基于紅外定位系統(tǒng)放療實時擺位預(yù)警系統(tǒng)的擺位數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計

王語匯，王東燕，周俊東，吳傳鋒，葛云，陳穎，黃曉林，李偉峰

1.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210023；2.蘇州市立醫(yī)院東區(qū)放療科，江蘇蘇州215000

前言

根據(jù)國家癌癥中心發(fā)布的2019年最新數(shù)據(jù)，2015年中國惡性腫瘤發(fā)病病例高達(dá)392.9 萬例，死亡病例約為233.8萬例。這意味著中國平均每天有1萬多人被診斷為惡性腫瘤，平均每天有6 400 多人死于癌癥［1］。我國癌癥的發(fā)病率和死亡率均呈上升趨勢。近十年來，中國惡性腫瘤的發(fā)病率每年約增長3.9%，死亡率每年約增長2.5%［2］。放療是腫瘤治療的重要手段［3-4］。由于腫瘤的類型和分期存在差異，需要進(jìn)行放射治療的患者約占所有腫瘤患者的50%～65%［5］。若放射治療時擺位不夠準(zhǔn)確，則有可能導(dǎo)致腫瘤部分欠照射或正常組織受損的情況，將直接影響腫瘤患者的治療效果，影響腫瘤患者的臨床生存率，也進(jìn)一步影響腫瘤是否會根治與復(fù)發(fā)［6-7］。放射治療擺位的過程為：醫(yī)生在治療計劃系統(tǒng)的影像中對腫瘤進(jìn)行勾畫，由影像確定腫瘤中心，物理師和治療師再根據(jù)這個腫瘤中心坐標(biāo)，調(diào)整治療床，使病人腫瘤中心的位置與放射治療設(shè)備的機械等中心的位置重合［8］。

有些部位的腫瘤周邊有很多重要器官，這對放療擺位提出了很高的要求［9］。尤其是在分次間放射治療的過程中，準(zhǔn)確而可靠的擺位對射線劑量的輸送就顯得更為重要。但由于放射治療的次數(shù)較多，周期較長，一個放射治療療程約為30～40 d，涉及的影響因素眾多而又復(fù)雜，這就導(dǎo)致保證每次擺位都有較高準(zhǔn)確性有很大的難度［10］。而且在中國，物理師和治療師受到教育的程度以及臨床經(jīng)驗都參差不齊，治療時物理師一般都不在現(xiàn)場，再者中國病人眾多，每位患者的擺位時間非常有限，一般不超過5 min，這使得擺位精度更加得不到保證［11］。

有了臨床放療擺位后產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)記錄，就可以對擺位設(shè)備、擺位方法、擺位精度、擺位腫瘤區(qū)域、放療設(shè)備相關(guān)機械性能等進(jìn)行比較和研究，就可以及時發(fā)現(xiàn)各種問題，分析擺位誤差產(chǎn)生的原因，及時或?qū)崟r地預(yù)警、提醒和糾正擺位錯誤。這將在放療擺位實施上形成“閉環(huán)思維”，更好地幫助醫(yī)學(xué)物理師和治療師及時發(fā)現(xiàn)擺位錯誤，控制擺位誤差，最終保證擺位質(zhì)量，有望大幅度改善中國的放療療效［12-14］。

1 資料與方法

1.1 患者資料

本研究納入645 例擺位數(shù)據(jù)，其中有264 例腹部癌癥擺位數(shù)據(jù)，195 例頭頸部癌癥擺位數(shù)據(jù)以及186例頭部癌癥擺位數(shù)據(jù)。

1.2 復(fù)雜醫(yī)學(xué)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系

不同擺位方法對應(yīng)的擺位坐標(biāo)系之間無法互相轉(zhuǎn)換，這是導(dǎo)致此前擺位精度無法比較和研究的關(guān)鍵所在。紅外定位系統(tǒng)（OPS）放療實時擺位預(yù)警系統(tǒng)含有一個放療擺位結(jié)果數(shù)據(jù)的收集裝置，即在加速器機房建立一個收集監(jiān)控裝置，能夠收集監(jiān)控轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系。該系統(tǒng)能夠?qū)F(xiàn)有的擺位結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到一個坐標(biāo)系下，進(jìn)行比較和研究。下面將對CT坐標(biāo)系與OPS坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣進(jìn)行推導(dǎo)。

空間矢量(i j k )'需要經(jīng)過一個三維空間的映射變換，才能轉(zhuǎn)換成另一個坐標(biāo)系下的矢量，該變換由線性變換矩陣M和平移變換組成：

其中，線性變換矩陣M包含了空間方向以及軸縮放相關(guān)的所有信息，平移變換包含了原空間矢量的幾何位置信息。由于線性變換是矩陣相乘實現(xiàn)的，平移變換是矩陣相加，為了通過矩陣乘法來同時表示線性變換和平移變換，在此處我們引入增廣矩陣N：

