐形束CT 和高精度治療床的圖像引導放射治療技術(shù)（Image Guided Radiotherapy，IGRT）有效提高了腫瘤治療的擺位精度和治療效果[4-7]。

臨床實踐中，相對于三維治療床，在錐形束CT（Cone Beam CT，CBCT）與定位CT 圖像進行剛性配準時，六維治療床可提供6 個維度的校位信息，包括3 個平移方向和3 個旋轉(zhuǎn)方向，對于腫瘤體積較小或器官運動幅度較大的病例具有較大優(yōu)勢[8-10]。對于同一品牌的醫(yī)用直線加速器，三維和六維放射治療床之間價格差異較大，基層醫(yī)院出于經(jīng)濟層面的考量，配置相對謹慎[11-13]。因此，在絕大部分常見的放療病例中，如食管癌、鼻咽癌和盆腔部腫瘤，三維治療床與六維治療床在擺位誤差上的分布情況及其對比分析，對于基層醫(yī)院在開展放射治療時的軟硬件設(shè)備配置以及腫瘤放療在線校位階段的臨床決策具有較大參考價值。

本研究通過回顧性分析在瓦里安公司VitalBeam 型號加速器（配置六維治療床）上完成治療的3 種常見病例，分別采用六維和三維配準方式對放療全流程中產(chǎn)生的CBCT 圖像重新進行基于互信息方法的剛性配準，通過對比分析2 種配準方式之間誤差分布的情況，為臨床實踐中大量使用三維治療床時面臨的局限性提供六維擺位誤差信息，為放療流程管理提供一定的信息參考，以提高放療擺位效率與精準度。

1 資料與方法

1.1 基本資料

選取2020 年1 月至2022 年12 月在北京大學腫瘤醫(yī)院行容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療的3 種不同部位腫瘤患者共124 例為研究對象，其中，鼻咽癌患者50 例（女性12 例，33～72 歲，中位數(shù)54.5 歲，男性38 例23～71 歲，中位數(shù)50 歲）；食管癌患者49 例（女性7 例，46～65 歲，中位數(shù)60 歲；男性42 例，49～77 歲，中位數(shù)62 歲）；直腸癌患者25 例（女性8 例，48～86 歲，中位數(shù)56 歲；男性17 例，36～78 歲，中位數(shù)63.5 歲）。本研究經(jīng)北京大學腫瘤醫(yī)院倫理委員會審批通過（批準文號：2021KT32），所有患者均了解并簽署放療相關(guān)知情同意書，本研究不對患者治療方案做任何干預。

1.2 影像資料

患者均采用仰臥位，采用熱塑膜與Orfit 碳纖維體板進行固定，采用德國西門子公司Siemens 大孔徑模擬定位CT 進行掃描，圖像分辨率為512×512，像素大小為1.27 mm×1.27 mm，食管癌和直腸癌病例掃描層厚為5 mm，鼻咽癌為3 mm。治療計劃方案均在美國瓦里安Eclipse 15.6 上制定，在美國瓦里安VitalBeam 型號加速器上完成治療，該機器配置六維治療床。所有病例均在前3 次執(zhí)行CBCT 在線校位，此后每周執(zhí)行一次校位。

1.3 圖像配準方法

2 名技師采用CT 定位擺位方式對患者進行精確擺位，體位固定好后采用千伏級X 線發(fā)射源進行放療前低劑量旋轉(zhuǎn)掃描。千伏級平板探測器接收穿過人體衰減后的X 線能量后，操作軟件重建三維圖像：鼻咽癌部位重建CBCT 三維圖像層厚3 mm；食管癌與直腸癌部位重建CBCT 三維圖像層厚5 mm。根據(jù)臨床實踐中的實際情況，本研究均采用每個患者單次治療時采集的最后一組CBCT 圖像與計劃CT 圖像進行骨性配準?？紤]到感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI）的選擇對于互信息配準算法的影響[14-15]，在離線配準下對同一部位患者設(shè)定相同的ROI 區(qū)域，分別采用三維和六維的配準方法，得到線性方向：左右（Lateral，Lat）方向、進出（Longitudinal，Lng）方向、升降（Vertical，Vrt）方向和旋轉(zhuǎn)方向：進出旋轉(zhuǎn)（Rotation，Rtn）方向、左右旋轉(zhuǎn)（Roll）方向、頭腳旋轉(zhuǎn)（Pitch）方向的配準誤差，分別取絕對值之后進行統(tǒng)計分析。考慮到大部分基層醫(yī)院加速器硬件配置與臨床實際情況，本研究中的三維配準并未考慮Rtn 方向，僅研究3 個平移方向的偏差。

