擺位誤差對鼻咽癌和直腸癌放療劑量投射準確性的影響

黃洋洋，田玉龍，董勝楠，楊 軍，王 成，侯 歌，劉宗文

1)鄭州大學第二附屬醫院放療科 鄭州 450014 2)鄭州大學第五附屬醫院放療科 鄭州 450052 3)南華大學核科學技術學院 湖南衡陽 421001 4)鄭州大學第三附屬醫院設備科 鄭州 450052

流程上任何一個環節的誤差都會對放療劑量投射準確性造成影響。放療的整個流程中患者每次治療前放療技師的擺位是最重要的環節之一，直接影響治療精度。現代放療設備大多帶有圖像引導設備(image guided radiotherapy,IGRT)，患者治療前可以做位置驗證，但是受客觀因素如費用和治療時間等因素限制，并不能保證每次治療前執行位置驗證，這就存在擺位誤差的可能[1-2]。本研究人為引入擺位過程中X軸和Y軸二維方向的誤差，探究單一擺位誤差和雙擺位誤差對鼻咽癌和直腸癌放療劑量投射準確性的影響，確定鼻咽癌和直腸癌對放療擺位誤差的容許程度，對臨床有重要的指導意義。

1 對象與方法

1.1 病例選擇收集2019年1月至2020年12月在鄭州大學第二附屬醫院接受放療的5例鼻咽癌和5例直腸癌患者的臨床資料。其中鼻咽癌患者按UICC/AJCC第八版TNM分期標準[3]劃分，Ⅱ、Ⅲ、ⅣA期分別為1、2和2例；年齡17～66歲，中位年齡35歲；男4例，女1例。直腸癌患者按NCCN 評價標準[4]劃分，Ⅱ期和Ⅲ期分別為2例和3例；年齡33～78歲，中位年齡55歲；男3例，女2例。所有患者均簽署知情同意書。

1.2 調強計劃設計方案將鼻咽癌放療計劃設計為9野均分調強(intensity-modulated radiotherapy,IMRT)，將直腸癌放療計劃設計為5野均分IMRT。鼻咽癌靶區和處方為加量區鼻咽癌計劃原發病灶(PGTVnx)和計劃淋巴結區(PGTVnd)：69.96 Gy/33f；計劃照射區(PTV)1：60.06 Gy/33f，PTV2：50.96 Gy/28f，每周5次放療。直腸癌靶區和處方為加量區計劃原發病灶(PGTV)60 Gy/30f，PTV 54 Gy/30f。逆向條件和子野分割方式等計劃設計條件也一致[5-6]。調強治療方式為靜態調強(static intensity-modulated radiotherapy,sIMRT)；劑量計算網格大小為3 mm×3 mm×3 mm；子野收斂強度為8；最小子野跳數為5 monitor unit(MU)；最小子野大小為2.0 cm。全部計劃使用的射線為6MV X射線。測量前把加速器的各項參數都控制在臨床要求范圍之內，以確保測量結果的準確和一致性。在治療計劃系統(treatment planning system,TPS)上統計兩組計劃的參數，分別有子野數、總跳數、子野平均跳數等。

1.3 劑量投射準確性測量劑量投射準確性參數采集設備為比利時IBA公司二維矩陣MatriXX，它由OmniPro I'mRT軟件、MatriXX電離室矩陣、電源線、網線和SP34(RW3)固體水組成。其有效測量面積為24.4 cm×24.4 cm，擁有1 020個電離室，采用連續采集數據的模式，具有良好的劑量響應特性，在照射之后可立即獲得結果[7]。實驗使用瑞典Elekta公司Synergy直線加速器和CMS公司XiO 5.0計劃系統。γ通過率采集標準參考AAPMTG119設置為劑量差異(DD)3.0%，距離符合度(DTA)為3.0 mm，排除整個測量平面上低于中心參考點處10%閾值的數據。γ通過率≥95.0%被認為計劃驗證通過，即劑量投射合格。

劑量投射準確性評價參數為γ通過率，其取值范圍為0%～100%。劑量投射準確性越高，γ通過率越高[8]。

1.3.1無擺位誤差 采集X軸和Y軸沒有引入擺位誤差時的γ通過率。

1.3.2引入擺位誤差 擺位誤差的引入途徑為分別在治療床X軸和Y軸上移動±1、±2、±3、±4和±5 mm；其中X軸負方向代表床左移，X軸正方向代表床右移；Y軸負方向代表床向機架方向移，Y軸正方向代表床向遠離機架方向移。

采集10例分別單獨在X軸和Y軸上引入±1、±2、±3、±4和±5 mm誤差時的γ通過率。采集1例鼻咽癌和1例直腸癌同時在X軸和Y軸上引入+1、+2、+3、+4和+5 mm擺位誤差時的γ通過率。

