六自由度模式下宮頸癌根治性調強放療誤差及PTV擴邊制定分析

王蘊龍 孟凡旭 楊金磊 王琢 修雨婷 趙康康 陳志深 田琦 申延男 孫寶勝

(1吉林省腫瘤醫(yī)院放療科，吉林 長春 130021；2吉林大學公共衛(wèi)生學院)

宮頸癌調強放射治療技術的廣泛應用，使照射靶區(qū)適形度獲得明顯提升，提高治療精準性，并降低了危及器官的照射劑量，減輕了放射治療的副反應〔1,2〕。然而即便是進行良好的體位固定，放療過程中體位的復雜多變仍然對治療的準確性提出了挑戰(zhàn)，各種情況下的位置偏差均會直接引起腫瘤脫靶，從而導致腫瘤的未控或復發(fā)。

在這種狀況下，影像引導放射治療(IGRT)技術應運而生，在近年來不斷進步并得到了廣泛的應用。放療加速器配備的錐形束(CB)CT能夠提供治療過程中的三維影像，再與定位CT圖像進行配準，實現(xiàn)擺位誤差的精確計算，得到誤差的類型及大小后，通過六維床進行誤差修正，也可以提供出擺位誤差的整體數(shù)據(jù)，經過統(tǒng)計學分析計算出各種擺位誤差范圍，從而得到合理的計劃靶區(qū)(PTV)擴邊以防止腫瘤脫靶〔3〕。然而，在六自由度圖像融合技術的應用后，既往的研究及CTV外擴PTV的邊界的制定都是以傳統(tǒng)的三維方向(前后、左右、頭腳)為基礎〔4〕，這樣的靶區(qū)外擴及修正無法正確修正患者治療過程中的旋轉誤差〔5〕。因為宮頸癌根治性放療靶區(qū)較大，較小的角度偏移往往會使距中心較遠的靶區(qū)產生較大的位移，本研究利用對宮頸癌調強放療前CBCT的回傳圖像，通過與定位CT進行融合得到并分析前后、左右、頭腳方向平移及冠狀面、矢狀面、橫斷面旋轉的擺位誤差，根據(jù)結果制定放療外擴邊界，為PTV外擴邊界的安全距離提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1臨床資料 選取吉林省腫瘤醫(yī)院放療科2020年6～12月收治的宮頸癌放療患者34例，均采用醫(yī)科達INFINITY加速器及圖像引導系統(tǒng)進行治療，固定采用仰臥位，雙手上舉，Klarity腹部熱塑體膜及體板。

1.2CBCT掃描及圖像獲取 每例患者在治療過程中均接受1次/w的CBCT放療前掃描，選取圖像最清晰的5次CBCT圖像入組，共收集170組圖像，掃描采用INFINITY加速器自帶影像系統(tǒng)，掃描后立即將CBCT圖像與定位圖形進行配準，生成融合圖像及擺位誤差數(shù)據(jù)，采用三維床進行誤差校正后將CBCT圖像回傳至醫(yī)科達MOSAIQ放療治療系統(tǒng)，用于擺位誤差的統(tǒng)計與分析。CBCT掃描參數(shù)，每幀電壓120 kV，電流40 mA，掃描角度-180°～180°。

1.3MOSAIQ系統(tǒng)圖像及誤差分析 利用MOSAIQ治療系統(tǒng)影像審核功能對CBCT回傳圖像進行回顧分析，采用系統(tǒng)自帶MMI算法將CBCT圖像與定位圖像進行精確配準(圖1)，得到配準后的融合圖像，再通過人工校對融合結果確保融合準確，并分別記錄所有患者的校正數(shù)據(jù)，即患者在前后、左右、頭腳3個方向的平移擺位誤差大小x、y、z，冠狀面、矢狀面、橫斷面3個旋轉面上的旋轉誤差角度α、β、γ。

1.4旋轉擺位誤差的轉換公式的推導 如圖2所示，由于放療擺位過程中通常以治療中心點作為基準即激光燈標記線的校對，所以當出現(xiàn)旋轉誤差θ時，距離治療中心點最遠的點D會產生最大偏移，因此我們以位移D作為偏移系數(shù)，d設為點D到治療中心的距離，根據(jù)三角形的相關數(shù)學公式，我們可以得出公式：位移系數(shù)D=2sin(θ/2)d。

