兆伏級CT對胸腹段腫瘤放射治療影響與提高治療精度因素的研究

劉曉東 李婷婷 周 娟 陳 海

兆伏級CT對胸腹段腫瘤放射治療影響與提高治療精度因素的研究

劉曉東①李婷婷②周 娟①陳 海①

目的：運用高能X射線計算機體層攝影(MVCT)圖像引導(dǎo)對胸腹部腫瘤螺旋斷層放射治療擺位誤差進(jìn)行評估，分析影響擺位精度的因素，提高臨床放射治療精度。方法：隨機選取40例胸腹部腫瘤根治患者病例，通過MVCT圖像引導(dǎo)下自動配準(zhǔn)結(jié)合手工配準(zhǔn)后所得到的1218組擺位誤差數(shù)據(jù)與分布頻次，分析減少臨床擺位誤差的方法，改進(jìn)和提高放射治療精度的流程規(guī)范。結(jié)果：通過計算可以得出系統(tǒng)誤差±隨機誤差在X軸、Y軸及Z軸方向上分別為(1.43±1.24)mm、(5.12±1.41)mm及(1.55±1.18)mm，最終手動參與配準(zhǔn)執(zhí)行后為(1.36±1.18)mm、(5.02±1.35) mm及(1.46±1.12)mm。Y軸方向平均誤差最大，其次是Z軸方向，X軸方向的平均誤差最小。結(jié)論：胸腹部腫瘤擺位誤差較大，但通過配準(zhǔn)可以量化地減少擺位誤差，經(jīng)分析放射治療流程中產(chǎn)生誤差環(huán)節(jié)，總結(jié)有效提高擺位精度的方法，為精確放射治療提供必要的質(zhì)量保證。

螺旋斷層放射治療；圖像配準(zhǔn)；兆伏級CT；擺位誤差；精度

劉曉東,男,(1977- ),碩士，工程師。廣州總醫(yī)院腫瘤科，從事放射治療物理與質(zhì)量控制工作。

螺旋斷層放射治療(Tomotherapy)作為影像引導(dǎo)放射治療的新技術(shù)，通過約3.5 MV的兆伏級高能X射線計算機體層攝影(megavoltage computed tomogra phy，MVCT)的成像模式采集患者斷層圖像，與治療計劃的原始圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，確定治療靶區(qū)和重要結(jié)構(gòu)的相對位置和運動，進(jìn)行位置或劑量的在線驗證和校準(zhǔn)。本研究通過對以MVCT圖像引導(dǎo)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，對擺位偏差的結(jié)果和影響精度的因素進(jìn)行分析研究，為放射治療臨床擺位給予借鑒和指導(dǎo)。

在施行Tomotherapy治療前，運用MVCT進(jìn)行圖像引導(dǎo)的過程中患者有計劃之外的小劑量照射，不同研究具有差異，但總體而言，MVCT掃描時間一般＜3 min，成像劑量≤2 cGy，一般小于每日治療處方劑量的1﹪，可用于臨床治療前的圖像配準(zhǔn)[1-2]。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2016年1月至2016年6月廣州總醫(yī)院腫瘤科收治的40例胸腹部腫瘤患者，其中男性22例，女性18例，年齡19～78歲，中位年齡48歲。對患者資料進(jìn)行回顧性分析，所有病例均經(jīng)病理組織學(xué)確診，在執(zhí)行完放射治療根治量的病例中隨機選取。所有患者均簽署放射治療知情同意書。

1.2 儀器與材料

定位掃描設(shè)備為16排SIEMENS Biograph 16HR PET/CT機(德國西門子)，輔助使用國產(chǎn)全碳素纖維固定板與熱塑體膜固定。治療設(shè)備與配準(zhǔn)設(shè)備為Tomotherapy Hi-Art放射治療機及配套軟件系統(tǒng)(美國)。