1.4 零度合成通量圖從TPS上分別采集1例鼻咽癌和1例直腸癌的零度合成通量圖，將其導入MatriXX自帶的軟件中，分析兩種疾病靶區上的幾何差異。

1.5 統計學處理采用SPSS 25.0分析，鼻咽癌和直腸癌子野數、總跳數、子野平均跳數，無擺位誤差時鼻咽癌和直腸癌組γ通過率的比較均采用兩獨立樣本t檢驗，檢驗水準α=0.05。

2 結果

2.1 鼻咽癌和直腸癌調強計劃參數情況鼻咽癌子野數和總跳數比直腸癌大，子野平均跳數比直腸癌小(表1)。

表1 鼻咽癌和直腸癌調強計劃參數情況

2.2 無擺位誤差時鼻咽癌和直腸癌的γ通過率10例患者的γ通過率都大于95%。鼻咽癌的γ通過率為(96.02±0.76)%，小于直腸癌的(98.81±0.08)%(t=8.089，P=0.001)。

2.3 引入單擺位誤差時鼻咽癌和直腸癌的γ通過率見圖1、2。

圖1 鼻咽癌引入單擺位誤差時γ通過率變化

2.4 引入雙擺位誤差時鼻咽癌和直腸癌的γ通過率1例鼻咽癌同時引入X軸和Y軸+1 mm的雙擺位誤差時，γ通過率為93.97%；而鼻咽癌患者引入X軸+1 mm單擺位誤差時，其γ通過率平均值為95.32%，Y軸引入+1 mm單擺位誤差時，γ通過率平均值為95.23%。1例直腸癌引入X軸和Y軸+1 mm的雙擺位誤差時，γ通過率為95.71%；而直腸癌引入X軸+1 mm單擺位誤差時，γ通過率平均值為98.13%，Y軸引入+1 mm單擺位誤差時，γ通過率平均值為96.96%；在引入+2、+3、+4和+5 mm的誤差時，鼻咽癌和直腸雙擺位誤差的γ通過率也都小于其相同數值單擺位誤差的γ通過率。鼻咽癌和直腸癌雙擺位誤差時的γ通過率變化情況見圖3。

圖2 直腸癌引入單擺位誤差時γ通過率變化圖

圖3 鼻咽癌和直腸癌各1例引入雙擺位誤差時γ通過率變化

2.5 鼻咽癌和直腸癌的零度合成通量圖鼻咽癌和直腸癌的零度合成通量圖(圖4)可以直觀地表現出兩種疾病之間的一些靶區幾何差異。通量圖中，劑量越大，顏色越紅；劑量越小，顏色越藍。鼻咽癌的通量圖為倒“U”字形，直腸癌為“O”形，鼻咽癌的靶區形狀明顯更復雜，對于加速器準直器系統的挑戰更大。

圖4 1例鼻咽癌(左)和1例直腸癌(右)的零度合成通量圖

3 討論

隨著放療技術的發展，擺位誤差對患者劑量投射準確性的影響越來越明顯[9-11]。李玉成等[12]分析了擺位誤差對14例肺癌立體定向放射治療計劃的影響，發現擺位誤差對計劃的劑量學驗證有較大影響，γ分析標準越嚴格，擺位誤差的影響就越明顯。孫小楊等[13]通過在Mapcheck軟件中挪動采集到的劑量分布圖來模擬擺位誤差，分析了半導體矩陣的位置誤差對計劃驗證的影響，他們分別在X軸和Y軸上移動±5、±2、±1 mm，繞軸旋轉±5°、±2°、±1°，最后得出矩陣擺放誤差超過2 mm或2°時，γ通過率下降約5%的結論。以上作者的研究結果都支持擺位誤差會降低劑量投射準確性的結論，但是他們的研究過程要么只針對某種疾病，要么研究方法只能間接分析出不同擺位誤差的消極影響。本文試圖利用鼻咽癌和直腸癌病例，量化分析擺位誤差對放療計劃劑量投射準確性的影響，從而確定不同部位疾病的擺位誤差容許值，并根據鼻咽癌和直腸癌的擺位誤差容許值來指導應用IGRT的頻率。本研究結果顯示不論是鼻咽癌還是直腸癌，引進的擺位誤差越大，其γ通過率減小的趨勢越明顯。即隨著引進擺位誤差的增加，兩種疾病的劑量投射準確性都下降明顯。