1.5分別測量患者在冠狀面、矢狀面、橫斷面上靶區(qū)邊緣距治療中心的最遠距離a、b、c，利用1.4公式得到每個患者每次治療旋轉位移在冠狀面、矢狀面、橫斷面上所致的最大靶區(qū)位移。

1.6PTV擴邊即CTV外擴邊界的計算 擺位誤差來源于分次治療擺位過程中的系統(tǒng)誤差和隨機誤差，系統(tǒng)誤差用所有分次擺位誤差的均值表示，隨機誤差用所有分次擺位誤差的標準差表示。利用van Herk〔6〕推導的幾何邊界公式(MPTV=2.5Σ+ 0.7σ)分別計算 CTV 在 x、y、z 軸方向上的外放邊界MPTV值，其中Σ為誤差的平均值，σ為標準差，計算MPTV時，所有分次誤差取絕對值。

1.7統(tǒng)計學方法 采用SPSS21.0軟件進行單樣本t檢驗。

圖1 通過MOSAIQ系統(tǒng)對回傳圖像與定位圖像進行融合

圖2 轉角誤差θ對靶區(qū)位移的影響

2 結 果

2.1擺位誤差在左右、頭腳、前后上的位移 如圖3箱式圖所示，各個變量不存在顯著的異常值，經過正態(tài)分布t檢驗提示3個方向變量均符合正態(tài)分布，3個方向中頭腳方向的位移y最大為(0.49±0.37)cm，前后方向的位移z最小為(0.13±0.10)cm，左右方向的位移x的位移居兩者之間為(0.25±0.19)cm。采用1.6公式計算出左右、頭腳、前后的PTV擴邊MPTV分別為0.76 cm、1.5 cm、0.40 cm。

2.2旋轉擺位誤差在冠狀面、矢狀面、橫斷面上的旋轉誤差角度α、β、γ，各旋轉面變量中均具有疑似異常值(圖4)，數(shù)據(jù)值大于1.5倍箱距，均無法使用t檢驗。冠狀面、矢狀面、橫斷面3個旋轉面上的旋轉誤差角度α、β、γ分別為0.76°±0.60°、0.74°±0.60°、0.92°±0.79°，采用D=2sin(θ/2)d公式分別計算出位移系數(shù)，冠狀面A為(0.19±0.15)cm、矢狀面B為(0.18±0.16)cm，橫斷面C為(0.18±0.14)cm。

2.3通過對冠狀面、矢狀面、橫斷面上測量靶區(qū)邊緣部分距治療中心最遠距離的測量，得到3個層面上的距中心最遠距離分別為(14.78±2.93)cm、(14.53±2.7)cm、(11.90±2.35)cm，偏移系數(shù)分別為0.19±0.15、0.18±0.16、0.18±0.14。各個層面距離中心最遠的靶區(qū)距離均大于10 cm，因此α角、β角、γ角產生的較大的轉角誤差-2.7°、-2.2°、-3.1°分別造成了靶區(qū)邊緣-0.57 cm、-0.69 cm、-0.52 cm誤差，從各項數(shù)據(jù)可以看出旋轉誤差造成的靶區(qū)偏移不容忽視，且在靶區(qū)范圍寬廣的情況下，較小的轉角也會造成不小的靶區(qū)偏移。

圖3 左右、頭腳、前后數(shù)據(jù)顯著的異常值檢驗

圖4 冠狀面、矢狀面、橫斷面旋轉角旋轉誤差角度α、β、γ顯著的異常值檢驗

3 討 論

IGRT相關技術的不斷進步使調強放療的精度得以保證，尤其在左右、前后、頭腳方向上的平移誤差，可以通過治療床修正與PTV擴邊的方法避免放療時腫瘤脫靶，然而治療過程中患者身體各個方向上的旋轉造成的誤差通常被忽略，放療靶區(qū)勾畫系統(tǒng)和放療計劃系統(tǒng)并沒有應對旋轉誤差的外擴方式，CTV外擴邊界的時候往往沒有被考慮。

