光學表面監測系統自動擺位功能對乳腺癌放療患者治療精度及擺位時間的影響

張光偉，吳何茍，劉劍鋒，高艷，李彬，鐘鶴立

深圳市人民醫院/暨南大學第二臨床醫學院/南方科技大學第一附屬醫院腫瘤放療科，廣東深圳518020

前言

以體表標記引導放射治療擺位是沿用了幾十年的擺位方法，標記方法包括永久紋身、激光紋身、有色墨水等。但由于手臂位置的變化、組織腫脹、皮膚彈性改變［1］、體表標記模糊不清、脫落、多次標記間的差異等原因，常規對準皮膚標記擺位的不確定性大于1 cm［2］。且以體表標記引導擺位，對于3 個旋轉方向的調整較為困難，往往需要耗費較長的擺位時間。光學表面監測系統（Optical Surface Monitoring System,OSMS）可對患者體表輪廓進行實時、連續的掃描，通過與參考體表輪廓匹配，提供六維誤差數據，引導放射治療師對患者體位進行糾正，治療中可實時監控患者體位變化，超過設定位移閾值時控制加速器立即停止出束，保證治療安全。OSMS 系統5.1 版本軟件加入了六維自動移床擺位功能，可一鍵自動將患者體位移動到系統實時配準的位置。本文通過比較兩種擺位引導方式，研究OSMS六維自動擺位功能是否能提高擺位精度，減少擺位時間。

1 材料與方法

1.1 設備

美國VARIAN 公司的EDGE 直線加速器，配備OSMS 系統、Eclipse 治療計劃系統；Siemens 公司的SOMAETOM Definition AS CT 模擬機；德國LAP 公司的三維可移動激光燈系統，以上設備均按時嚴格執行QA校驗。

OSMS（Align RT,Vision RT Ltd,London,UK）是一套腫瘤患者放射治療光學體表定位和監測系統，采用3D光學體表定位和追蹤技術，實現療前擺位、療中實時體位追蹤和監測。使用3 臺安裝于天花板上的3D 立體攝像機單元（圖1），一臺位于治療床尾正上方，兩臺分別位于治療床兩側，每個單元配備一個近紅外線投射裝置和兩個高分辨率體表輪廓捕捉攝像機，投射裝置投射隨機散斑點到皮膚表面，2 臺攝像機快速獲取體表輪廓信息，實現高精度3D 輪廓重建。在體表輪廓上定義一個或多個感興趣區域（Region of Interest,ROI），設置六維方向位置誤差閾值，當監測體位誤差超過閾值時，控制加速器停止出束，以確保治療精度和安全。

圖1 OSMS攝像單元安裝位置Fig.1 Installation location of OSMS camera unit

1.2 入組

30 例乳腺癌保乳術后患者，均埋入手術銀夾，年齡26～60 歲，平均年齡46 歲，左側乳腺癌患者14 例，右側乳腺癌患者16 例。隨機分為兩組，每組15 位患者。OSMS 組患者以OSMS 引導，自動移床擺位，體表標記組以體表標記引導擺位。

1.3 CT模擬定位和計劃設計

所有患者均采用真空袋體位固定方法，仰臥，自由呼吸，真空袋以貼膠布畫線方式標記，體表標志以激光紋身方式標記。行CT（Siemens,SOMAETOM Definition AS,Germany）掃描，掃描條件：120 kV，135 mAs，層厚3 mm，將CT圖像導入Eclipse計劃系統。采用三維適形放療（3-Dimentional Conformal Radiation Therapy,3DCRT）+調強放療（Intensity Modulated Radiation Therapy,IMRT）混合治療技術進行治療計劃設計，OSMS組患者通過網絡將治療計劃（RT plan）和CT體表外輪廓（RT structure）傳輸到OSMS系統。

1.4 治療流程

OSMS 組在OSMS 系統上導入RT plan 和RT structure，勾畫兩個ROI。一個ROI用于引導擺位，勾畫范圍包括患側乳腺并外放1.5～2.0 cm。另外一個ROI 用于治療監控，勾畫范圍擴大到健側乳腺，以防止治療實施中機架旋轉到一定的角度遮擋部分攝像單元導致監測數據出現跳動從而影響治療（圖2）。將控制加速器出束的六維位置閾值設定為±3 mm/±3°，出束治療中，當患者六維位置移動超過閾值時，加速器自動停止出束。患者首次治療時，以體表標記引導擺位，行錐形束CT（Cone-Beam Computerized Tomography,CBCT）掃描，軟組織自動配準后治療師手動手術夾配準，記錄配準誤差數據。六維方向誤差通過移床修正后，OSMS抓取當時的光學體表作為監控治療和以后引導擺位的參考體表。需要注意的是，抓取新的體表前需將機架旋轉到0°或180°，將kV影像系統收回，以免遮擋OSMS攝像單元導致參考體表采集不完整。以后治療時，將初始等中心位置大約放置在乳房的中心位置，以OSMS抓取的參考體表引導擺位，選擇擺位用的ROI，手動調整患者3 個旋轉方向誤差在±2°以內，移動治療床使3 個平移方向誤差在±2 cm 以內，利用MOVE COUCH 功能使患者體位移動到OSMS實時匹配的正確位置，此時六維監測數據均接近于0。擺位時間定義為從患者接觸治療床到CBCT掃描前或加速器出束前（當次治療不做CBCT掃描）的時間。CBCT掃描前記錄擺位時間，行CBCT 掃描配準，記錄配準誤差數據，出束時切換到監控的ROI 實施治療監控。無CBCT 掃描的治療分次則在加速器出束前記錄擺位時間。

