擺位誤差對腦立體定向放射治療劑量分布的影響

崔相利，張利偉，費振樂，王宏志

1.中國科學院合肥腫瘤醫院，安徽合肥230031；2.中國科學院合肥物質科學研究院/醫學物理與技術中心/醫學物理與技術安徽省重點實驗室，安徽合肥230031

前言

腦立體定向放射治療是一種集束、單次大劑量的放療技術，靶區劑量梯度大，對靶區的定位精度要求高。剛性腦立體定向系統定位精度高，但對人體有創。近年來，圖像引導技術迅速發展，其定位精度可達亞毫米量級［1-3］，自動化治療床的精度也可達亞毫米量級［4-6］。圖像引導的低溫熱塑膜腦立體定向放療的定位精度與剛性立體定向放射治療的定位精度相近［7-9］，具有較好的應用前景。圖像引導的低溫熱塑膜定位系統可較好的修正擺位誤差，但仍有殘差。腦立體定向放射治療的單次劑量相對較大，治療時間較長，治療中患者體位的改變較大［10］。這些都會影響靶區的劑量分布。目前，國內外的研究主要集中在擺位誤差的測量方面［11-15］，但在擺位誤差對劑量分布影響方面的研究較少。本文借助圖像引導系統研究無框架腦立體定向放療前的擺位誤差和治療中患者的體位變化，通過模擬治療前的擺位誤差和治療中患者體位的變化對靶區劑量分布的影響，得到擺位誤差對靶區劑量分布影響的定性關系，為臨床實踐提供參考。

1 資料與方法

1.1 病例選擇

選取2015年4月～2017年12月入組的無框架腦立體定向放射治療的患者10例，男性4例、女性6例，患者年齡14～62歲，中位年齡45歲。

1.2 材料設備

采用瑞典醫科達公司Axesse 醫用直線加速器，配備80 對在等中心處投影寬度為5 mm 的多葉準直器葉片（Multi-Leave Collimators,MLC）、圖像引導系統（XVI）、自動化治療床（Hexapod）及Xio計劃系統。采用荷蘭飛利浦公司16 排大孔徑螺旋CT 模擬定位機進行定位CT掃描。

1.3 計劃設計

采用低溫熱塑膜和放療體架固定患者體位。大孔徑CT模擬定位機做患者頭部CT掃描，掃描條件：電壓120 kV，電流300 mA，層厚3 mm，層間距3 mm。將定位圖像通過網絡傳至Xio 計劃系統進行三維重建，放療醫師根據臨床檢查勾畫腫瘤靶區。X射線能量為6 MV，80%的等劑量線為放療處方劑量。在Xio計劃系統中，采用共面或非共面技術分別設計10例患者的放療計劃，定義為Plan A。

1.4 誤差分析

放療計劃通過網絡傳遞到MOSAQ管理系統，根據定位等中心與治療等中心的坐標差，移動治療床，完成患者復位。每次治療前，掃描錐形束CT（Cone-Beam CT,CBCT）圖像，借助XVI 軟件進行CBCT 與計劃CT 圖像配準，獲得擺位誤差（放療前擺位誤差）。利用自動化治療床修正平移擺位誤差（左右：X，頭腳：Y，背腹：Z）及旋轉擺位誤差（繞X軸旋轉：α,繞Y軸旋轉：β，繞Z軸旋轉：γ）。每次治療結束，再次掃描CBCT 并與計劃CT 圖像配準，獲得治療過程中患者體位的變化（放療中擺位誤差）。

1.5 誤差對劑量分布的影響

在Xio 計劃系統中，保持Plan A 各射野參數不變，手動移動放療計劃射野等中心點的坐標，使其等于平移擺位誤差值，并進行劑量計算。其中，放療計劃射野等中心坐標平移值為放療前平移擺位誤差值的放療計劃定義為Plan B；放療計劃射野等中心坐標平移值為放療中平移擺位誤差值的放療計劃定義為Plan C。借助計劃靶區（Planning Target Volume,PTV）的適形度（Coverage Index,CI）［16］、平均劑量（Dmean）和最大劑量（Dmax）評估平移擺位誤差對劑量分布的影響。其中，CI= (TVdp)2/(TV·Vdp) 。TVdp、TV和Vdp分別為處方劑量包繞的計劃靶區體積、計劃靶區體積和處方劑量包繞的體積。理想狀態下，放射治療計劃的CI=1。CI 值越小，PTV 的劑量適形度越差。

1.6 統計學分析

采用SPSS 19.0 軟件進行統計學分析，數據用均值±標準差表示。Plan B和Plan C與Plan A各項指標間的比較采用配對t檢驗，P＜0.05代表差異有統計學意義。

2 結果

2.1 放療前擺位誤差

采集了10例無框架腦立體定向放療患者每次放療前的擺位誤差，并對治療分次數求平均值及其標準差，結果如圖1 所示。頭腳方向最大擺位誤差為（-5.2±0.8）mm。同時，對10例腦立體定向放療患者的每個方向擺位誤差求平均數，可得整個組群的治療前擺位誤差，結果如表1中所示。整個組群在頭腳方向的擺位誤差相對較大，且最大值為4.13 mm。此外，本文還計算了治療前擺位誤差的平移量（三維向量）為（3.40±1.14）mm。

2.2 放療中擺位誤差

采集了10例無框架腦立體定向放療患者每次放療中的擺位誤差，對治療分次數求平均值，可獲得每位患者放療中的擺位誤差，結果如圖2 所示。同樣，也分析計算了10例患者放療中的擺位誤差平均值，結果如表1所示，放療中擺位誤差最大值小于1 mm。對比放療前和放療中的擺位誤差，證明圖像引導系統聯合自動化治療床可顯著降低擺位誤差，使擺位誤差降低在亞毫米量級。