本研究通過回顧性分析放療前CBCT的回傳圖像，與定位CT進行配準，得到前后左右頭腳平移及冠狀面、矢狀面、橫斷面旋轉共6種誤差。由于旋轉角度的誤差很難直觀的評價誤差的大小，本文將旋轉誤差導致的位移計算出來，以便更直觀的觀察旋轉導致靶區(qū)偏轉的距離大小。本文通過相關數(shù)學直角三角形相關定理，推導出旋轉導致的最大位移公式D=2sin(θ/2)d，也有國外學者采用D=dtanθ公式進行轉換計算〔3〕，相比之下本研究的計算公式更為精確，但在角度較小的情況下D=dtanθ公式計算結果與本研究公式計算結果極其近似，在實驗過程中也采用D=dtanθ公式進行對比驗證，轉換后得到的結果在小數(shù)點后兩位完全相同，但如果出現(xiàn)較大角度的旋轉位移D=dtanθ公式誤差會增加。本研究發(fā)現(xiàn)，宮頸癌放療靶區(qū)0.7～0.9°區(qū)間的旋轉誤差，就可以造成靶區(qū)邊緣近2 mm的擺位誤差，個別出現(xiàn)若大于2°的旋轉誤差，則可以造成靶區(qū)邊緣5～7 mm的靶區(qū)偏移。研究表明，宮頸癌5～7 mm的擺位誤差會產生明顯的劑量缺失〔7〕。雖然對距離放療中心的靶區(qū)影響較小，但仍會導致遠離中心CTV脫靶，造成邊緣劑量不足導致腫瘤未控及復發(fā)風險加大，特別對于腹股溝或腹膜后淋巴結轉移患者，靶區(qū)在矢狀面和冠狀面上偏移范圍更大，旋轉誤差的控制則顯得更為重要。

本研究中3個旋轉面的旋轉誤差均出現(xiàn)了疑似的異常值，而3個方向的平移誤差均未出現(xiàn)疑似異常值，分析可能由于定位與擺位過程中固定參考線均是針對平移誤差，沒有針對旋轉誤差的參考線及參考點，這就使擺位過程中旋轉誤差出現(xiàn)的不確定性增加。由于靶區(qū)勾畫系統(tǒng)并沒有針對旋轉誤差增加擴邊的選項，如果出現(xiàn)重要靶區(qū)位于遠離中心的位置，有必要增加PTV擴邊以避免旋轉位移所致脫靶。對于旋轉所致的MPTV大小的確定，由于旋轉誤差的復雜性，尚不能用MPTV=2.5Σ+ 0.7σ公式進行計算〔8〕，本研究的相關數(shù)據(jù)彌補旋轉誤差所需的擴邊僅能提供基本的借鑒，本文推薦在能保證射野覆蓋完全的情況下盡可能將靶區(qū)中最重要的部分(通常為原發(fā)腫瘤)位于治療中心，以減小旋轉誤差的影響。

對于CBCT聯(lián)合六自由度治療床校正擺位誤差的治療方式，已經有國內外學者通過對比六自由度床校正前后擺位誤差的大小，結果顯示六自由度床可以有效地減小擺位誤差，使治療更精準〔9～11〕。然而國內相當一部分治療機構尚不具備每次放療行IGRT的條件，頻繁地使用CBCT及挪床校正會使治療時間延長，增加患者治療中移動的風險，而且對于常規(guī)分割放療來說頻繁地使用CBCT掃描也會增加患者所受劑量，從而增加第二原發(fā)腫瘤的風險〔12〕，所以根據(jù)誤差的回顧分析計算PTV擴邊仍然是避免脫靶的主要方式。

除本研究涉及的位移及旋轉的誤差外，組織器官內部的充盈變化也會影響治療的精準〔13，14〕，本文并沒有相關分析，主要是因為在研究過程中也發(fā)現(xiàn)CBCT的圖像質量尚不足以清晰的顯示體內的解剖結構邊界，而且腸內積氣、體形過胖、機器掃描頻繁都會使圖像質量明顯降低〔15〕。不過本研究也發(fā)現(xiàn)調整掃描時間等相關參數(shù)可以使圖像質量得到提高，這也是今后進一步研究的方向。

綜上，宮頸癌根治性放療治療過程中的旋轉擺位誤差與平移擺位誤差同樣會造成明顯的靶區(qū)偏移，需要通過增加特殊的PTV擴邊以確保避免靶區(qū)脫靶。