基于KV-CBCT影像引導(dǎo)下非小細(xì)胞肺癌調(diào)強(qiáng)放療的擺位誤差分析

張利，倪千喜，余功奕

湖南省腫瘤醫(yī)院 放療科放射物理技術(shù)部，湖南 長沙 410013

引言

調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity-Modulated Radiotherapy，IMRT）是一種高強(qiáng)度的精確放療技術(shù)，具有高度適形和均勻的靶區(qū)劑量分布等優(yōu)勢，研究表明，IMRT 能夠提高非小細(xì)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(yīng)，故IMRT 已廣泛運(yùn)用于非小細(xì)胞肺癌放療中[4-5]。然而，由于這些精確的IMRT 技術(shù)使靶區(qū)邊緣到相鄰危及器官（Organ at Risk，OAR）的劑量跌落很大，患者實(shí)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(chǎn)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(shù)對患者實(shí)施放療的過程中必須保持具有相當(dāng)高的準(zhǔn)確性和重復(fù)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(diǎn)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(fā)展為三維千伏級錐形束CT（Kilovolt Cone-Beam Computed Tomography，KV-CBCT）。 基 于 機(jī) 載 的KVCBCT 的圖像引導(dǎo)放射治療（Image Guided Radiotherapy，IGRT）可以在實(shí)施放療前獲得解剖影像、體積、位置等反饋信息，并能夠準(zhǔn)確評估并調(diào)整擺位誤差和劑量校正，確保非小細(xì)胞肺癌的精確治療。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者針對肺癌放療時(shí)的擺位誤差大小進(jìn)行了相關(guān)研究[9-11]，但擺位誤差對計(jì)劃劑量分布的影響尚鮮見報(bào)道。在精準(zhǔn)影像引導(dǎo)下調(diào)強(qiáng)治療時(shí)代，本研究針對非小細(xì)胞肺癌放療擺位誤差大小，以及擺位誤差對放療計(jì)劃劑量分布的影響進(jìn)行了分析，旨在利用KV-CBCT 引導(dǎo)圖像探討NSCLC 放療擺位誤差及其對靶區(qū)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(jī)選取2019 年4 月至2020 年1 月在我院放療科行調(diào)強(qiáng)放射治療的60 例非小細(xì)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)，其中ⅢA 期25 例，ⅢB 期23 例，Ⅳ期12 例。納入標(biāo)準(zhǔn)：所有病理檢查結(jié)果均為非小細(xì)胞肺癌初治患者；肺部病灶有放療指征，未行手術(shù)切除患者。排除標(biāo)準(zhǔn)：無完整的周期性KV-CBCT 圖像患者；中途因?yàn)槟撤N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(yī)院倫理委員會的批準(zhǔn)。

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(jié)合胸腹部熱塑體膜體位固定技術(shù)，固定體位后使用瓦里安公司呼吸門控實(shí)時(shí)位置管理系統(tǒng)（Real-time Position Management，RPM）采集重建患者呼吸運(yùn)動周期性曲線，根據(jù)重建的呼吸周期信息評估患者呼吸平穩(wěn)后在大孔徑模擬螺旋CT（Big Bore Brilliance，Philips）下進(jìn)行四維計(jì)算機(jī)斷層掃描（4 Dimensional Computed Tomography，4DCT）技術(shù)增強(qiáng)圖像掃描，掃描范圍為頜下至膈下5 cm，全肺包括在內(nèi)。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(shù)據(jù)以DICOM 格式通過局域網(wǎng)上傳至軟件Eclipse 計(jì)劃操作系統(tǒng)。

