基于kV級圖像引導放療在胸部腫瘤中的應用

丘敏敏+任玉峰+鐘嘉健

[摘要]目的 分析kV級圖像引導下胸部腫瘤放療分次間、分次內的擺位誤差，研究kV級圖像引導對胸部腫瘤調強放療精準性的影響。方法 采用Varian Novalis Tx直線加速器機載影像系統對我院2016年3～10月收治的10例胸部腫瘤患者每日行放療前圖像掃描，若需移床則行移床后圖像掃描及放療后圖像掃描，將該掃描圖像經系統自動重建后與治療計劃的CT圖像進行配準，獲取并統計分析患者左右、上下、前后方向擺位誤差。結果 共獲取688套圖像，左右、上下、前后方向放療前誤差分別為（-0.03±2.06）、（0.16±2.69）、（0.18±2.28）mm，移床后誤差分別為（0.65±0.92）、（0.65±0.93）、（0.61±0.80）mm，放療后誤差分別為（-0.08±1.12）、（0.32±1.13）、（0.16±1.08）mm。結論 每日kV級圖像引導放療可顯著減少胸部腫瘤放療分次間的擺位誤差，對提高胸部腫瘤調強放療精確性具有重要意義。

[關鍵詞]胸部腫瘤；調強放療；kV級圖像引導；擺位誤差

[中圖分類號] R459.9 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-4721（2017）05（c）-0069-05

[Abstract]Objective To analyze the inter- and intra-fractional setup errors of thoracic tumors using kilovolt-image guided radiotherapy （kV-IGRT），and to study the influence of kV image guidance on the accuracy of intensity modulated radiotherapy （IMRT） of thoracic tumors.Methods 10 patients with thoracic tumors in our hospital from March to October in 2016 were selected，and the Varian Novalis Tx Linear Accelerator with on board image （OBI） system was used for daily image scanning before radiotherapy，if the bed needs to be moved，image scanning after the moving bed and scanning after radiotherapy was carried out.After the automatic reconstruction of the scanned image，the CT image of the treatment plan was registered，and the setup error of the patient′s Vrt，Lng，Lat were obtained and analyzed statistically.Results 688 sets of images were obtained，the pre-radiotherapy setup error of Vrt，Lng，Lat were （-0.03±2.06），（0.16±2.69），（0.18±2.28）mm，respectively.The setup error after the moving bed were （0.65±0.92），（0.65±0.93），（0.61±0.80）mm，respectively.The post-radiotherapy setup error were （-0.08±1.12），（0.32±1.13），（0.16±1.08）mm，respectively.Conclusion Daily kV-IGRT can significantly reduce the setup error of radiotherapy for thoracic tumors，and is of great significance for improving the accuracy of IMRT for thoracic tumors.

[Key words]Thoracic tumors；Intensity modulated radiation；Kilovolt-image guided radiotherapy；Setup error

近年來，調強放療技術（intensity modulated radiation，IMRT）得到了廣泛應用，其具有精確定位、精確靶區、精確放療的“三精”特點，可以大大降低正常組織受量，提高腫瘤受照劑量，從而改善局控率和生存率，同時也對放射治療的精確性提出了更高的要求，若放射治療的實際照射位置偏差較大，IMRT優勢將完全喪失，甚至可能造成重大醫療事故[1-2]。圖像引導放射治療（image guided radiotherapy，IGRT）為IMRT的精確性提供了有效的保障[3-4]。基于kV級圖像引導放療（kilovolt-image guided radiotherapy，kV-IGRT）通過直線加速器機載影像系統（on board image，OBI）發射kV級X射線獲取放療擺位圖像，將其與放療計劃系統的CT圖像進行配準獲得擺位誤差信息，并據此對患者治療體位或治療床位置進行相應校正，保證治療擺位誤差在精確放射治療允許的誤差范圍內，確保調強放療的精確實施。本研究通過對比胸部腫瘤放療分次間、分次內的基于OBI系統kV-IGRT圖像配準誤差數據，分析引起擺位誤差的原因，研究kV-IGRT對IMRT實施精確性的影響。

