基于KV-CBCT影像引導下非小細胞肺癌調強放療的擺位誤差分析

張利，倪千喜，余功奕

湖南省腫瘤醫院 放療科放射物理技術部，湖南 長沙 410013

引言

調強放射治療（Intensity-Modulated Radiotherapy，IMRT）是一種高強度的精確放療技術，具有高度適形和均勻的靶區劑量分布等優勢，研究表明，IMRT 能夠提高非小細胞肺癌（Non-Small Cell Lung Cancer，NSCLC）腫瘤的照射劑量和降低重要器官（肺、心臟、脊髓等）的照射劑量[1-3]及放療不良反應，故IMRT 已廣泛運用于非小細胞肺癌放療中[4-5]。然而，由于這些精確的IMRT 技術使靶區邊緣到相鄰危及器官（Organ at Risk，OAR）的劑量跌落很大，患者實際劑量分布容易受到微小的擺位誤差和器官位置變化而產生顯著的差異[6-8]，為保證腫瘤控制率和避免正常器官放射損傷，在使用IMRT 技術對患者實施放療的過程中必須保持具有相當高的準確性和重復性。因此如何降低放療擺位誤差已成為放療需要解決的重點問題。近年來，IGRT 從二維的千伏特（Kilovolt，KV）X 射線攝片、電子射野影像裝置（Electronic Portal Imaging Device，EPID）已發展為三維千伏級錐形束CT（Kilovolt Cone-Beam Computed Tomography，KV-CBCT）。 基 于 機 載 的KVCBCT 的圖像引導放射治療（Image Guided Radiotherapy，IGRT）可以在實施放療前獲得解剖影像、體積、位置等反饋信息，并能夠準確評估并調整擺位誤差和劑量校正，確保非小細胞肺癌的精確治療。目前，國內外許多學者針對肺癌放療時的擺位誤差大小進行了相關研究[9-11]，但擺位誤差對計劃劑量分布的影響尚鮮見報道。在精準影像引導下調強治療時代，本研究針對非小細胞肺癌放療擺位誤差大小，以及擺位誤差對放療計劃劑量分布的影響進行了分析，旨在利用KV-CBCT 引導圖像探討NSCLC 放療擺位誤差及其對靶區和正常組織劑量的影響。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究隨機選取2019 年4 月至2020 年1 月在我院放療科行調強放射治療的60 例非小細胞肺癌患者作為研究對象。其中男性40 例，女性20 例；年齡38～76 歲，中位數56 歲；腫瘤部位：左肺31 例，右肺29 例；腫瘤類型：鱗癌35 例，腺癌25 例；腫瘤分期采用AJCC 分期標準，其中ⅢA 期25 例，ⅢB 期23 例，Ⅳ期12 例。納入標準：所有病理檢查結果均為非小細胞肺癌初治患者；肺部病灶有放療指征，未行手術切除患者。排除標準：無完整的周期性KV-CBCT 圖像患者；中途因為某種原因放療中斷的患者。本研究所有患者均簽署知情同意書并得到醫院倫理委員會的批準。

1.2 體位固定與4DCT模擬定位

患者平躺仰臥于一體化托架上，雙手上舉握住托架立桿，采用一體化體架結合胸腹部熱塑體膜體位固定技術，固定體位后使用瓦里安公司呼吸門控實時位置管理系統（Real-time Position Management，RPM）采集重建患者呼吸運動周期性曲線，根據重建的呼吸周期信息評估患者呼吸平穩后在大孔徑模擬螺旋CT（Big Bore Brilliance，Philips）下進行四維計算機斷層掃描（4 Dimensional Computed Tomography，4DCT）技術增強圖像掃描，掃描范圍為頜下至膈下5 cm，全肺包括在內。掃描層厚為2.5 mm，層間距為2.5 mm，掃描電壓120 kV，電流80 mA，掃描完成后，將圖像重建生成的4DCT 影像數據以DICOM 格式通過局域網上傳至軟件Eclipse 計劃操作系統。