圖2 擺位用ROI（a）和治療監控用ROI（b）Fig.2 Region of interest for setup(a)and monitoring(b)

體表標記組患者均以體表標記引導擺位，記錄擺位時間。CBCT 配準與OSMS 組相同，均采用軟組織配準后治療師手動手術夾配準。兩組患者前3 次治療均行CBCT 掃描配準，后每周至少一次CBCT 掃描配準并記錄配準誤差數據。

1.5 數據收集

兩組患者CBCT 與模擬定位CT 配準各得到75組誤差數據，每組數據包括左右（x）、頭腳（y）、前后（z）方向的平移誤差和Rx、Ry、Rz 方向旋轉誤差。共記錄445次擺位時間，其中OSMS組224次，體表標記組221次。

1.6 統計學方法

使用SPSS 25.0 軟件對參數行統計學分析，計量資料用均數±標準差表示。分別對兩組患者的CBCT 配準誤差數據和擺位時間數據行獨立樣本t檢驗，P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 擺位誤差統計結果

圖3、圖4為平移誤差分布散點圖，圖5、圖6為旋轉誤差分布散點圖。OSMS 組x、y、z 方向平移誤差絕對值≤0.3 cm 分別為94%、97%、97%，體表標記組為91%、63%、60%；OSMS 組Rx、Ry、Rz 方向旋轉誤差絕對值≤1°分別為88%、78%、82%，體表標記組為74%、53%、67%。

圖3 體表標記擺位x、y、z方向平移誤差分布散點圖Fig.3 Scatter plot of translational error distribution in x,y and z directions in body surface marker group

圖4 OSMS自動擺位x、y、z方向平移誤差分布散點圖Fig.4 Scatter plot of translational error distribution in x,y and z directions in OSMS group

表1 為兩組乳腺癌患者在x、y、z 方向平移誤差和Rx、Ry、Rz 方向旋轉誤差，兩種擺位方法在y 和z方向平移誤差以及Rx、Ry、Rz 方向旋轉誤差統計結果均有統計學意義（P＜0.01），而在x 方向平移誤差無統計學差異（P＞0.05）。

2.2 擺位時間統計結果

兩組患者擺位時間分別為：OSMS組（130±27）s；體表標記組（202±31）s，兩組患者擺位時間有統計學差異（P＜0.01）。

圖5 體表標記擺位Rx、Ry、Rz方向旋轉誤差分布散點圖Fig.5 Scatter plot of rotation error distribution in Rx,Ry and Rz directions in body surface markers group

圖6 OSMS自動擺位Rx、Ry、Rz方向旋轉誤差分布散點圖Fig.6 Scatter plot of rotation error distribution in Rx,Ry and Rz directions in OSMS group

3 討論

光 學 表 面 引 導 放 療（Surface Guided Radiotherapy,SGRT）被越來越多地應用于乳腺癌放療，使用非電離光學裝置，通過匹配患者實時表面和參考表面，提供六維位置校正，并可監測治療中的局部運動。CBCT 是放射治療圖像引導和位置驗證金標準，雖然軟組織圖像不如骨性結構清晰，但本研究兩組患者均采用軟組織自動配準后治療師手動手術夾配準方式，通過留置于手術腔壁的鈦夾配準，保證了靶區位置的準確性。對兩組患者CBCT 配準誤差值進行比較，結果顯示，OSMS 自動擺位相較于體表標記擺位，在y、z 方向的平移誤差和Rx、Ry、Rz 方向旋轉誤差均有明顯的改善，有統計學意義（P＜0.01）。x 方向平移誤差雖然無統計差異（P＞0.05），但兩者誤差數據均較小，體表標記組稍大，說明在x 平移方向上，兩種方法均有較好的重復性，但OSMS 自動擺位仍占優。原因可能是真空墊體位固定方法能使得x方向平移誤差較小，兩種擺位方法無統計學差異。