1.3 治療方法

放射治療前患者擺位完成后進(jìn)行MVCT掃描，掃描條件選取Normal，掃描層厚為4 mm。體位固定均采用仰臥位，身體處于自然狀態(tài)，保持均勻呼吸，雙手置于身體兩側(cè)，無不適狀態(tài)。

利用Tomotherapy的MVCT圖像與患者定位后勾畫靶區(qū)的計劃圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)包括靶區(qū)和附近組織結(jié)構(gòu)的橫斷位、冠狀位及矢狀位3個方向。

1.4 觀察與評價指標(biāo)

自動配準(zhǔn)完成后使用治療機的棋盤方格工具檢驗配準(zhǔn)結(jié)果，觀察外輪廓、骨質(zhì)及靶區(qū)附近組織結(jié)構(gòu)的重合程度，如有必要進(jìn)行額外的手動配準(zhǔn)，確定擺位誤差的接受限值，如果配準(zhǔn)數(shù)據(jù)超出限值，分析原因再重新擺位配準(zhǔn)至可接受范圍。配準(zhǔn)完成后得到患者左右(X軸)、頭腳(Y軸)以及上下(Z軸)方向的擺位誤差數(shù)據(jù)。

對于自動配準(zhǔn)中旋轉(zhuǎn)＞2°的患者需重新擺位；對于擺位誤差＞12 mm的不予治療，需重新擺位。治療過程中有疑慮的情況下，通過模擬機正位或側(cè)位透視等方法，對患者體膜的松緊度、擺位重復(fù)性評價后才可進(jìn)行繼續(xù)治療。

2 結(jié)果

患者每次治療前均施行MVCT掃描，獲得的MVCT圖像與計劃設(shè)計的圖像配準(zhǔn)，如圖1所示。

圖1 棋盤方格工具配準(zhǔn)結(jié)果

自動配準(zhǔn)數(shù)據(jù)不作為擺位誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)，最后擺位是參考自動配準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)合手動配準(zhǔn)后執(zhí)行。自動配準(zhǔn)數(shù)據(jù)與最終執(zhí)行配準(zhǔn)數(shù)據(jù)均為1218組。

2.1 系統(tǒng)誤差與隨機誤差統(tǒng)計

自動配準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)在X軸、Y軸及Z軸方向上，系統(tǒng)誤差和隨機誤差分別為(1.43±1.24)mm、(5.12±1.41)mm及(1.55±1.18)mm。最終執(zhí)行配準(zhǔn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差和隨機誤差分別為(1.36±1.18)mm、 (5.02±1.35)mm及(1.46±1.12)mm。兩組數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：Y軸方向平均誤差最大，其次是Z軸方向，X軸方向的誤差最小。

2.2 擺位誤差頻次數(shù)據(jù)統(tǒng)計

最終手動參與配準(zhǔn)執(zhí)行擺位誤差頻次數(shù)據(jù)為：≤2 mm的頻次在X軸、Y軸及Z軸方向上依次為618、82及551；擺位誤差2～5 mm的頻次在X軸、Y軸及Z軸方向上的頻數(shù)依次為559、481及580；擺位誤差5～8 mm的頻次在X軸、Y軸及Z軸方向上的頻數(shù)依次為41、586及87；擺位誤差≥8 mm的頻次在X軸、Y軸及Z軸方向上依次是0、69及0；擺位誤差＞12 mm的頻次不予治療，需重新擺位，見表1。

表1 最終執(zhí)行的配準(zhǔn)誤差頻次

2.3 對放射治療擺位精度影響

通過以上結(jié)果分析，結(jié)合臨床治療過程觀察可以得出，胸腹部腫瘤患者在放射治療過程中，擺位誤差較大，重復(fù)性較差，但仍然存在一定規(guī)律，Y軸方向平均誤差最大，其次是Z軸方向，X軸方向的平均誤差最小，每次治療前掃描MVCT，通過圖像自動引導(dǎo)結(jié)合人工配準(zhǔn)方式可以有效地提高擺位的精度。

