三維床與六維床對肺癌圖像引導放療擺位誤差校正能力的比較

張丙新,石祥禮,梁廣立

(天津醫科大學腫瘤醫院/國家腫瘤臨床醫學研究中心/天津市“腫瘤防治”

21世紀以來,圖像引導放療(image guided radiotherapy,IGRT)開啟了腫瘤精準放療的新時代,IGRT可進一步提高患者的放療精度,減小其CTV基礎上的PTV外放值,以達到降低患者放療副反應的目的[1-3]。IGRT放療精度的提高主要通過兩步實現：(1)擺位誤差的計算,圖像引導設備采集患者治療前的三維或二維圖像,與患者定位CT或DRR圖像進行配準,計算患者的六維擺位誤差,即三維平移誤差[左右(x)、頭肢(y)、腹背(z)]和三維旋轉誤差[繞x(Rx)、繞y(Ry)、繞z(Rz)]；(2)擺位誤差的校正,IGRT對患者擺位誤差的校正需通過加速器治療床的位移來實現,治療床的誤差校正能力直接影響著擺位誤差的校正精度,進而影響患者PTV外放值的大小。

目前,腫瘤IGRT中的圖像引導設備均可以檢測患者的六維擺位誤差,而實際臨床應用中的治療床則主要為三維床和六維床兩種,三維床主要用于x、y、z三維平移誤差的校正,六維床則可進行x、y、z和Rx、Ry、Rz六維平移和旋轉誤差的校正。盡管腫瘤IGRT在臨床中的應用日益廣泛,三維床以其實用、價格低等優勢仍是臨床應用最廣泛的治療床[4-5],而六維床則主要裝備于較為先進的放療系統中,如Cyber Knife[6]、質子重離子放療系統[7]、瓦里安和醫科達較先進的IGRT系統等[8]。為比較三維床和六維床對患者擺位誤差的校正能力,以及對患者PTV外放值的影響,本研究利用同一治療床的三維和六維模式對中心型肺癌患者的擺位誤差進行了校正比較,現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集2020年1-12月在天津醫科大學腫瘤醫院進行錐形束CT(CBCT)圖像引導下調強放療的中心型肺癌患者40例,隨機分為試驗組和對照組各20例,試驗組：男15例,女5例,平均年齡(46.8±8.3)歲；對照組：男14例,女6例,平均年齡(47.2±5.5)歲,兩組患者一般資料比較差異無統計學意義(P>0.05),具有可比性。所有患者均行1次/周的CBCT圖像引導,放射劑量42～56 Gy,單次劑量2 Gy,每周5次；所有患者均了解并簽署了圖像引導放療相關知情同意書。

1.2 設備

恒溫水浴箱,胸部翼型定位板,胸部熱塑體膜,CT模擬機,Pinnacle v9.8計劃系統,瓦里安Vital Beam直線加速器。

1.3 定位與計劃

患者均采用仰臥位,胸部熱塑體膜聯合翼型定位板固定,CT模擬機進行掃描,層厚3 mm,512×512像素重建,掃描完成后,將患者的CT掃描圖像傳送至治療計劃系統。臨床醫生根據ICRU 50號及62號建議進行腫瘤靶區和危及器官的勾畫,物理師根據醫生的靶區劑量和危及器官限量要求設計和優化治療計劃。治療計劃經臨床醫生和物理師確認后,患者于模擬機下進行復位,確認或重新標記腫瘤靶區。治療計劃傳送至加速器治療系統,患者開始治療程序。

1.4 放療實施

由兩名治療師對患者進行精確擺位,擺位完成后,進行CBCT掃描以觀察患者的實際擺位誤差大小。CBCT選擇低劑量胸部模式(low dose thorax),掃描范圍178o～182o,層厚3 mm,512×512像素重建,CBCT重建三維圖像與CT定位圖像進行灰度配準,采用自動配準加人工檢驗的方式,得到x、y、z三維平移和Rx、Ry、Rz三維旋轉擺位誤差。對照組采用三維床模式進行三維平移誤差的校正,試驗組采用六維床模式進行六維平移和旋轉誤差的校正,擺位誤差校正完成后,再次進行CBCT掃描,以觀察患者六維擺位誤差校正前后的變化情況,之后開始實施治療。