1資料與方法

1.1一般資料

選取我院2016年3～10月收治的10例胸部惡性腫瘤病例，其中男性9例，女性1例；肺癌8例，縱隔腫瘤2例，均由病理證實。

1.2 CT定位

患者均取仰臥位，雙手上舉摸額頭，采用真空負壓袋固定。平靜呼吸，在Philips Big-Bore Brilliance 16排大孔徑螺旋CT模擬定位機下行胸部CT掃描，層厚2 mm，平掃加增強掃描。CT標記點位于胸骨和前肋骨。CT圖像通過Varian公司Aria放射治療網絡系統傳輸至Eclipse放射治療計劃系統。

1.3圖像獲取

每日進行kV級圖像引導放療。所有患者采用Varian Novalis Tx直線加速器治療，通過機載OBI系統獲取擺位圖像，包括治療前、移床后、治療后2～3套圖像。每位患者每周進行1次kV-CBCT拍攝，其余4 d進行千伏級二維影像（2D-kV）拍攝。

Varian的圖像引導系統包括兆伏級二維影像（2D-MV）、2D-kV和千伏級錐束CT影像（kV-CBCT）3種。本文僅研究后兩種。擺位圖像獲取包括2D-kV和kV-CBCT兩種方式。2D-kV影像獲取是應用機載OBI系統得到正側位平片，曝光條件可根據曝光部位選擇相應參數，胸部參數正位（75 kV，5 mA）、側位（95 kV，40 mA），可根據患者體型等實際情況調整參數，兩張圖像與放療計劃系統生成的DRR圖像配準，耗時約2 min。kV-CBCT圖像采集是應用OBI系統得到三維圖像，在射線源安裝相應濾過器，按照操作指引選取胸部默認參數曝光，掃描參數如下。CBCT Mode：low-dose thorax；Acquisition mode：half fan；Reconstruction volume：512×512；Slice distance：2.5 mm；電壓70 kV；電流50 mA；每幀圖像獲取時間6 ms。重建三維圖像，與放療計劃的CT圖像配準，耗時約3 min。

1.4圖像匹配

患者胸部位置較為固定，骨性標志顯示清晰，可先采用骨性配準進行自動配準，本研究未考慮旋轉方向誤差。圖像配準后，與放療計劃CT圖像進行對比，調整位置，觀察器官解剖結構，使其匹配，若配準效果不佳，再經手動配準微調。這樣可以在保證配準精度的前提下，節約大量的配準時間。記錄患者實際靶區中心位置與放療計劃CT圖像靶區中心位置在左右（Vrt）、上下（Lng）、前后（Lat）方向上誤差值。

1.5移床標準

若擺位Vrt、Lng、Lat任一方向誤差>3 mm，則進行患者體位調整或移床校正，移床后再進行圖像獲取，直至誤差在允許范圍內方可開始治療。首次治療主治醫生必須參與，共同確定掃描參數、選擇配準區域以及配準方法。

1.6統計學方法

每分次IMRT治療后，每個患者至少有2套數據，每套均包括Vrt、Lng、Lat 3個數據，即放療前誤差和放療后誤差。如果需要體位調整，則有3套數據，即增加移床后誤差；為方便統計，若無體位調整，則將移床后誤差同放療后。采用SPSS 19.0統計學軟件對數據進行分析，擺位誤差分為系統誤差和隨機誤差，用“均值±標準差”表示，其中均值描述患者的系統誤差，標準差描述其隨機誤差。擺位誤差分別在Vrt、Lng、Lat方向上采用t檢驗進行比較，以P<0.05 為差異有統計學意義。

2結果

2.1圖像誤差分布情況分析

10例患者總共688套圖像掃描，治療前237套，移床后226套，治療后225套，其中治療前為完整圖像數據，移床后和治療后圖像由于患者身心狀況無法耐受，分別缺少11套和12套圖像，誤差分布如圖1三維散點圖所示。所有誤差分布均接近標準正態分布。

