OSMS在腹部腫瘤放療擺位中的應用

葉峰，翟振宇，牟忠德

江蘇省腫瘤醫(yī)院放療科，江蘇南京210009

前言

隨著計算機技術(shù)、影像學技術(shù)和醫(yī)用直線加速器的不斷發(fā)展，放療技術(shù)在近年的進步特別是圖像引導放療的開展不僅能夠使腫瘤靶區(qū)的外放得以縮?。?］，從而減少周圍正常組織的受照劑量，而且也使腫瘤得到更為精準的放療劑量，從而提高局部控制率［2‐3］?，F(xiàn)在常用的圖像引導技術(shù)有二維X 線平片、三維錐形束計算機斷層掃描（Three‐Dimensional Cone‐Beam Computed Tomography, 3D‐CBCT）、四維錐形束計算機斷層掃描（Four‐Dimensional Cone‐Beam Computed Tomography,4D‐CBCT）等［4］，這些技術(shù)可以提供有用的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)信息，是判斷擺位誤差和內(nèi)部器官運動的金標準［5‐6］，但在長療程中使用CBCT會造成不可忽略的輻射劑量，增加患者的經(jīng)濟負擔，延長患者治療時間。

江蘇省腫瘤醫(yī)院新引進的Ⅴarian 加速器ⅤitalBeam 集成了3D/4D‐CBCT、kⅤ/MⅤ立體X 射線成像以及自動觸發(fā)單視像kⅤ成像，以控制腫瘤運動，此外，還提供可通過連續(xù)的實時信號評估器官運動的基于電磁信標的定位系統(tǒng)（Calypso?）以及通過3D 表面成像定位和監(jiān)測患者的光學表面監(jiān)測系統(tǒng)（Optical Surface Monitoring System,OSMS）［7］。OSMS 的主要優(yōu)勢是非電離輻射，不額外增加治療時間，并降低病人的經(jīng)濟負擔［8‐9］。已有文獻報導OSMS精度的問題，如Ramakrishna等［10］研究基于框架和無框架的顱內(nèi)病變治療的分割內(nèi)OSMS的位移誤差，有框架的誤差移位為（0.4±0.3）mm，無框架的為（0.7±0.5）mm；Mancosu等［11］指出相對于CBCT 系統(tǒng)，OSMS 的線性矢量位移差異為（0.6±0.3）mm，精度為0.5 mm；Wen 等［9］指出OSMS 可以精確地監(jiān)測運動，誤差小于0.1 mm；Pallotta 等［12］指出CBCT 和光學表面獲取之間的配準參數(shù)的平均差異小于‐1.3 mm，同時還指出在腹部應用中，OSMS的精度遇到了挑戰(zhàn)。因此，本研究選取腹部腫瘤患者，使用治療計劃系統(tǒng)計算常規(guī)方法擺位以及經(jīng)過OSMS輔助擺位后95%的劑量偏移靶區(qū)體積的k值，最終驗證Ⅴarian系統(tǒng)OSMS的精度，評估OSMS應用于腹部腫瘤放療擺位的可行性。

1 材料與方法

1.1 病例資料

選取2019年3月至6月江蘇省腫瘤醫(yī)院收治的腹部腫瘤患者4例，其中男女各2例，年齡33～76 歲，男性為直腸癌，女性為宮頸癌。所有患者均病理證實，放療前簽署放療知情同意書。放療處方均為CTⅤ50.4 Gy（1.8 Gy/28次）。

1.2 主要設(shè)備

美國Ⅴarian 公司的ⅤitalBeam 直線加速器；Eclipse 治療計劃系統(tǒng)；荷蘭Philips 公司的大孔徑模擬定位機；德國LAP 公司的3D 可移動激光燈系統(tǒng)；真空墊。

1.3 體位固定與定位圖像采集

采用真空墊固定患者身體，男性患者體位采用俯臥位，雙手交叉埋于頭下；女性患者體位雙手交叉抬膊放在頭上，仰臥位。應用Philips 公司的CT 模擬定位機進行圖像采集，掃描參數(shù)為120 kⅤ、300 mAs、層厚5 mm。重建后傳至Eclipse 治療計劃系統(tǒng)進行靶區(qū)勾畫與計劃設(shè)計，計劃設(shè)計完成后把計劃與結(jié)構(gòu)傳至ⅤitalBeam直線加速器。