1.5 統計學處理

2 結 果

兩組患者分別進行擺位誤差校正前后的CBCT掃描各103次和105次。三維床校正前后對照組x、y、z三維平移誤差和Rx、Ry、Rz三維旋轉誤差的分布范圍分別為(-3.9～5.1)/(-1.7～1.7)、(-5.1～4.7)/(-2.1～1.7)、(-4.3～5.1)/(-1.9～2.0)mm和(-3.0～3.3)/(-3.0～3.4)、(-3.2～3.0)/(-3.6～2.8)、(-1.8～2.9)/(-1.6～2.9)mm；三維床校正前后x、y、z平移誤差差異均有統計學意義(P=0.001、0.013、0.000),而校正前后Rx、Ry、Rz旋轉誤差差異均無統計學意義(P=0.064、0.209、0.140),見表1。試驗組x、y、z三維平移誤差和Rx、Ry、Rz三維旋轉誤差經六維床校正前后的分布范圍分別為(-3.6～5.0)/(-1.0～1.1)、(-5.2～5.1)/(-1.3～0.9)、(-4.6～4.9)/(-1.1～0.9) mm和(-3.0～3.4)/(-0.9～1.5)(-3.2～3.1)/(-0.9～0.8)、(-1.6～2.9)/(-1.3～0.9)mm；六維床校正前后x、y、z、Rx、Ry、Rz六維方向擺位誤差差異均有統計學意義(P=0.000、0.002、0.000、0.000、0.020、0.001),見表2。

校正前,對照組和試驗組患者的x、y、z三維平移和Rx、Ry、Rz三維旋轉誤差之間差異均無統計學意義(P=0.599、0.576、0.688、0.498、0.348、0.841)；經三維和六維兩種治療床的校正以后,兩組患者六維方向的擺位誤差差異均有統計學意義(P=0.014、0.007、0.023、0.000、0.011、0.012),見表3、4。

表1 三維床對擺位誤差的校正精度分析

表2 六維床對擺位誤差的校正精度分析

表3 兩組患者校正前的擺位誤差比較

表4 兩組患者校正后的擺位誤差比較

3 討 論

肺癌是發病率和病死率最高的腫瘤之一,放射治療在肺癌的根治性、姑息性、輔助性治療中發揮著重要作用。特別是隨著IGRT技術的廣泛應用,調強放療、立體定向放療、質子重離子等精確放療技術的高劑量梯度分布優勢得以充分發揮,在保證腫瘤治愈率的前提下,可有效減小腫瘤周邊組織的照射劑量,降低患者的放療副反應。IGRT可利用三維或二維圖像引導系統獲取和計算患者的擺位誤差,用三維或六維治療床來校正和減小擺位誤差；相關研究[9-12]表明,不同圖像引導系統對患者擺位誤差的計算具有較好的一致性,而不同治療床對擺位誤差的校正精度則直接影響著患者PTV外放值的大小和腫瘤周邊組織的照射劑量；受人體非剛性組織特點和治療床校正精度的影響,腫瘤患者的擺位誤差即使經治療床在線校正后,仍無法消除,而是以剩余誤差的形式存在。

張大偉等[13]研究顯示,經三維床校正后,頭頸部腫瘤患者腹背、頭腳、左右方向上的剩余誤差分別為(-0.14±0.51)、(0.19±0.75)、(0.20±0.58)mm；腹盆部腫瘤患者的剩余誤差分別為(0.34±1.61)、(-0.32±1.52)、(-0.28±1.75)mm。本研究顯示,三維床可以有效校正患者x、y、z方向的三維平移誤差(P=0.001、0.013、0.000),剩余誤差分別為(-0.11±0.62)、(0.39±0.85)、(0.14±0.78)mm；同時,平移誤差的校正對旋轉誤差的影響較小,患者的旋轉擺位誤差在三維床校正前后差異無統計學意義(P=0.064、0.209、0.140)。