1.3 靶區勾畫和放療計劃的制定

高年資放療醫生根據ICRU 50 號[12]和ICRU 62[13]號報告的標準勾畫靶區。大體腫瘤體積（Gross Tumor Volume，GTV）為在CT 圖像肺窗以及縱膈窗下勾畫的肺內腫瘤和縱膈所累范圍，臨床靶體積（Clinical Target Volume，CTV）根據肺間質內病變的影像學及病理類型在GTV 外擴6 mm 或8 mm 形成，計劃靶體積（Planning Target Volume，PTV）參照患者呼吸運動和擺位誤差等因素在CTV 外擴形成，同時勾畫雙肺、心臟、脊髓等正常組織。放療處方劑量PTV D95為60～66 Gy，28～30 次，2.0～2.2 Gy/次。在Eclipse 工作站上醫學物理師按照醫囑要求為每例患者分別設計個體化、最優化的調強治療計劃Planapproved，治療計劃通過治療前劑量驗證后上傳到VARIAN Trilogy 加速器實施治療。

1.4 CBCT圖像掃描和擺位誤差驗證

患者按定位時的體位與固定技術仰臥于加速器治療床上進行放療。在進行CBCT 掃描之前，每周需對錐形束CT進行常規檢測和質量保證[14]。放療技師將激光燈調整到腫瘤中心標記線后，利用VARIAN Trilogy 影像引導系統進行KV-CBCT 圖像掃描和擺位誤差驗證。資深放療技師采用自動（骨組織或灰度）和手動相結合的配準技術在線匹配KV-CBCT 和定位CT 兩套圖像，在線匹配分析獲得患者實際照射與治療計劃兩者等中心位置在左右（X 軸）、頭腳（Y軸）、前后（Z 軸）三維方向上擺位誤差。當任意三維方向大于擺位閾值5 mm 時，進行位置校正。KV-CBCT 掃描頻率為首周每天1 次，之后每周1 次。

1.5 模擬治療計劃及評估

在基于OBI 測得的60 例患者的擺位誤差中選取40 例輸入Eclipse 計劃系統，模擬出未移床時治療中心坐標，按治療計劃的處方劑量要求不改變任何射束和優化條件等參數，只需重新計算放療計劃，模擬每周期的沒有在線位置校正時計劃劑量分布，然后將每周期的劑量分布進行疊加計算得到總的沒有進行在線校正位置的劑量分布，將其命名為Plansum，最后將Plansum與最初計劃劑量Planapproved進行比較，獲取靶區D95、Dmean和危及器官的劑量學指標參數和體積變化參數，其中，靶區的評價指標為PGTV（D95、Dmean）、PTV（D95、Dmean），危及器官的評價指標為脊髓（Dmax、V10、V20、V30、V40）、肺組織（不包括GTV 的肺體積，V5、V10、V20、V30、V40、Dmean）、 心 臟（V10、V20、V30、V40、Dmean）、食管（V10、V20、V30、V40、Dmean、Dmax），將其變化差異作為擺位誤差對非小細胞肺癌的劑量影響。

1.6 數據分析

采用SPSS 22.0 軟件對擺位誤差數據進行統計學分析，為避免數據正負相抵，所有擺位誤差值均取絕對值，結果用（±s）來描述；研究擺位誤差對劑量分布的影響采用配對t檢驗，以P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 擺位誤差大小和各區間百分比分布

60 例患者位置校正前擺位誤差，每例患者整個療程中進行8～10 次圖像引導擺位誤差驗證，合計588 人次圖像引導擺位驗證數據，如表1～2 和圖1 所示，左右（X）、頭腳（Y）、前后（Z）方向擺位誤差分別為（1.8±1.5）、（2.5±1.9）、（2.2±1.5）mm，絕對最大值分別為8.2、14.0、9.8 mm。