式中的增廣矩陣N被稱為轉(zhuǎn)換矩陣，由此建立CT 坐標(biāo)系與OPS 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。常見的CT 掃描體位至少有8種，每一種掃描體位都對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)換關(guān)系。我們以HFS 頭先進(jìn)仰臥位為例，在CT 坐標(biāo)系中，x、y、z 軸正方向分別為：從右到左、從腹到背、從腳到頭，而在OPS 坐標(biāo)系中，x、y、z 軸正方向分別為：從右到左、從背到腹、從頭到腳，由此可知線性變換矩陣M為：

據(jù)此類推，8 種掃描體位對應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系就都能夠得到，由此我們可以得到轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

在實際的工程應(yīng)用中，我們采用6 對點，用貪心算法對轉(zhuǎn)換矩陣N進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。通過每一步貪心選擇，尋找問題的局部最優(yōu)解。從6 對點坐標(biāo)開始，然后用5、4、3對點自頂向下遍歷，得到局部最優(yōu)解即停止遍歷。轉(zhuǎn)換矩陣N進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后得到N'：

OCT是CT 坐標(biāo) 系 下某點 的坐標(biāo)，OOPS是OPS 坐標(biāo)系下對應(yīng)該點的坐標(biāo)。通過使用貪心算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最終建立了CT 坐標(biāo)系和OPS 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣。

1.3 擺位誤差評估方法

1.3.1 判斷等中心偏差是否異常不同部位受到身體內(nèi)部組織運動的影響不同，因此對擺位誤差判定也有不同。由于腹部受呼吸運動、器官蠕動、器官充盈狀態(tài)等因素的影響較大，容易引起較大的誤差，因此腹部x、y、z 3 個方向任一方向上的偏差大于5 mm時，則判定為異常。頭頸部腫瘤的位置受到呼吸運動或心臟跳動的影響較小，因此x、y、z 3 個方向任一方向上的偏差大于2 mm 時，則判定為異常。頭部腫瘤的位置受到呼吸運動及其他內(nèi)部組織運動的影響很小，因此頭部x、y、z 3 個方向任一方向上的偏差大于2 mm 時，則判定為異常。進(jìn)一步判斷產(chǎn)生該偏差的原因。檢查當(dāng)日等中心與注冊等中心的偏差，如果擺位偏差與注冊偏差大體一致，則判斷等中心注冊偏差異常。

1.3.2 判斷相機移動偏差是否異常如果擺位數(shù)據(jù)沒有異常，但是當(dāng)日注冊等中心與歷史等中心有明顯偏差，則判斷相機移動偏差異常。

1.3.3 判斷激光線偏差擺位偏差值異常，但是當(dāng)日注冊等中心與歷史等中心沒有明顯區(qū)別，則判斷是激光線偏差。

1.3.4 判斷體膜是否變形膜發(fā)生形變會導(dǎo)致球的位置發(fā)生變化，若一個病人過半的膜球變形度這一治療數(shù)據(jù)都產(chǎn)生了問題，則可能是因為膜發(fā)生了形變。每個病人的每次擺位數(shù)據(jù)都進(jìn)行檢測。

1.3.5 錐形束CT（CBCT）本身機械問題將同一病人的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以折線圖的方式展示出來，如果某個病人的某次數(shù)據(jù)有問題，則可能當(dāng)天或者更久的所有病人的數(shù)據(jù)都有問題。某一器官成像時的圖像分辨率問題，如肺影像不清楚會產(chǎn)生擺位誤差，影響療效。

2 結(jié)果

圖1 表示264 例腹部癌癥數(shù)據(jù)的等中心注冊偏差、相機移動偏差、激光線偏移3種偏差的監(jiān)控情況，圖2 表示195 例頭頸部癌癥數(shù)據(jù)3 種偏差的監(jiān)控情況，圖3 表示186 例頭部癌癥數(shù)據(jù)3 種偏差的監(jiān)控情況。

圖1 264例腹部癌癥數(shù)據(jù)3種誤差的監(jiān)控情況Fig.1 Monitoring results of 3 kinds of errors in 264 cases of abdominal cancer

圖2 195例頭頸部癌癥數(shù)據(jù)3種誤差的監(jiān)控情況Fig.2 Monitoring results of 3 kinds of errors in 195 cases of head and neck cancer

圖3 186例頭部癌癥數(shù)據(jù)3種誤差的監(jiān)控情況Fig.3 Monitoring results of 3 kinds of errors in 186 cases of head cancer

腹部x、y、z 3個方向任一方向上的偏差大于5 mm時，則判定為異常。在264例腹部癌癥數(shù)據(jù)中，有5例數(shù)據(jù)等中心注冊偏差異常，1 例數(shù)據(jù)相機移動偏差異常，11 例數(shù)據(jù)激光線偏差異常。3 種偏差分別占所有腹部癌癥數(shù)據(jù)的1.9%、0.4%、4.2%。

頭頸部x、y、z 3 個方向任一方向上的偏差大于2 mm 時，則判定為異常。在195 例頭頸部癌癥數(shù)據(jù)中，有13 例數(shù)據(jù)等中心注冊偏差異常，4 例數(shù)據(jù)相機移動偏差異常，40例數(shù)據(jù)激光線偏差異常。3種偏差分別占所有頭頸部癌癥數(shù)據(jù)的6.7%、2.0%、20.5%。