2.4 對靶區(qū)勾畫參考

不同情況下靶區(qū)勾畫時，實際需要的外放邊界不同，對于不同患者、不同腫瘤及不同分期在三維方向上勾畫均不一致。在臨床實際工作中，胸腹部腫瘤患者的計劃靶區(qū)邊界勾畫時，可以參考以上數(shù)據(jù)再結(jié)合個體情況，采用不同的外放邊界，計算出靶區(qū)的理論外擴邊界，其Van Herk推薦外擴邊界計算為公式1：

式中∑定義為系統(tǒng)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，σ定義為隨機誤差的標(biāo)準(zhǔn)差[3]。

需要強調(diào)的是，任何純粹的數(shù)據(jù)分析和理論推導(dǎo)僅供臨床醫(yī)生勾畫時參考，不能作為勾畫時的標(biāo)準(zhǔn)。

3 討論

隨著放射治療技術(shù)的發(fā)展，臨床對擺位的精確度要求更為嚴(yán)格，有研究指出，對于一些典型病例，如果危及器官鄰近治療靶區(qū)時，形成陡降的劑量梯度，這時幾毫米的誤差將會嚴(yán)重影響實際的治療效果[4-5]。

Tomotherapy的MVCT影像引導(dǎo)擺位可以明顯減少擺位過程中的誤差，提高放射治療擺位的精確度，但仍然有不足之處。Tomotherapy有Bone image、Bone and Tissue image以及Full images三種配準(zhǔn)方式，但是兆伏級和千伏級X射線在生物物理方面的效應(yīng)不同，因此無法克服圖像對比度和組織分辨率不同帶來的影響。

由于通常影像引導(dǎo)擺位選擇掃描層面有限，匹配的層面常小于治療的靶區(qū)層面，局部的精確并不能保證整個靶區(qū)的精確性。若靶區(qū)進(jìn)行分段圖像引導(dǎo)，可能會提高靶區(qū)配準(zhǔn)的精確度，但也無法完全保證匹配的全局最優(yōu)，還會導(dǎo)致患者治療時間的增加。若靶區(qū)較大，全靶區(qū)掃描，患者治療時間明顯增加。

有研究指出，患者位于旋轉(zhuǎn)軸心的組織結(jié)構(gòu)相對射野變化小，而遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸心的組織結(jié)構(gòu)則相對位移較大[6]。Astreinidou等[7]的研究表明，平均值為1°的旋轉(zhuǎn)誤差不會影響95﹪的CTV接受處方劑量。Remeijer[8]等報道，旋轉(zhuǎn)誤差造成的劑量改變很小，可以忽略。雖然在實際擺位中，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生幅度較小，但為避免旋轉(zhuǎn)可能造成的較大劑量誤差，對于自動配準(zhǔn)中旋轉(zhuǎn)＞2°的患者要求重新擺位。

本研究在臨床工作中發(fā)現(xiàn)，有些經(jīng)驗較少的醫(yī)生在靶區(qū)勾畫時患者身體本身不對稱或自然扭轉(zhuǎn)提出異議，使得制膜定位的技師受到影響而遷就醫(yī)生造成患者不當(dāng)體位，影響擺位精度。因此，強調(diào)制膜定位時患者的舒適性作為首要，否則對體位的可重復(fù)性影響很大?？紤]到實際的情況，本研究在制膜定位時結(jié)合真空墊及托架等固定設(shè)備，可以期望得到良好的可重復(fù)性體位。定位前模擬機正側(cè)位透視等方法對于體位確定也是很好的質(zhì)量控制手段。

胸部腫瘤放射治療過程，正常的呼吸運動和心臟跳動引起腫瘤和器官的生理性運動會嚴(yán)重影響治療過程中的精度。已有多項研究報道了肺癌、乳腺癌和上腹部惡性腫瘤中，靶區(qū)和相應(yīng)解剖結(jié)構(gòu)隨呼吸運動的特點，包括主動或被動呼吸門控技術(shù)和呼吸追蹤技術(shù)等新技術(shù)可用于彌補腫瘤運動所致誤差，并減少靶區(qū)的外放間距和周圍正常組織不必要的照射[9-10]。

