基于Halcyon加速器百分百圖像引導模式下盆腔腫瘤CTV-PTV邊界外放的研究

董曉慶，胡杰，林清

同濟大學附屬第十人民醫院 放射治療科，上海 200072

引言

放射治療是治療盆腔腫瘤的主要手段之一，可降低局部復發率和遠處轉移率，進而提高患者整體生存率[1-4]。其中調強放射治療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）已被廣泛應用于盆腔腫瘤的治療中[5]。患者體重的變化、直腸排空、膀胱充盈等情況會引起靶區位置的變化[6-7]；治療中患者治療的時間越長，咳嗽或者呼吸運動越大都有可能引起體位改變等，從而影響擺位精度。隨著圖像引導放射治療技術的不斷發展和加速器硬件的不斷革新，患者可以得到更精準的放射治療，其優勢在于能夠利用加速器上配備的錐形束CT（Cone Beam CT，CBCT）得到擺位后的實時影像與CT 定位的原始圖像進行配準，獲得治療時的擺位誤差，并通過對治療床進行在線調整，提高放療精度。CBCT圖像引導已在臨床應用近20 年，但是傳統技術與新引導方式的結合在臨床上會產生新的亮點，或許會改變傳統加速器CBCT 圖像引導技術擺位誤差和臨床靶區-計劃靶區（Clinical Target Volume-Planning Target Volume，CTV-PTV））邊界外放的準則。

以往傳統加速器由于成像速度及質量等因素的限制，患者治療過程中并不能每次都行CBCT 掃描[立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）除外]。一般是前3 次掃描確保擺位誤差小于CTV-PTV 外放邊界，之后每周掃描一次CBCT，驗證CTV-PTV 外放邊界的安全性[8-10]。而美國瓦里安全新一代Halcyon 環形加速器因成像速度快、強制百分百圖像引導，同時擁有ICBCT 迭代算法功能，因而提高了影像質量和圖像配準精度，可使患者每次治療前行CBCT掃描，糾正患者擺位誤差，達到精準治療的目的。本文從分析盆腔腫瘤擺位誤差的角度探討Halcyon 治療盆腔腫瘤CTV-PTV 外放邊界的準則，為臨床提供有力證據，使患者得到更加精準的治療。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取2023 年1—5 月在我院放療科采用Halcyon 加速器行IMRT 的19 例盆腔腫瘤患者為研究對象，其中宮頸癌患者4 例，子宮內膜癌患者5 例，前列腺癌患者2 例，直腸癌患者6 例，卵巢癌患者1 例，膀胱癌患者1 例；年齡51～80 歲，中位年齡63 歲；男7 例，女12 例。本研究經醫院倫理委員會審批通過（批準文號：SHSY-IEC-5.0/23KY21/P01），所有患者均知情同意并簽署知情同意書。

1.2 定位掃描及圖像獲取

所有患者均采用熱塑膜進行位置固定并取仰臥位，雙手互握肘關節置額頭，雙下肢自然并攏。采用大孔徑16 排CT 模擬定位系統（Brilliance CT Big Bore，荷蘭飛利浦）進行圖像掃描，CT 掃描電壓為120 kV、電流為60 mA，掃描層厚為5 mm。將患者CT 圖像傳輸至治療計劃系統（Eclipse 15.6，美國瓦里安）。

1.3 靶區勾畫和治療計劃設計

同一副主任醫師在CT 圖像上勾畫靶區，19 例患者中婦科腫瘤（宮頸癌，子宮內膜癌，卵巢癌）處方劑量為45 Gy/25 F 或50.4 Gy/28 F，直腸癌處方劑量為45 Gy/25 F或59.92 Gy/28 F，前列腺癌處方劑量為70 Gy/28 F 或70 Gy/35 F，膀胱癌處方劑量為45 Gy/25 F，再序貫加量20 Gy/10 F。根據每位患者的病情情況將CTV-PTV 邊界外放5～7 mm，由主任醫師審核靶區。19 例患者由同一物理師在Eclipse 治療計劃系統設計9 野均分的6 MV X 線共面逆向IMRT 計劃，機架角度分別為0°、40°、80°、120°、160°、200°、240°、280°、320°。計劃設計后由主任醫師和高級物理師確認通過，同時通過Portal Dosimetry（PD）驗證后由Halcyon 加速器實施治療。

1.4 在線擺位校正及治療實施

所有患者均采用全新一代環形加速器（Halcyon2.0，瓦里安，美國）進行治療，并用機器自帶的千伏級CT進行CBCT 掃描獲取圖像。掃描中心為等中心，掃描直徑為49.1 cm，掃描長度為24.5 cm，圖像分辨率為512×512，層厚為2 mm。采用ICBCT重建算法處理圖像，共掃描3 組CBCT 圖像，見圖1。