頭部x、y、z 3個方向任一方向上的偏差大于2 mm時，則判定為異常。在186 例頭部癌癥數(shù)據(jù)中，有10例數(shù)據(jù)等中心注冊偏差異常，3 例數(shù)據(jù)相機移動偏差異常，25例數(shù)據(jù)激光線偏差異常。3種偏差分別占所有頭部癌癥數(shù)據(jù)的5.4%、1.6%、13.4%。

圖4 表示某例腹部擺位數(shù)據(jù)體膜變形過大的情況，其中橫軸表示定位球編號，縱軸分別為在x、y、z 3個方向上的膜球變形度。腹部膜球變形度大于2 mm則認(rèn)定為異常?，F(xiàn)有的頭頸部及頭部擺位數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)體膜形變異常數(shù)據(jù)。腹部體膜變形導(dǎo)致的偏差占所有腹部癌癥數(shù)據(jù)的1.5%。

圖4 某例腹部擺位數(shù)據(jù)體膜變形情況Fig.4 Deformation of body membrane in a case of abdominal positioning data

圖5 表示OPS 放療實時擺位預(yù)警系統(tǒng)記錄的同一病人CBCT 的所有擺位數(shù)據(jù)，以折線圖的方式展示，橫軸為患者的治療時間，縱軸為3 個方向上的擺位誤差，便于物理師查看。腹部、頭頸部、頭部x、y、z 3 個方向任一方向上的偏差分別大于5、2、2 mm 時，則偏差異常。腹部、頭頸部、頭部CBCT 數(shù)據(jù)異常分別占各個部位所有擺位數(shù)據(jù)的2.7%、13.8%、10.3%。

圖5 CBCT擺位情況監(jiān)控Fig.5 Monitoring of CBCT positioning

表1顯示了OPS放療實時擺位預(yù)警系統(tǒng)對腹部、頭頸部以及頭部擺位數(shù)據(jù)5種誤差的監(jiān)控情況，表中數(shù)據(jù)為每一類誤差出現(xiàn)的次數(shù)。

表1 OPS放療實時擺位預(yù)警系統(tǒng)對腹部、頭頸部以及頭部擺位數(shù)據(jù)5種誤差的監(jiān)控情況Tab.1 Five kinds of errors in the abdominal,head and neck,and head positioning data monitored by OPS radiotherapy real-time positioning early warning system

由以上結(jié)果可以看出，OPS放療實時擺位預(yù)警系統(tǒng)能較為準(zhǔn)確實時預(yù)警擺位質(zhì)量和擺位精度，當(dāng)擺位出現(xiàn)較大偏差時，該系統(tǒng)能夠迅速報警，及時指出擺位存在的問題，第一時間提醒參與擺位的物理師和醫(yī)療技術(shù)人員，糾正存在的問題，大大減小擺位難度，縮短擺位時間，提高擺位效果，在臨床中有實際意義。

3 討論

國內(nèi)外目前對放療擺位質(zhì)量的研究和實施，仍然停留在放療“擺位前”的相關(guān)設(shè)備和臨床技術(shù)實施過程中的質(zhì)量控制上。至今還沒有出現(xiàn)過對放療“擺位后”產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，以此用于擺位實時預(yù)警。本文的OPS 放療實時擺位預(yù)警系統(tǒng)能夠及時收集、分析擺位產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，指出擺位所存在的問題，在臨床中有很大的優(yōu)勢。常規(guī)的放療患者通常一周僅使用一次CBCT［15］來實現(xiàn)精準(zhǔn)擺位：首先使用室內(nèi)激光定位系統(tǒng)擺位，第二步使用CBCT對患者進(jìn)行掃描，驗證室內(nèi)激光定位系統(tǒng)的擺位誤差，最后對擺位誤差進(jìn)行校正［16-18］。CBCT 在使用過程中較依賴使用人員的技術(shù)水平［19］，并且在治療過程中無法使用CBCT。室內(nèi)激光定位系統(tǒng)利用3個方向的激光十字線定位，但任何一個方向出現(xiàn)偏差都會導(dǎo)致較大的擺位誤差［20］。而本文提出的OPS 放療實時擺位預(yù)警系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)各種擺位誤差，在一定程度上提高了患者治療的擺位精度和治療安全。且該系統(tǒng)所依賴的OPS 采用自由式配準(zhǔn)技術(shù)，具有較高的抗干擾能力。OPS主要依賴計算機進(jìn)行智能化擺位，由人員操作帶來的誤差幾乎忽略不計。

綜上所述，OPS放療實時擺位預(yù)警系統(tǒng)在放射治療擺位方面非常有效，能夠幫助實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的患者擺位，及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的擺位問題。對于放療的患者而言，OPS放療實時擺位預(yù)警系統(tǒng)在滿足放射治療精度的情況下，還能具有如下特點：實時監(jiān)控患者的擺位誤差，降低放療擺位時間成本，提高治療效率，增強治療安全性。