1.3 靶區(qū)勾畫和放療計(jì)劃的制定

高年資放療醫(yī)生根據(jù)ICRU 50 號[12]和ICRU 62[13]號報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)勾畫靶區(qū)。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(nèi)腫瘤和縱膈所累范圍，臨床靶體積（Clinical Target Volume，CTV）根據(jù)肺間質(zhì)內(nèi)病變的影像學(xué)及病理類型在GTV 外擴(kuò)6 mm 或8 mm 形成，計(jì)劃靶體積（Planning Target Volume，PTV）參照患者呼吸運(yùn)動和擺位誤差等因素在CTV 外擴(kuò)形成，同時(shí)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(yī)學(xué)物理師按照醫(yī)囑要求為每例患者分別設(shè)計(jì)個體化、最優(yōu)化的調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃Planapproved，治療計(jì)劃通過治療前劑量驗(yàn)證后上傳到VARIAN Trilogy 加速器實(shí)施治療。

1.4 CBCT圖像掃描和擺位誤差驗(yàn)證

患者按定位時(shí)的體位與固定技術(shù)仰臥于加速器治療床上進(jìn)行放療。在進(jìn)行CBCT 掃描之前，每周需對錐形束CT進(jìn)行常規(guī)檢測和質(zhì)量保證[14]。放療技師將激光燈調(diào)整到腫瘤中心標(biāo)記線后，利用VARIAN Trilogy 影像引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行KV-CBCT 圖像掃描和擺位誤差驗(yàn)證。資深放療技師采用自動（骨組織或灰度）和手動相結(jié)合的配準(zhǔn)技術(shù)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(shí)際照射與治療計(jì)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(dāng)任意三維方向大于擺位閾值5 mm 時(shí)，進(jìn)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(jì)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(jì)劃系統(tǒng)，模擬出未移床時(shí)治療中心坐標(biāo)，按治療計(jì)劃的處方劑量要求不改變?nèi)魏紊涫蛢?yōu)化條件等參數(shù)，只需重新計(jì)算放療計(jì)劃，模擬每周期的沒有在線位置校正時(shí)計(jì)劃劑量分布，然后將每周期的劑量分布進(jìn)行疊加計(jì)算得到總的沒有進(jìn)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(jì)劃劑量Planapproved進(jìn)行比較，獲取靶區(qū)D95、Dmean和危及器官的劑量學(xué)指標(biāo)參數(shù)和體積變化參數(shù)，其中，靶區(qū)的評價(jià)指標(biāo)為PGTV（D95、Dmean）、PTV（D95、Dmean），危及器官的評價(jià)指標(biāo)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(xì)胞肺癌的劑量影響。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0 軟件對擺位誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，為避免數(shù)據(jù)正負(fù)相抵，所有擺位誤差值均取絕對值，結(jié)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(yàn)，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 擺位誤差大小和各區(qū)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(jìn)行8～10 次圖像引導(dǎo)擺位誤差驗(yàn)證，合計(jì)588 人次圖像引導(dǎo)擺位驗(yàn)證數(shù)據(jù)，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(xì)胞肺癌患者校正前擺位誤差大小（mm）

圖1 60例非小細(xì)胞肺癌患者588次校正前擺位誤差數(shù)據(jù)分布圖

表2 60例非小細(xì)胞肺癌患者校正前擺位誤差區(qū)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(qū)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(qū)劑量學(xué)指標(biāo)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），危及器官的劑量學(xué)指標(biāo)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表3 40例非小細(xì)胞肺癌患者腫瘤及重要器官最初治療計(jì)劃照射劑量與模擬實(shí)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(qū)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(qū)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(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行擺位誤差驗(yàn)證并給予校正至關(guān)重要。