1.4 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 27.0.1 軟件對CBCT 圖像配準誤差數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，為避免擺位數(shù)據(jù)正負相抵，所有擺位誤差值均取絕對值；個體擺位誤差由個體系統(tǒng)誤差和個體隨機誤差組成，個體系統(tǒng)誤差為個體所有分次誤差的平均值，個體隨機誤差為個體所有分次誤差的標準差，結(jié)果用±s表示。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，對三維和六維方向的線性數(shù)據(jù)均采用正態(tài)分布檢驗與方差齊性檢驗，對方差齊的數(shù)據(jù)采用獨立樣本t檢驗，對方差不齊的數(shù)據(jù)采用秩和檢驗，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

本研究設(shè)定鼻咽癌、直腸癌與食管癌患者的CBCT配準誤差在平移方向與旋轉(zhuǎn)方向分別以3、5、5 mm/1.5°為標準對容差值分布進行統(tǒng)計，其次再分別設(shè)定平移方向容差值為2、4、4 mm 時統(tǒng)計3 個方向在該容差值范圍內(nèi)占總體擺位數(shù)量的比例。

2 結(jié)果

2.1 擺位誤差統(tǒng)計

本文采用Stroom 等[16]提出的定義：用患者每次擺位誤差的平均值表示個體系統(tǒng)誤差，每次擺位誤差的標準差表示個體隨機誤差。鼻咽癌、直腸癌與食管癌患者在三維與六維方向配準后的擺位誤差分布情況如表1 所示，對應P值與t/Z值如表2 所示。

表1 3個部位2種配準方式配準擺位誤差的分布情況（ ±s）

表1 3個部位2種配準方式配準擺位誤差的分布情況（ ±s）

注：Lat：左右；Lng：進出；Vrt：升降；Rtn：進出旋轉(zhuǎn)；Roll：左右旋轉(zhuǎn)；Pitch：頭腳旋轉(zhuǎn)。

分類三維配準六維配準Vrt/mmLng/mmLat/mmVrt/mmLng/mmLat/mmPitch/°Roll/°Rtn/°鼻咽癌 1.00±0.77 1.30±0.87 0.91±0.67 1.18±0.89 1.33±0.88 1.27±0.89 0.694±0.552 0.791±0.584 0.626±0.484直腸癌 1.28±1.09 2.01±1.44 1.88±1.23 1.43±1.17 2.05±1.41 1.92±1.26 1.032±0.904 0.662±0.521 0.600±0.491食管癌 0.97±0.72 1.92±1.32 1.81±1.34 1.16±0.85 1.86±1.29 1.79±1.26 0.727±0.574 0.675±0.571 0.526±0.443

表2 3個部位2種配準方式在平移方向的統(tǒng)計學分析

2.2 線性方向數(shù)據(jù)分析

如表2 所示，在兩種配準方式下，鼻咽癌與直腸癌患者的Vrt 與Lat 方向上差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），Lng 方向數(shù)據(jù)方差不齊，采用秩和檢驗，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；食管癌患者Vrt 方向的數(shù)據(jù)差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），而在Lng 和Lat 方向上數(shù)據(jù)方差不齊，采用秩和檢驗，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；3 個部位的Lng 方向差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；臨床上設(shè)定鼻咽癌、直腸癌、食管癌3 個部位平移方向的容差值分別為3、5、5 mm 時，其中2、4、4 mm 容差范圍的數(shù)量占比較大；在平移方向，2 種配準方式的擺位誤差基本都在臨床設(shè)定值范圍內(nèi)。

2.3 旋轉(zhuǎn)方向數(shù)據(jù)分析

六維配準顯示鼻咽癌患者的Pitch 方向與食管癌和直腸癌患者3 個旋轉(zhuǎn)方向的擺位誤差較大，見表3。旋轉(zhuǎn)方向大于1.5°時，在Pitch 方向的鼻咽癌患者存在一定數(shù)量；食管癌與直腸癌患者在3 個旋轉(zhuǎn)方向的患者量也存在較大比例，但在Pitch 與Roll 方向的患者量最多。

表3 3個部位患者在3種旋轉(zhuǎn)方向度數(shù)大于1.5°時對應數(shù)量所占比例（%）

2.4 容差范圍分析

按照當前的擺位方式，見圖1～3，當鼻咽癌、直腸癌與食管癌患者的擺位誤差在三維與六維的平移方向的容差值分別為2、4、4 mm 時，配準誤差在該范圍內(nèi)所占的比例基本一致，而且所占比例遠遠大于2～3 mm、4～5 mm、4～5 mm 所占的比例。由此可得，可適度要求配準校準誤差以提高放療擺位精度，減少患者受照范圍。