六維床伴隨著IGRT的發展開始應用于臨床放療,六維床雖然可以同時校正患者的平移誤差和旋轉誤差,但也有一定的剩余誤差存在。鐘偉偉等[14]利用六維床對顱內腫瘤立體定向放療患者的擺位誤差進行校正后,3個平移方向x、y、z的剩余誤差分別為(0.020±0.016)、(0.012±0.012)、(0.014±0.011)cm,3個旋轉方向Rx、Ry、Rz的剩余誤差分別為(0.080±0.080)°、(0.076±0.075)°、(0.076±0.075)°；姜樹坤等[15]利用六維床對直腸癌術前放療患者的擺位誤差進行校后,x、y、z方向的剩余誤差分別為(0.01±0.09)、(-0.01±0.05)和(-0.03±0.08)cm,Rx、Ry、Rz方向的剩余誤差分別為(-0.16±0.40)°、(0.36±0.31)°和(-0.01±0.25)°。與三維床對患者擺位誤差的校正能力相比較,六維床對旋轉誤差的校正則可能有助于線性誤差校正精度的進一步提高。本研究顯示,兩組患者校正前的擺位誤差差異無統計學意義(P=0.599、0.576、0.688、0.498、0.348、0.841),經三維床和六維床校正后,兩組患者x、y、z、Rx、Ry、Rz六維方向的擺位誤差差異有統計學意義(P=0.000、0.002、0.000、0.000、0.020、0.001)。試驗組患者不僅旋轉誤差的剩余誤差明顯小于對照組,而且平移誤差的剩余誤差也小于對照組。此現象產生的原因在于：CBCT圖像與CT圖像間的配準是對配準區域內的腫瘤及周邊組織進行的相似性配準。申紅峰等[16]、黃家文等[17]研究指出腫瘤放療患者的三維旋轉誤差與三維平移誤差存在不同程度的相關性,三維床雖然可以校正患者的線性誤差,但無法有效校正旋轉誤差,旋轉誤差的存在,影響線性誤差的進一步校正；而六維床則可以同時校正患者的線性誤差和旋轉誤差,旋轉誤差的校正則有助于線性誤差的進一步減小。因此,在對IGRT患者的擺位誤差進行校正時,六維床的校正精度要高于三維床。

腫瘤患者的常規放療中,患者的擺位誤差直接影響其PTV外放值的大小,對于行IGRT的腫瘤患者而言,其PTV外放值的大小則主要受患者剩余誤差的影響。本研究中,利用三維床進行對照組患者的擺位誤差校正后,患者x、y、z方向的剩余誤差分別為(-1.7～1.7)、(-2.1～1.7)、(-1.9～2.0)mm,其PTV外放值可設置為1.7、2.1、2.0 mm；利用六維床進行試驗組患者的擺位誤差校正后,不僅Rx、Ry、Rz方向的旋轉誤差得到有效校正,其x、y、z方向的剩余誤差也小于對照組,分別為(-1.0～1.1)、(-1.3～0.9)、(-1.1～0.9)mm,其PTV外放值設置為1.1、1.3、1.1 mm即可,說明六維床可提供比三維床更小的PTV外放值,較小的PTV外放值為更進一步降低患者的放療副反應提供了可能。

綜上所述,在腫瘤的IGRT中,圖像引導設備可以精確檢測患者的實際擺位誤差,而患者擺位誤差校正則是由治療床來完成；與傳統的三維治療床相比,六維治療床具有更高的擺位誤差的校正精度,可更有效地減小患者的PTV外放值,進而更有效地降低患者的放療副反應。因此,在腫瘤的IGRT中,應優先選擇六維治療床進行患者擺位誤差的校正。