表1 60例非小細胞肺癌患者校正前擺位誤差大?。╩m）

圖1 60例非小細胞肺癌患者588次校正前擺位誤差數據分布圖

表2 60例非小細胞肺癌患者校正前擺位誤差區間百分比[n(%)]

2.2 擺位誤差對劑量分布影響

如表3 所示，Plansum中的危及器官肺組織V5、V20、V30、V40、Dmean分 別 為Planapproved的101.2%、101.2%、103.3%、102.9%、101.5%；心臟V10、V20、V30、V40、Dmean分 別 為Planapproved的102.1%、102.6%、107.0%、112.1%、105.1%；靶 區PTV D95、PTV Dmean分 別 為Planapproved的94.9%、95.7%，PGTV D95、PGTV Dmean分 別 為Planapproved的95.5%、96.2%；其中Plansum與Planapproved靶區劑量學指標差異具有統計學意義（P＜0.01），危及器官的劑量學指標差異無統計學意義（P＞0.05）。

表3 40例非小細胞肺癌患者腫瘤及重要器官最初治療計劃照射劑量與模擬實際照射比較

3 討論

雖然IMRT 在NSCLC 的放療中的地位是越來越高，然而，由于IMRT 使得靶區與危及器官之間的劑量跌落更加陡峭，而減少擺位誤差是靶區劑量分布能夠正確投遞的重要方法。因此，在患者放療之前使用CBCT 影像引導系統進行擺位誤差驗證并給予校正至關重要。

擺位誤差中包括系統誤差和隨機誤差兩部分，系統誤差與放療設備的機械誤差（激光燈、光距尺等到位精度）的不確定度有關；隨機誤差與器官的生理運動變形、技術員的擺位質量、身體不可控制移動等多重不確定性有關。Erridge 等[15]分析了25 例非小細胞肺癌的擺位前掃描圖像，研究表明，在校正之前有41%的患者的擺位誤差超過5 mm；Borst 等[16]研究表明，未經過位置校正，有51%的患者擺位誤差超過5 mm；許峰等[17]分析5l 例胸部患者353 次CBCT 擺位誤差數據，結果表明，胸部腫瘤擺位誤差較大，10% 的治療擺位誤差在左右、前后方向均接近5 mm，頭腳誤差大多數在10 mm 附近，最大可達18.9 mm。本研究中對60 例非小細胞肺癌患者進行了588 次在線擺位誤差分析，結果表明，左右（X）方向、頭腳（Y）、前后（Z）方向的擺位誤差幾乎都能控制在5 mm內，但在擺位過程中，個別出現較大的偏差，左右（X），頭腳（Y），前后（Z）絕對最大的擺位值分別為8.2 mm、14.0 mm、9.8 mm；相對來說，本研究擺位誤差結果比以上學者的研究結果更小，可能與科室放療設備質控質量和技術員擺位水平不一致有關。本研究中左右（X）、頭腳（Y）、前后（Z）方向擺位誤差分別為（1.8±1.5）、（2.5±1.9）、（2.2±1.5）mm；曹曉輝[18]分析了30 例非小細胞肺癌患者在線校正的270 次CBCT 擺位誤差，研究表明，在X、Y、Z 三個方向的系統誤差分別為2.26、4.21、2.81 mm，在X、Y、Z 三個方向的隨機誤差分別為1.72、3.53、1.79 mm；朱晟超等[19]同樣也報道了30 例非小細胞肺癌患者的擺位誤差在X、Y、Z 三個方向分別為（-0.40±2.81）、（1.40±5.18）、（-0.80±2.15）mm；本研究結果與以上研究結果類似，頭腳（Y）方向擺位誤差最大、前后（Z）方向次之、左右（X）方向最小，提示在擺位過程中注意頭腳（Y）方向和前后（Z）方向的擺位。進一步分析引起非小細胞肺癌擺位誤差的原因主要有以下幾點：① 放療設備的機械誤差（激光燈、光距尺等到位精度）的不確定；② 患者使用的熱塑體膜貼緊包裹著患者的身體各個部位，從而限制了左右（X）和前后（Z）兩個方向的位移，而頭腳（Y）方向體膜是放空的，無法避免多重因素導致的身體不自主的頭腳（Y）的移動誤差，前后（Z）方向的擺位誤差可能是患者肺部呼吸運動引起腫瘤中心標記線上下浮動引起技術員擺位視覺的誤差導致的；③ 患者器官的生理運動和自身不可控制的移動，如呼吸運動、心臟跳動等；④ 體重變化導致的胸部輪廓與熱塑體膜貼合的松緊度改變；⑤ 定位CT 掃描周期短僅需1.5 s，CBCT 掃描周期大約1 min，在掃描過程中因運動信息的不一致而導致的配準誤差；⑥ 技術員的擺位技術和質量的不一致。