2.3 放療前和放療過程中平移擺位誤差對PTV 劑量分布的影響

因本研究中腦立體定向放射治療對危及器官的影響較小，所以本文只分析了擺位誤差對PTV劑量分布的影響。分別計算了PTV在PlanA、Plan B和Plan C中的CI、Dmean和Dmax，及Plan B和Plan C的CI、Dmean和Dmax相對于Plan A的比值RCI、RDmean、RDmax：

RCI=CI（Plan B或Plan C）/CI（Plan A）

RDmean=Dmean（Plan B或Plan C）/Dmean（PlanA）-1

RDmax=Dmax（Plan B或Plan C）/Dmax（Plan A）-1

結果如表2 所示。放療前擺位誤差使RCI 由1.00±0.00降低為0.81±0.17（P=0.007，t=-3.494)，差異具有統計學意義；同時使RDmean由0.00%±0.00%升高為1.56%±1.15%（P=0.002,t=4.304 ），差異也具有統計學意義。放療中擺位誤差對PTV劑量分布的影響很小，且無統計學意義，可忽略。因此，圖像引導無框架腦立體定向放射治療滿足臨床定位要求的精度。

圖1 放療前擺位誤差Fig.1 Setup errors before radiotherapy

表1 10例無框架腦立體定向放療患者放療前和放療中擺位誤差的平均值和最大值Tab.1 Maximum and mean values of setup errors before and during frameless intracranial stereotactic radiotherapy in 10 cases

3 討論

腦立體定向放射治療是一種集束、單次大劑量的放療技術。靶區劑量梯度大，患者定位精度要求高。早期剛性腦立體定向系統在腦部所建立的三維坐標可在腫瘤定位、治療計劃設計、放射治療等整個流程中保持不變，大大減少了流程中誤差的產生，使得腫瘤的定位精度較高。但這種腦立體定向系統對人體有創，且24小時內要完成放療計劃的設計和治療。時間上限制了物理師對放療計劃的充分優化。低溫熱塑膜易加工，無創，相對較舒適，圖像引導系統可降低擺位誤差。兩者結合的圖像引導的熱塑膜定位系統更適合臨床需求，是未來立體定向放療的方向。本文研究表明，圖像引導的熱塑膜定位系統使放療前擺位誤差（3.40±1.14）mm降低為放療中的擺位誤差（0.36±0.12）mm，較好的修正了擺位誤差。由放療中的擺位誤差結果可知，每次放療過程中患者體位變化較小，在亞毫米量級。因此，圖像引導的無框架腦立體定向放射治療滿足了定位精度的要求。北京大學腫瘤醫院的張淑慧等［8］研究了TrueBeam圖像引導的熱塑膜定位系統對不同部位腫瘤的擺位誤差，結果顯示頭部腫瘤的擺位重復性最好，擺位誤差在毫米量級。Masi等［17］、Tryggestad等［18］和Haertl等［19］分別研究了圖像引導的不同熱塑膜定位系統的擺位誤差，結果得出不同熱塑膜間的擺位誤差相似，都在毫米量級。本研究的結果與上述結果一致。

此外，研究結果顯示擺位誤差在頭腳方向（Y）的值相對較大。這是因為患者定位、復位時頸部彎曲程度不同引起的。后期可通過發泡膠或熱塑膜聯合牙膠等定位技術，減小頸部扭曲的變化，降低頭腳方向的擺位誤差，縮短擺位時間。

Xio放療計劃等中心只可改變平移的坐標值，所以本文只分析了放療前和放療中平移擺位誤差對靶區劑量分布的影響。放療前平移擺位誤差使PTV的CI 降低了19%。因此，每次治療前掃描CBCT 圖像，修正擺位誤差是必須的。而放療中平移擺位誤差對PTV 的CI、Dmean的影響很小，可予以忽略。Sarkar等［20］利用數學方法把六維擺位誤差轉化為三維擺位誤差，并通過計劃系統和模體研究了三維擺位誤差對劑量分布的影響。Sarkar 研究結論與本文的研究都證明圖像引導的無框架腦立體定向放射治療滿足治療中劑量精度的要求。

圖2 放療中擺位誤差Fig.2 Setup errors during radiotherapy

表2 Plan B和Plan C的計劃靶區參數值相對于Plan A的計劃靶區參數值（±s）Tab.2 Parameters of planning target areas in Plan B and Plan C compared to Plan A(Mean±SD)

表2 Plan B和Plan C的計劃靶區參數值相對于Plan A的計劃靶區參數值（±s）Tab.2 Parameters of planning target areas in Plan B and Plan C compared to Plan A(Mean±SD)

PB、tB表示Plan B與Plan A采用配對t檢驗后的值；PC、tC表示Plan C與Plan A采用配對t檢驗后的值

參數RCI RDmean/%RDmax/%Plan B vs Plan A 0.81±0.17 1.56±1.15 1.30±2.33 PB值0.007 0.002 0.112 tB值-3.494 4.304-1.764 Plan C vs Plan A 0.99±0.04 0.06±0.16 0.21±0.44 PC值0.369 0.300 0.173 tC值-0.946 1.100-1.479

通過測量放療前和放療中擺位誤差，研究其對PTV劑量分布的影響，得出數值范圍，為放療醫生和物理師提供了數值參考，為定位方案改進的研究提供了基礎。