傳統體表標記擺位方法簡單、方便，但乳腺為非剛性組織，治療分次間可能存在形變或位移，體表標記擺位較難糾正這種影響。OSMS采用3D 光學表面定位和追蹤技術，隨機投射近紅外散斑點于皮膚表面，攝像機快速獲取體表輪廓信息，形成雙眼立體視覺，利用該視覺數據及三角測量法在患者體表實現高精度的3D輪廓重建，并實時與參考輪廓匹配，能較好地消除乳腺形變或位移影響。ROI 勾畫范圍大小會影響OSMS系統刷新率及監測精度，小的ROI有更好的精度和更高的刷新率［3］。本研究以小ROI 引導擺位，保證擺位精度，而為了避免機架或kV射線源及探測板對攝像單元遮擋影響監控，將監控ROI范圍擴大到對側乳腺（圖2），治療監控時需注意OSMS 系統的刷新率，乳腺治療要求刷新率≥3幀/s。

表1 兩組乳腺癌患者CBCT配準平移誤差和旋轉誤差（±s）Tab.1 Translational errors and rotation errors by CBCT registration in two groups of breast cancer patients(Mean±SD)

表1 兩組乳腺癌患者CBCT配準平移誤差和旋轉誤差（±s）Tab.1 Translational errors and rotation errors by CBCT registration in two groups of breast cancer patients(Mean±SD)

***：與體表標志組相比，P＜0.01

方向x/Rx y/Ry z/Rz平移誤差/cm OSMS自動擺位0.12±0.11 0.12±0.09***0.13±0.08***體表標記擺位0.15±0.11 0.22±0.16 0.25±0.16旋轉誤差/°OSMS自動擺位0.33±0.43***0.56±0.50***0.50±0.52***體表標記擺位0.66±0.72 0.99±0.69 0.78±0.56

Bert等［4］報告了乳腺癌術后體表標記和SGRT方法皮膚表面誤差分別為（3.7±4.9）mm和（1.6±2.4）mm。Chang 等［5］報道，體表標記和SGRT 兩種擺位方法基于手術夾配準擺位誤差在前后、頭腳、左右方向分別為（3.9±3.7）、（1.9±2.2）、（4.6±3.9）mm 和（1.8±1.9）、（4.3±4.5）和（1.8±2.1）mm。Kost 等［6］的回顧性研究中，SGRT讓所有患者的平均誤差從3.1 mm降至3.0 mm，最大誤差從6.1 mm 降至5.5 mm。Kügele等［7］比較了切線或局部治療乳腺癌患者使用或不使用SGRT 的擺位精確性，在切線治療中，SGRT 方法和體表標記法3個平移方向誤差≤4 mm 分別為95%和84%；而在局部治療中則分別為70%和54%。本中心嚴格執行放射治療流程管理和質量控制，體表標記組誤差略好于上述研究，而SGRT 實時體表輪廓配準及六維自動移床功能最大程度地減少了人為誤差，因此OSMS組結果更為理想。

在擺位時間方面，Kost 等［6］的研究顯示，體表標記擺位時間為4.67 min，而SGRT 為5.02 min，略有增加。Jimenez 等［8］的結果則是體表標記+SGRT 為8.03 min，單純SGRT 為6.83 min。Pazos 等［9］認為兩種方法擺位時間沒差異。國內放射治療中心患者數量普遍多于國外，工作習慣的原因，擺位更為快速。本研究體表標記組擺位時間小于4 min，OSMS 5.1之前的版本不具備3個旋轉方向的自動移床擺位功能，仍需治療師手動糾正，5.1版本加入自動擺位功能，一鍵修正六維誤差，相較于手動修正，擺位時間進一步減少。

本研究結果顯示，在乳腺放療中，SGRT 提供了極高的擺位精度，為減少或取代圖像引導放療（Image Guided Radiotherapy，IGRT）提供一種可能。CBCT 每次產生0.01～1 mGy 的額外輻射劑量［10］，而電子射野影像系統（Electronic Portal Imaging Detector，EPID）是CBCT 的2～10倍［11］，額外的輻射會導致二次腫瘤的發生。SGRT 則沒有這方面的擔憂，它不導致額外的輻射。IGRT會增加患者總的治療時間，Ma等［12］指出，CBCT 掃描、圖像重建、匹配和誤差校正的整個過程大約需要5 min，而OSMS 的定位時間不超過20 s。本研究運用OSMS 的自動擺位功能，總的擺位時間縮短到2 min 左右，這將減少患者總的治療時間從而提高患者舒適度，且能提高放療中心工作效率。

大部分患者對體表標記審美不滿［13］，少數患者對有色墨水過敏［14］，永久或激光紋身會讓患者產生疼痛，且永久標記會不斷提醒自己腫瘤患者的身份。我們的結果表明，在乳腺治療中，SGRT 可替代傳統體表標記擺位，運用OSMS自動擺位功能可提供更高的治療精度、更短的擺位時間，且能改善患者的生活質量。但SGRT 對擺位的改善能否轉化成腫瘤劑量的優勢和更好的臨床結果還需更進一步的研究。

綜上所述，OSMS 作為定位工具，不產生額外輻射，治療過程中監控，保證治療安全，相較于體表標記擺位，利用OSMS自動擺位功能可明顯提高擺位精度，減少擺位時間，具有較好的臨床應用價值。