2.2放療前誤差結果分析

如表1所示，放療前Vrt、Lng、Lat方向誤差絕對值都達到7 mm及以上，其中上下方向誤差最大，最大誤差絕對值達到11 mm。三個方向上誤差>3 mm的頻率分別為10.5%、16.5%、14.4%（圖2），提示放療分次間誤差較大。

2.2移床后誤差結果分析

根據放療前第1次IGRT圖像結果調整患者體位或移床后再次獲取的圖像顯示誤差明顯縮小，Vrt、Lng、Lat方向的誤差分別為（0.65±0.92）、（0.65±0.93）、（0.61±0.80）mm，三個方向誤差>3 mm的頻率分別為0.8%、1.7%、0，總共只有2.5%（圖3），與治療前比較，三個方向差異均有統計學意義（P=0.00）。

2.3治療后誤差結果分析

放療結束后的誤差分別為（-0.08±1.12）、（0.32±1.13）、（0.16±1.08）mm。如圖4所示，三個方向上誤差>3 mm的頻率分別為0、0、0.8%，總共只有0.8%。對比治療前與治療后誤差，誤差值明顯減少，且在三個方向上差異均有統計學意義（P=0.00）；與移床后比較，三個方向差異無統計學意義（P>0.05）。

3討論

食管癌、肺癌等常見胸部腫瘤發病較為隱匿，早期癥狀不明顯，大多數患者發現時病期相對較晚。放療精確性直接關系到療效[5]。ICIU 24號報告指出，靶區劑量偏離5%就有可能使原發灶局部控制失敗或并發癥增加。放療過程的不確定性主要來源于分次內誤差和分次間誤差兩方面[6]。分次內誤差指治療過程中患者器官運動或體位移動引起的誤差，包括擺位誤差和器官運動誤差；分次間誤差是指治療時患者解剖位置與計劃圖像之間的差別，包括消化系統和泌尿系統的排空充盈、患者體型與腫瘤形狀變化及固定裝置的形變等。由于每次治療前都進行IGRT，可將治療前誤差視為分次間誤差，移床后與治療后之間的誤差則被視為分次內誤差。

IGRT通過獲取每次治療前擺位的相關影像學信息來確定靶區是否與治療前計劃靶區一致，并據此校正患者擺位誤差、調整后續放療計劃或引導射線束實施照射。通過IGRT，可直觀、精確地計算位置誤差[1，7-9]。Elsayad等[10]對71例肺癌患者進行每周的kV-CBCT掃描，發現83%的患者出現胸廓內改變。吳欽宏等[11]應用kV-CBCT對223例患者采用真空負壓袋固定體部腫瘤患者擺位誤差進行了分析，結果顯示，Vrt、Lng、Lat方向擺位誤差分別為（-0.5±2.8）、（0.0±3.0）、（0.4±3.4）mm。曹曉輝等[12]對34例胸部腫瘤患者行279次kV-CBCT掃描，結果顯示，考慮誤差方向時Vrt、Lng、Lat方向誤差分別為（-0.16±3.25）、（-1.36±5.43）、（-2.43±2.14）mm。只考慮誤差大小時Vrt、Lng、Lat方向誤差分別為（2.41±2.18）、（4.27±3.6）、（2.71±1.77）mm。