大量研究表明，非小細胞肺癌調強放療提高了腫瘤增益比，但由于其陡峭的劑量跌落，分次放療擺位誤差越大，引起腫瘤被放射的真實劑量與設計的治療計劃的“靜止”劑量差異越大，進而可能會導致腫瘤失控或者正常器官發生無法逆轉的放射損傷[20-22]。因此精確的位置保證技術是保證精確的調強放療技術質量的重要前提。本研究將40 例非小細胞肺癌未校正位置時模擬計劃照射劑量Plansum與最初計劃劑量Planapproved進行了比較，結果表明，擺位誤差會使靶區實際照射劑量比最初治療計劃劑量減少，差異具有統計學意義（P＜0.01）；本研究中危及器官肺組織實際照射的V5、V20、V30、V40、Dmean分別為Planapproved的101.2%、101.2%、103.3%、102.9%、101.5%；心 臟V10、V20、V30、V40、Dmean分別為Planapproved的102.1%、102.6%、107.0%、112.0%、105.1%，可見危及器官未校正位置時模擬照射劑量比最初治療計劃劑量有所增加，但差異無統計學意義（P＞0.05），從數值上肺組織和心臟的高劑量受照射的體積與最初治療計劃比較，差異有逐漸增加的趨勢，放射性肺炎與放射性心肌炎發生概率也隨之增加，與曹曉輝[23]研究結果類似，如果繼續有選擇性增加研究的樣本量，有可能會得出有統計學差異性的結果；脊髓的V10、V20和Dmean與最初治療計劃比較有所增加，但V30、V40較最初治療計劃有所減少，Dmax、D1cc與最初治療計劃比較無明顯差異，分析原因為脊髓與腫瘤相對空間的位置不同，擺位誤差方向存在隨機性和不確定性，從而導致了脊髓受量的不確定性，當擺位誤差偏向脊髓時，增加了脊髓放射劑量，進而增加了放射性脊髓炎發生率；同理當擺位誤差背向脊髓時，脊髓放射劑量減少；食管的V10、V20、V30、V40、Dmean較最初治療計劃都有所減少，分析原因考慮為在所選擇的病例中部分食管被包裹于靶區內，因此擺位誤差對食管的影響與對靶區的影響一致。

4 結論

綜上所述，擺位誤差會使靶區實際照射劑量比最初治療計劃劑量減少，且由于擺位誤差的存在，會導致靶區劑量不足和危及器官照射劑量增加，因此在非小細胞肺癌調強放射治療中進行基于圖像引導下的在線自適應放療擺位誤差的監測和校正是非常重要的，特別是靶區與正常組織貼近時，很有必要增加擺位驗證次數，為了更好地保護危及器官，在正常組織外進行一定外擴形成PRV，對PRV 進行嚴格劑量限制。通過在線的自適應位置校正，歸納出擺位誤差的規律，從而指導患者更加精準、個性化治療。