擺位誤差中包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩部分，系統(tǒng)誤差與放療設(shè)備的機(jī)械誤差（激光燈、光距尺等到位精度）的不確定度有關(guān)；隨機(jī)誤差與器官的生理運(yùn)動變形、技術(shù)員的擺位質(zhì)量、身體不可控制移動等多重不確定性有關(guān)。Erridge 等[15]分析了25 例非小細(xì)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(jīng)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(shù)據(jù)，結(jié)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(shù)在10 mm 附近，最大可達(dá)18.9 mm。本研究中對60 例非小細(xì)胞肺癌患者進(jìn)行了588 次在線擺位誤差分析，結(jié)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(nèi)，但在擺位過程中，個別出現(xiàn)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(jié)果比以上學(xué)者的研究結(jié)果更小，可能與科室放療設(shè)備質(zhì)控質(zhì)量和技術(shù)員擺位水平不一致有關(guān)。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(xì)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(tǒng)誤差分別為2.26、4.21、2.81 mm，在X、Y、Z 三個方向的隨機(jī)誤差分別為1.72、3.53、1.79 mm；朱晟超等[19]同樣也報(bào)道了30 例非小細(xì)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(jié)果與以上研究結(jié)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(jìn)一步分析引起非小細(xì)胞肺癌擺位誤差的原因主要有以下幾點(diǎn)：① 放療設(shè)備的機(jī)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(dǎo)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(yùn)動引起腫瘤中心標(biāo)記線上下浮動引起技術(shù)員擺位視覺的誤差導(dǎo)致的；③ 患者器官的生理運(yùn)動和自身不可控制的移動，如呼吸運(yùn)動、心臟跳動等；④ 體重變化導(dǎo)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(yùn)動信息的不一致而導(dǎo)致的配準(zhǔn)誤差；⑥ 技術(shù)員的擺位技術(shù)和質(zhì)量的不一致。

大量研究表明，非小細(xì)胞肺癌調(diào)強(qiáng)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(shí)劑量與設(shè)計(jì)的治療計(jì)劃的“靜止”劑量差異越大，進(jìn)而可能會導(dǎo)致腫瘤失控或者正常器官發(fā)生無法逆轉(zhuǎn)的放射損傷[20-22]。因此精確的位置保證技術(shù)是保證精確的調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)質(zhì)量的重要前提。本研究將40 例非小細(xì)胞肺癌未校正位置時(shí)模擬計(jì)劃照射劑量Plansum與最初計(jì)劃劑量Planapproved進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，擺位誤差會使靶區(qū)實(shí)際照射劑量比最初治療計(jì)劃劑量減少，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）；本研究中危及器官肺組織實(shí)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(shí)模擬照射劑量比最初治療計(jì)劃劑量有所增加，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），從數(shù)值上肺組織和心臟的高劑量受照射的體積與最初治療計(jì)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(fā)生概率也隨之增加，與曹曉輝[23]研究結(jié)果類似，如果繼續(xù)有選擇性增加研究的樣本量，有可能會得出有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異性的結(jié)果；脊髓的V10、V20和Dmean與最初治療計(jì)劃比較有所增加，但V30、V40較最初治療計(jì)劃有所減少，Dmax、D1cc與最初治療計(jì)劃比較無明顯差異，分析原因?yàn)榧顾枧c腫瘤相對空間的位置不同，擺位誤差方向存在隨機(jī)性和不確定性，從而導(dǎo)致了脊髓受量的不確定性，當(dāng)擺位誤差偏向脊髓時(shí)，增加了脊髓放射劑量，進(jìn)而增加了放射性脊髓炎發(fā)生率；同理當(dāng)擺位誤差背向脊髓時(shí)，脊髓放射劑量減少；食管的V10、V20、V30、V40、Dmean較最初治療計(jì)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(qū)內(nèi)，因此擺位誤差對食管的影響與對靶區(qū)的影響一致。

4 結(jié)論

綜上所述，擺位誤差會使靶區(qū)實(shí)際照射劑量比最初治療計(jì)劃劑量減少，且由于擺位誤差的存在，會導(dǎo)致靶區(qū)劑量不足和危及器官照射劑量增加，因此在非小細(xì)胞肺癌調(diào)強(qiáng)放射治療中進(jìn)行基于圖像引導(dǎo)下的在線自適應(yīng)放療擺位誤差的監(jiān)測和校正是非常重要的，特別是靶區(qū)與正常組織貼近時(shí)，很有必要增加擺位驗(yàn)證次數(shù)，為了更好地保護(hù)危及器官，在正常組織外進(jìn)行一定外擴(kuò)形成PRV，對PRV 進(jìn)行嚴(yán)格劑量限制。通過在線的自適應(yīng)位置校正，歸納出擺位誤差的規(guī)律，從而指導(dǎo)患者更加精準(zhǔn)、個性化治療。