本研究對治療前誤差進行分析，Vrt、Lng、Lat方向的誤差分別為（-0.03±2.06）、（0.16±2.69）、（0.18±2.28）mm，三個方向誤差>3 mm的分別為10.5%、16.5%、14.4%，顯示胸部腫瘤擺位誤差較大，即分次間誤差尤其在Lng方向較大。經過移床調整后，誤差值明顯減小，三個方向上誤差≤1 mm的分別為90.3%、87.3%、92.0%，而誤差>3 mm的只有0.8%、1.7%、0.0%。移床后誤差明顯減小，提示對于胸部腫瘤患者，每日的IGRT對于提高治療精確度十分必要。對比移床后與治療后誤差，治療后誤差稍增大，即患者治療過程中存在分次內誤差。分析可能存在兩方面的原因：①目前放療大多采用IMRT技術，治療時間較長，患者很難保持完全一致的位置；②心臟運動、呼吸運動及腸胃蠕動均會對靶區位置產生一定影響，尤其對于胸部腫瘤患者而言，靶區靠近甚至在這些運動的范圍內，其影響不容小覷。

患者身體和心理狀況共同決定了其在治療床上保持固定體位的時間，例如雙手抱頭姿勢不舒適無法保持、局部疼痛患者不能很好地配合、幽閉恐懼癥患者心理問題等，都有可能導致治療不精確，甚至暫停放療，因此，在保證放療精度的前提下，治療過程越快越好。2D-kV拍影像全程耗時3 min（拍攝2 min，匹配1 min），而kV-CBCT全程耗時4.5 min（拍攝3 min，匹配1.5 min）。從時間成本角度考慮，2D-kV存在明顯優勢。

影像獲取過程增加了患者的吸收劑量[13]，據國外文獻報道，采集1幅2D-kV圖像劑量為0.04～0.08 cGy，1幅標準模式的kV-CBCT圖像，頭部需9 cGy，體部需3.8 cGy，而低劑量模式（low-dose thorax）吸收劑量約為標準模式的20%，劑量大約為3 cGy[14-15]。另一方面，體重質量指數（BMI）會影響X線的吸收[15]，對于BMI偏低的患者，2D-kV曝光參數可手動調節，仍能進一步降低X線劑量。雖然兩種圖像獲取方式產生的劑量都遠小于常規分割劑量[16]，但相比而言，2D-kV存在優勢。

kV-CBCT掃描范圍較小，本研究采用體部掃描方案，Lng方向掃描范圍僅為14 cm，對于食管癌這種靶區范圍較長的腫瘤來說信息不完整。尹勇等[17]通過自編程序對兩組CBCT圖像進行拼接，雖然能夠解決問題，但操作復雜且沒有廣泛適用性。2D-kV圖像范圍較大，基本可以包括整個胸部范圍，信息完整，較kV-CBCT而言存在一定優勢[18]。

2D-kV為二維成像方式，由于二維驗證圖像結構重疊，不能清楚顯示軟組織結構和精確估計等中心位置，無法完善體現三維甚至六維方向上的誤差；kV-CBCT具有較高軟組織分辨率，優于2D-kV。綜合2D-kV與kV-CBCT各自優勢，推薦每周1次kV-CBCT掃描，其余行2D-kV掃描方案。本研究的局限性體現在3個方面：①Varian OBI系統的圖像配準精度只到1 mm；②旋轉誤差也是誤差的重要組成部分，有研究顯示，對于一個長度為15 cm的靶區，3°的旋轉誤差可造成左右方向4 cm的平移誤差，同時帶來約2%的劑量誤差[19-20]，但是本研究中只考慮了平移誤差，并未考慮旋轉方向的誤差；③本研究中，許多配準結果為自動配準結合手動微調，不同技師甚至同一技師不同次配準結果可能不同，存在一定人為影響因素。

綜上所述，胸部腫瘤患者在每日實施分次IMRT前行IGRT，根據IGRT獲取的擺位影像圖與放療計劃CT圖像進行配準獲取擺位誤差，并據此進行患者體位或治療床位置校正，可使大部分病例放療時Vrt、Lng、Lat三個方向上的擺位偏差控制于1～2 mm范圍內，體位調整后和治療后的影像驗證進一步證明該結論，因此每日行IGRT可顯著減少胸部腫瘤放療分次間的擺位誤差，對提高胸部腫瘤IMRT精準確性具有重要意義。

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（收稿日期：2017-03-29 本文編輯：祁海文）