1.4 OSMS

OSMS可通過3D 表面成像定位和監(jiān)測患者。該系統(tǒng)有3個安裝在天花板上的數(shù)據(jù)相機盒，每個盒包括一臺投影儀、兩個數(shù)據(jù)相機和一個白光閃光燈（圖1）。投影儀將偽隨機光學圖案投射到患者身上，數(shù)據(jù)相機獲取皮膚上的所有點。通過收集來自3 個攝像機的所有對應點來重建3D 表面模型。 在處理期間，通過最小化驗證和參考圖像之間的最接近的平方點距離的總和，連續(xù)地獲取驗證圖像并將其登記到所選擇的感興趣區(qū)域中的參考表面圖像。與已記錄的病人圖像對比位置信息，計算出體表誤差并反饋到計算機，從而實現(xiàn)監(jiān)控與人機交互。OSMS的穩(wěn)定性和準確性由月檢和日檢保證，每日都必須在加速器自檢后進行常規(guī)日檢。

圖1 VitalBeam 加速器及天花板上的OSMS的攝像頭（圖中箭頭所示）Fig.1 VitalBeam accelerator and cameras of the OSMS on the ceiling(arrows)

1.5 表面影像與參考影像

表面影像由OSMS實時采集患者在治療床上的影像；參考影像有兩種：DICOM參考影像和ⅤRT參考影像。

1.6 CBCT配準圖像采集

首先根據(jù)患者體表“＋”標記和激光燈進行擺位，然后行CBCT 掃描，掃描結(jié)束后CBCT 圖像與定位CT 圖像進行對比，配準框的選取包括腫瘤靶區(qū)及其附近骨結(jié)構(gòu)。配準采用的方法是骨性配準，前3次CBCT 驗證結(jié)束后，以當次CBCT 為準，修改病人身上擺位“＋”標記。以后每周進行2次CBCT掃描。

1.7 OSMS配準實驗流程

應用體表標記與激光燈進行治療前擺位，在本研究中，行CBCT 同時進行OSMS 運行前的驗證，分別記錄OSMS 和CBCT 提供的配準信息，記錄X（左右）、Y（頭腳）與Z（前后）方向的平移誤差。圖2總結(jié)了實驗的工作流程。當需要改變病人體表的標志線時，這會受到呼吸系統(tǒng)的影響［13］。

圖2 OSMS的實驗流程Fig.2 Experimental process of optical surface monitoring system (OSMS)

本研究需要反復照相（OSMS）多次，取其中誤差最小的擺位信息作為下次病人照光時的圖像參考基準（ⅤRT 參考影像）。在脫離CBCT 單獨使用OSMS時，本研究缺乏有效手段在病人受諸多影響因素干擾找到誤差最小的地方拍照，所以在本實驗中采取隨機拍照，這也使得本實驗更加接近日后的實際工作狀況。最后根據(jù)CBCT和OSMS的配準信息，在治療計劃系統(tǒng)上分別重新計算原始擺位以及根據(jù)OSMS配準信息的參考劑量，劑量歸一方法是95%的劑量包含百分之百的靶區(qū)。根據(jù)式（1），計算95%的劑量線偏移靶區(qū)的k值，如果k≤2%，則設(shè)定此次照射為一次合格治療，否則判斷為一次不完善的治療。

其中，k為不相交體積的百分比；Ⅴ95%為95%的劑量包圍的體積；ⅤCTⅤ為靶區(qū)體積。k值越接近0，代表與標準照射的誤差越小。

1.8 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析。定義系統(tǒng)擺位誤差（S）為其均值，隨機擺位誤差（r）為其標準差，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

分析OSMS 的擺位誤差，應用Pearson 法分析擺位誤差（OSMS 與CBCT）的相關(guān)性、系統(tǒng)誤差與隨機誤差，并用Bland‐Altman 方法評估OSMS 的置信空間，使用SPSS軟件繪制Bland‐Altman點散布圖，直觀評價二者的一致性。

根據(jù)CBCT 和OSMS 的配準信息以及式（1），在治療計劃系統(tǒng)上分別計算常規(guī)方法擺位以及經(jīng)過OSMS 輔助擺位后95%的劑量偏移靶區(qū)體積的比例k值，設(shè)定k＞2%為一次不合格的治療。

2 結(jié)果

OSMS 在X、Y 和Z 方向的S±r分別為（0.01±0.33）、（‐0.14±0.64）和（0.13±0.41）mm；CBCT 在X、Y與Z 方向的S±r分別為（0.00±0.32）、（‐0.04±0.59）和（0.03±0.41）mm。常規(guī)擺位的k值為（1.874 0±2.286 7）%，OSMS輔助擺位的k值為（0.801 9±0.704 4）%（P＜0.05）。OSMS 與CBCT 在X、Y、Z 方向的相關(guān)系數(shù)分別為0.628、0.858、0.682。