本研究結果顯示，不論是鼻咽癌還是直腸癌，在引入同樣大小的擺位誤差時，X軸方向的γ通過率都小于Y軸方向。這種現象的原因大致為，加速器X軸方向為光柵和鎢門運動方向，光柵和鎢門對劑量的修飾精度達到1 mm級別[14]，因此，劑量分布在X軸方向的修飾能力跟計劃系統計算網格大小有關，一般在計劃系統中計算網格設置為3 mm，所以X軸方向劑量修飾精度達到3 mm級別；Y軸方向只有鎢門運動精度達到1 mm水平，而醫科達加速器光柵葉片在等中心位置的投影寬度為10 mm，從而造成Y軸方向劑量修飾精度最高只有10 mm。綜合以上可知，X軸方向和Y軸方向對同樣大小的引入擺位誤差敏感性不同，X軸方向劑量修飾的精度高，對引入擺位誤差敏感性強；Y軸方向劑量修飾精度低，對引入同樣大小的擺位誤差敏感性差。基于此，應對患者X軸方向給予特別關注。

本研究結果顯示，不引入擺位誤差時，在DD3.0%、DTA3.0 mm和10%劑量閾值條件下，10例患者的劑量驗證都通過了，但是兩組不同計劃的平均γ通過率不一樣，說明不同種類疾病對擺位誤差的敏感性不同。這與滕建建等[15]和楊玉剛等[16]的研究結論相一致。吳仕章等[17]也發現γ通過率與病變部位、所有射野跳數之和等有關系，同時還發現鼻咽癌平均γ通過率在所有不同疾病患者中最低，這可能跟計劃的復雜程度有關。本實驗中，鼻咽癌子野數和總跳數都大于直腸癌，同時不引入擺位誤差時，5例鼻咽癌γ通過率平均值小于5例直腸癌的γ通過率，與以上文獻結果相符。

本研究結果顯示，鼻咽癌計劃組中X軸和Y軸方向±2 mm及以上的擺位誤差、直腸癌計劃組中X軸和Y軸方向±3 mm及以上的擺位誤差會被二維矩陣MatriXX檢測出來。二維矩陣MatriXX對于鼻咽癌和直腸癌的這種劑量分布擺位誤差檢出精度的差異，可以由兩種疾病的靶區在CT圖像上不同大小和形狀的差異分析出來。鼻咽癌的靶區形狀特別復雜，在加速器準直器上的形狀塑造為長條形，且邊緣凹凸不平；而直腸癌的靶區形狀比較圓潤且邊緣光滑。這種情況也與兩組病例在二維矩陣MatriXX上的典型零度合成通量圖相吻合。因此，直腸癌的二維平面劑量分布圖在X軸和Y軸上變化沒有那么劇烈，導致直腸癌的γ通過率在同樣的擺位誤差情況下下降沒有鼻咽癌快。因此，鼻咽癌的擺位精度要求比直腸癌更高，我們需要在鼻咽癌治療的過程中更大頻率的應用IGRT設備做位置驗證。同樣的擺位誤差會導致不同疾病患者劑量投射準確性的不同變化，不同疾病患者治療前不同頻率應用IGRT設備做位置驗證對保證劑量投射準確性意義重大[18]。

以上只分析了患者擺位時水平面上X軸和Y軸方向的擺位誤差情況，實際情況下，患者擺位誤差還應包括Z軸方向，即患者仰臥時身體上下表面方向。但二維矩陣MatriXX只能測量機架角歸零的平面劑量。因此，Z軸的擺位誤差對二維平面矩陣相對劑量測量影響有限，這也與顏紅兵等[19]的研究結論一致。

同時，考慮到患者在實際擺位時X軸方向和Y軸方向的擺位誤差很可能同時出現。本實驗檢測了鼻咽癌和直腸癌各1例的一部分X軸和Y軸同時出現擺位誤差時對劑量投射準確性的影響，結果顯示無論鼻咽癌或直腸癌引入同樣的擺位誤差數值時，雙擺位誤差的γ通過率都小于單擺位誤差。分析鼻咽癌和直腸癌在X軸和Y軸同時引入擺位誤差逐漸變大時γ通過率降低的趨勢，也可以看出雙擺位誤差時γ通過率降低更快，降低的絕對值更多。

總之，鼻咽癌在X軸或Y軸±1 mm以內、直腸癌在X軸或Y軸上±2 mm以內的擺位誤差時，γ通過率可以保持在95%以上。鼻咽癌和直腸癌在X軸和Y軸方向引入雙擺位誤差時γ通過率下降的速度會大于引入單擺位誤差時。放療過程中擺位誤差對劑量投射準確性影響很大[20-22]，要提高IGRT設備位置驗證頻率，尤其要提高以鼻咽癌為代表的頭頸部腫瘤的位置驗證頻率。