臨床治療中發(fā)現(xiàn)，腹部臟器的充盈，腹式呼吸，膀胱充盈程度也是影響腹部或者下腹部放射治療精確性的重要因素[11-13]。控制或者訓(xùn)練患者飲食飲水，均勻呼吸，甚至治療時間的合理安排等可以有效提高治療精度。

Hou等[14]通過MVCT發(fā)現(xiàn)，患者由于體重減輕造成Z軸方向可能會＞3 mm的誤差，因此在有疑慮的情況下，通過模擬機正位或側(cè)位透視等方法，對患者體膜的松緊度、擺位重復(fù)性評價也相當(dāng)重要，同時也需要有經(jīng)驗的醫(yī)師與技師共同參與評價。

治療過程中也會偶發(fā)無法估計的特殊情況，如腹部腫瘤放射治療擺位過程中，發(fā)現(xiàn)自動配準(zhǔn)頭腳Z軸方向偏差＞40 mm，治療技師立即暫停，會同主管物理師共同分析，最終明確原因，提示MVCT掃描有限的范圍，使得治療機自動配準(zhǔn)錯位了一個整胸椎，造成極大誤差。此特例表明，不僅要依托先進(jìn)的技術(shù)，同時需要對放射治療流程嚴(yán)格執(zhí)行，對放射治療技師影像解剖水平提出較高要求。

4 結(jié)論

通過MVCT配準(zhǔn)得到的誤差數(shù)據(jù)規(guī)律分析和罕見的誤差評估，對造成誤差的原因分析提示，患者治療精度的質(zhì)量控制存在于每個環(huán)節(jié)，甚至每個細(xì)節(jié)中，誤差雖然不能完全消除，但通過臨床擺位精度提高和靶區(qū)勾畫外放范圍合理縮減等方法可將其盡量減小。但是無論多么先進(jìn)的技術(shù)始終需要可靠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧鞒毯瓦^硬的技術(shù)水平，認(rèn)真細(xì)致的工作態(tài)度才能發(fā)揮作用，使其應(yīng)用患者造福社會。

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The studies on the effect of MVCT for radiotherapy of thoracic and abdomen tumors and the factors of improving treatment precision

LIU Xiao-dong, LI Ting-ting, ZHOU Juan, et al//
China Medical Equipment,2017,14(4):58-61.

Objective: To analyze the effect factors of setup precision and enhance radiotherapy precision in clinical, and to evaluate the setup errors of tomotherapy radiotherapy for thoracic and abdomen tumors based on MVCT imaging guide technology. Methods: 40 patients with thoracic and abdominal tumors were selected as random method, and 1218 groups setup errors and distribution frequencies were recorded by the automatic combined with manual matching through MVCT imaging guide. To analyze the methods of reducing clinical setup errors and the process regulation of improving and enhancing precision. Results: Through calculating, the “system errors ± random errors” were (1.43±1.24)mm, (5.12±1.41)mm and (1.55±1.18)mm, respectively, on X, Y and Z directions. After combined with manual matching, they were (1.36±1.18)mm, (5.02±1.35)mm and (1.46±1.12)mm, respectively, and the average error of X direction was minimum, while that of Y direction was maximum in these results. Conclusion: Although the setup error for thoracic and abdomen tumor is larger, matching can quantitatively reduce this errors. Through analyzing the error point during radiotherapy process, to summarize the effective method in order to enhance the setup precision and provide necessary quality guarantee for precise radiotherapy.

Tomotherapy; Imaging matching; Megavoltage computed tomography; Setup error; Precision

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.04.015

1672-8270(2017)04-0058-04

R730.55

A

2016-11-22

①廣州總醫(yī)院腫瘤科 廣東 廣州 510010

②廣州總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 廣東 廣州 510010

[First-author’s address] Department of Oncology, General Hospital of Guangzhou Military Command of PLA, Guangzhou 510010, China.