Bland‐Altman 方法的結(jié)果表明X、Y 和Z 方向的95%的置信空間的均值及方差分別為（‐0.066 700±0.278 272）、（0.097 080±0.332 591）和（‐0.106 250±0.327 866）mm，如圖3所示，這直觀說明了OSMS 和CBCT具有高度的一致性。

圖3 X、Y、Z方向上OSMS與CBCT的一致性Fig.3 Consistency between OSMS and CBCT in X,Y,Z directions

在共48次擺位中，OSMS擺位中有3次使95%的劑量線與靶區(qū)體積交匯的體積誤差超過2%，這可能與病人呼吸運動幅度及抓拍的時機不恰當共同導致，我們也懷疑這和病人的膀胱充盈度有一定的相關(guān)性，和文獻中［12］討論中提到的原因有些近似，但結(jié)論卻不同。從本研究結(jié)果來看，OSMS還是可以勝任腹部患者擺位。

常規(guī)擺位中，共有17 次不合格，在這4例病人中的分布也是不一，其中一例患者在擺位不合格判定中占據(jù)了8次之多，這可能受病人緊張的心理導致身體僵硬以及膀胱充盈度的影響，從而導致擺位精度下降。此病人在CBCT 的多次復核下均出現(xiàn)擺位精度過低的情況，說明病人難以配合和理解技師擺位的要求，因此這類病人尤其需要輔助設(shè)備的幫助。

從圖4和圖5來看，OSMS 對擺位誤差的糾正是具有明顯正相關(guān)的作用，能使常規(guī)的一次被判定不合格的療程變成合理療程，消除靶區(qū)的冷點，同時k值在2%以內(nèi)。

圖4 激光線擺位誤差引起的95%的劑量線與原靶區(qū)覆蓋的圖Fig.4 Coverage of the original target area by 95%dose line with laser ray alignment errors

圖5 OSMS配準后95%的劑量線與原靶區(qū)覆蓋的圖Fig.5 Coverage of the original target area by 95%dose line after OSMS registration

3 討論

本研究是在應用OSMS前的驗證，評估OSMS在腹部腫瘤中調(diào)強放療的應用價值，探討該系統(tǒng)的精度與準確性、與常規(guī)“＋”標記擺位方式相比有無優(yōu)勢、評價擺位誤差與CBCT 是否一致，并評估OSMS實施后對日常擺位是否有收益。

通過將病人按照常規(guī)方法擺位（要求技術(shù)員準確地將體表“+”線和激光線對齊），然后通過CBCT的方法，經(jīng)過醫(yī)生確定后得到本次配準信息，以CBCT的標準為金標準。按照圖2的實驗流程，觀察OSMS是否可以有效地替代CBCT。在Ⅴarian 系統(tǒng)中，雖然CBCT 提供了六維的信息，但OSMS 提供的配準信息中并沒有pitch和roll方向的值，而且在治療計劃系統(tǒng)計算中，不能將旋轉(zhuǎn)（Rtn）方向的誤差帶入計算，所以在本研究中只是初步討論了位移誤差。

在實際臨床應用中，考慮到患者的呼吸運動，OSMS 的配準信息其實是動態(tài)的。為了不增加治療時間，本研究采取隨機抓拍得到的配準，即OSMS 在呼吸周期內(nèi)的某個瞬間的擺位誤差減去CBCT 擺位誤差就是單獨應用OSMS 引導下的擺位與CBCT 配準的理論誤差值。本實驗得到的OSMS 與CBCT 數(shù)據(jù)，Pearson 法分析發(fā)現(xiàn)二者的一致性很好，差值范圍在臨床應用中可接受。