圖1 鼻咽癌患者平移方向在2種配準方式下配準后容差值分別為3 mm與2 mm時，絕對值＞3 mm與絕對值≤2 mm的數(shù)量分別占總體數(shù)量的比例

圖2 直腸癌患者平移方向在2種配準方式下配準后容差值分別為5 mm與4 mm時，絕對值＞5 mm與絕對值≤4 mm的數(shù)量分別占總體數(shù)量的比例

圖3 食管癌患者平移方向在兩種配準方式下配準后容差值分別為5 mm與4 mm時，絕對值＞5 mm與絕對值≤4 mm的數(shù)量分別占總體數(shù)量的比例

3 討論

擺位精度對于保證靶區(qū)治療的有效性和危及器官的安全性至關(guān)重要，因此提高患者單次擺位精度，保證分次間的體位重復性有利于放療計劃方案的精確投遞[17-18]。IGRT 技術(shù)通過CBCT 與定位CT 圖像的圖像配準，獲取三維配準誤差，從而通過移動治療床實現(xiàn)在線校位，保證放療精度[19-22]。因此，治療床本身的性能和精度也尤為重要。六維放射治療床屬于直線加速器治療床的高端配置，一般經(jīng)濟實力較強的大型三甲醫(yī)院會選擇該配置，而大量醫(yī)院特別是基層醫(yī)院出于經(jīng)濟層面的考量，主要配置三維放射治療床。

本研究回顧性地分析了3 種臨床常見部位的放療患者，在離線配準下分別選擇三維放射治療床的線性方向和六維放射治療床的線性與旋轉(zhuǎn)方向進行剛性配準，通過對比分析擺位誤差的分布，探索三維床相對于六維床在臨床應用中的差異和可替代性。

本研究顯示，在三維與六維配準下，鼻咽癌患者在Lng 方向上差異均無統(tǒng)計學意義，而在Vrt 與Lat 方向上差異有統(tǒng)計學意義，這與Chiu 等[23]的研究結(jié)果一致；直腸癌患者的線性擺位誤差與鼻咽癌患者呈現(xiàn)相似的分布規(guī)律；食管癌患者在Lng 與Lat 方向上差異無統(tǒng)計學意義，在Vrt 方向上的擺位誤差差異有統(tǒng)計學意義；六維配準提示旋轉(zhuǎn)方向擺位誤差大于1.5°時所占比例不小，且在Roll 方向上最為明顯，該結(jié)果與謝志原等[24]的研究結(jié)果一致。究其原因，頭頸患者因為頭的輕微上揚或頸椎的僵直都會影響其在Pitch 方向上的旋轉(zhuǎn)；食管癌與直腸癌患者靶區(qū)周邊運動器官豐富，旋轉(zhuǎn)方向易受患者體型與腸道內(nèi)容物變化的影響；當旋轉(zhuǎn)方向偏差大于1.5°時則需要對患者再次擺位或調(diào)整患者呼吸或加強飲食管理。

大部分醫(yī)院的臨床擺位誤差要求頭頸擺位誤差在3 mm 以內(nèi)，胸部與盆腔擺位誤差在5 mm 以內(nèi)，3 個部位的旋轉(zhuǎn)誤差建議控制在1.5°以內(nèi)；2 種配準方式在平移方向的配準精度均可滿足臨床使用要求，但是三維無法全面地反饋旋轉(zhuǎn)方向的誤差信息。鼻咽癌、食管癌與直腸癌患者在平移方向的容差值分別為2、4、4 mm 時，3 個部位在該范圍內(nèi)所占數(shù)量很大且比例基本一致，而誤差在2～3 mm、4～5 mm、4～5 mm 時所占比例遠小于前三個容差值所占比例。通過本研究，在放療擺位全流程管理中，使用三維放射治療床時，對頭頸部患者可加強Pitch 方向上的管理，對盆腔患者可加強3 個旋轉(zhuǎn)方向的管理，對食管癌患者應加強Pitch 與Roll 方向上的管理。

在實際臨床應用中，每個單位的放療流程管理與擺位技術(shù)在細節(jié)上都可能存在細微差異，本次研究的不足之處在于僅限于對頭頸、食管與直腸癌癥患者放療前的擺位誤差進行了探討，若再結(jié)合校準后的誤差值以及其他部位的擺位誤差進行更全面的研究與探討的話，對三維治療床的臨床應用便可提供更全面的參考信息。

4 結(jié)論

三維治療床與六維治療床在平移方向的配準精度相當，但三維治療床配準時無法反饋旋轉(zhuǎn)方向的擺位誤差，對此可針對性地進行全流程的質(zhì)控管理，彌補硬件設(shè)備性能上的不足，從而達到提高擺位效率和精度的目的。