準確且可重復的放療擺位對放療影響至關(guān)重要［14］。圖4是其中一位擺位重復性差的患者，在其療程中有CBCT 驗證的12 次擺位中，經(jīng)治療計劃系統(tǒng)單獨計算后疊加，其k值仍大于3%，從圖中箭頭指示可以明顯看出不重疊區(qū)域；經(jīng)OSMS配準后誤差幾乎消失（圖5）。從圖6可以看出，應用工具來校正日常的擺位是非常重要的，不僅可以修正擺位誤差，還可以減少計劃靶區(qū)的外放范圍，降低正常組織的放射損傷。本實驗中驗證了OSMS和CBCT的一致性，這與以往報道也基本一致［15‐16］，而Pallotta 等［12］報導了OSMS在骨盆中應用表面成像獲益只有45%的比例，但在本研究并沒有觀察到這種現(xiàn)象，從圖4中可以看出擺位越差的患者獲益越大，4例患者中只有一例沒有收益，但從CBCT 的復核來看，此病人擺位的重復性和誤差都極小，這時呼吸運動、膀胱充盈度以及抓拍時機選擇都是導致OSMS配準信息起伏的原因。

與日常CBCT 或其他圖像引導方式相比，OSMS對于患者的位置驗證是一種可靠并能提高擺位精度的方法。但由于在實際使用中不能看到病人的體征，圖像匹配的技術(shù)不直觀，在遇到大位移偏差時，技術(shù)員們一般難以采納信任，目前我們采取的是小于1 cm 的采信，誤差過大時通過增加CBCT 驗證的方式來糾正擺位誤差。從本研究數(shù)據(jù)中，我們發(fā)現(xiàn)了帶有“＋”字線的皮膚經(jīng)常和骨性標記有著較大的位移，這在一小部分的病人身上尤為明顯，由于緊張或其他諸多原因，他們不能很好地配合技術(shù)員的擺位要求。雖然有文獻指出，在長療程中，因為誤差不會總偏向一個方向，誤差會自我消弭，但在本研究中的一例中我們雖然有誤差朝小的方向運動，但12 次疊加的數(shù)據(jù)并不理想。從圖5中可以直觀地發(fā)現(xiàn)，總共12 次擺位中，如果沒有CBCT 或OSMS 輔助，此病人在此12 次照射中治療計劃系統(tǒng)累加的靶區(qū)偏移k值高達3%，這或許是部分病人局部控制不利的原因之一。

圖6 正常擺位和OSMS擺位的誤差結(jié)果對比Fig.6 Comparison of error results between normal positioning and OSMS positioning

目前本研究仍有些限制。首先，該研究的樣本量過小，沒有將旋轉(zhuǎn)誤差帶入計算，導致真正的k值的不準確，只是作了近似省略。其次由于所研究的所有系統(tǒng)都涉及電離輻射，還有因為費用的問題，我們不能對患者在整個療程中都重復CBCT，只是根據(jù)醫(yī)囑行CBCT 時同時進行OSMS，雖然OSMS 在每次照射中都得到了應用，但因為CBCT 標準的缺失，我們不得不拋棄沒有參照物對比的數(shù)據(jù)。然而，經(jīng)過4組數(shù)據(jù)的對比，雖然每個人的數(shù)據(jù)都是隨機無序的，但與CBCT配準后數(shù)據(jù)對比，我們也能發(fā)現(xiàn)OSMS與CBCT 數(shù)據(jù)趨近一致，這與已發(fā)表的諸多文章也保持了一致［17］，說明了OSMS 的可靠性。最后這項研究只調(diào)查了病人腹部病變位置，重要的保護器官較少，位移誤差對重要器官的影響的研究不充分。

4 結(jié)論

OSMS 和CBCT 系統(tǒng)的變化都非常接近，意味著這兩種系統(tǒng)在可接受誤差范圍內(nèi)可以互換代替使用，但OSMS擺位相比于傳統(tǒng)的激光“＋”字線擺位有明顯提高，在條件允許的情況下，應盡量使用OSMS。由于OSMS在擺位中，呼吸以及膀胱充盈度會影響皮膚表面，同時帶有“＋”字線的皮膚經(jīng)常和骨性標記有著較大的位移，所以不可避免地會產(chǎn)生隨機誤差。從實驗數(shù)據(jù)分析來看，OSMS在實際應用中位移誤差體現(xiàn)出了和CBCT配準數(shù)據(jù)較高的一致性，因此初步結(jié)論是獨立引導使用，相對于傳統(tǒng)的“＋”字線擺位有明顯的提高。下一步研究我們將增加研究樣本數(shù)量，并且將旋轉(zhuǎn)角度也納入研究之中。

總之，OSMS 是一種有效的低成本圖像引導工具，優(yōu)勢是快速、無創(chuàng)、無電離輻射，作為日常工具可快速輔助患者擺位，降低正常器官的輻射，提高局部控制率及日后生活質(zhì)量［18］。本研究把OSMS 直接應用于患者擺位，為本單位日后開展OSMS工作提供了定量指標。