圖1 分次間、糾正后、分次內的CBCT圖像與計劃圖像配準示意圖

CBCT 圖像在擺位完成后治療前行CBCT 掃描獲得，用來觀察分次間誤差（校正前）。將CBCT 圖像與治療計劃系統（Treatment Planning System，TPS）參考圖像自動配準后手動微調，顯示患者實際靶區與TPS 的PTV 2 個中心位置的誤差值，記錄X（左右）方向、Y（頭腳）方向、Z（腹背）方向的平移矢量，并按照記錄值進行擺位誤差的校正。

在治療床在線糾正擺位誤差后治療前，再進行CBCT 掃描得到圖像，用來觀察在線糾正后患者的位置偏差（校正后）。同樣，記錄X 方向、Y 方向、Z 方向的平移矢量。

CBCT 圖像在治療完成后獲取，用來觀察當次治療分次內移動誤差（包括器官蠕動）。同樣，記錄X 方向、Y 方向、Z 方向的平移矢量。

1.5 CTV-PTV外放邊界計算

根據擺位誤差來計算CTV-PTV 外放規則。群體系統誤差以個體系統誤差的標準差Σ表示；群體隨機誤差以個體隨機誤差的平方均值的平方根σ表示[11]。分次間、糾正后、分次內的群體系統誤差分別用ΣInter、ΣCorr和ΣIntra表示；群體隨機誤差分別用σInter、σCorr和σIntra表示。如果每次放療前都通過CBCT 圖像引導進行擺位誤差在線校正，PTV 外放的計算僅考慮分次內誤差[12]。雖然采用Halcyon 機器治療的患者每次放療前均行CBCT 圖像引導并在線糾正，但是糾正后患者仍存在殘余誤差，因此，本文CTV-PTV 外放邊界計算需考慮糾正后和分次內誤差。根據Mckenzie 等[13]提出的公式（M=2.5Σ+0.7σ），M為CTV 外放PTV 的邊界值。Σ和σ的計算方式如公式（1）～（2）所示。

1.6 統計學分析

應用SPSS 22.0 統計學軟件對各組擺位誤差行配對t檢驗，并計算CTV-PTV 邊界外放值，擺位誤差用±s表示，P＜0.05 為差異有統計學意義。采用origin2015 軟件分析擺位誤差的分布趨勢。

2 結果

本文共進行900 次CBCT 掃描，分別獲得300 套分次間、糾正后以及分次內的CBCT 圖像，與計劃圖像配準后，擺位誤差絕對值如表1 所示。在入組患者試驗中，對于X 方向，分次間絕對誤差為（2.07±1.82）mm，糾正后為（0.19±0.19）mm；分次內為（0.30±0.28）mm，差異均有統計學意義（P＜0.05）。對于Y 方向，分次間絕對誤差為（3.87±2.67）mm，糾正后為（0.23±0.31）mm；分次內為（0.27±0.23） mm，差異均有統計學意義（P＜0.05）。對于Z 方向，分次間絕對誤差為（0.72±0.83）mm，糾正后為（0.20±0.22）mm，分次內為（0.30±0.27）mm，差異均有統計學意義（P＜0.05）。對于3 個方向，分次間擺位誤差絕對值均值最大，糾正后擺位誤差絕對值均值最小，分次內擺位誤差絕對值均值大于糾正后的值，小于分次間的擺位誤差絕對值。

表1 分次間、糾正后以及分次內3次擺位誤差絕對值[ ±s（min，max），mm，n=300]

表1 分次間、糾正后以及分次內3次擺位誤差絕對值[ ±s（min，max），mm，n=300]

注：n：每組錐形束CT的套數。

X方向Y方向Z方向分次間（A）2.07±1.82（0.01，9.80）3.87±2.67（0.00，9.91）0.72±0.83（0.00，6.40）糾正后（B）0.19±0.19（0.00，1.37）0.23±0.31（0.00，2.50）0.20±0.22（0.00，1.50）分次內（C）0.30±0.28（0.00，1.70）0.27±0.23（0.00，1.50）0.30±0.27（0.00，1.80）t值A-B17.7223.8910.63 A-C16.3322.998.16 B-C-7.46-2.20-6.88 P值A-B＜0.001＜0.001＜0.001 A-C＜0.001＜0.001＜0.001 B-C＜0.0010.030＜0.001

分次間、糾正后、分次內CBCT 的擺位誤差絕對值的分布趨勢如圖2 所示。分次間的擺位誤差分布在0～9.91 mm 區間，對于X、Y、Z 3 個方向，X、Y 2 個方向每個區間都有，偏差相對較大，Z 方向大部分集中在5 mm以內。糾正后的擺位誤差分布在0～2.50 mm 區間，X 方向偏差＜1 mm 的占比為99%（n=297），≥1 mm且＜1.37 mm 的占比為1%（n=3）；Y 方向偏差＜1 mm 的占比為97%（n=291），≥1 mm 且＜2.50 mm 的占比為3%（n=9）；Z 方向偏差＜1 mm 的占比為98.33%（n=295），≥1 mm 且＜1.50 mm 的占比是1.67%（n=5）。分次內的擺位誤差分布在0～1.80 mm 區間，X 方向偏差＜1 mm 的占比為96.33%（n=289），≥1 mm 的占比為3.67%（n=11）；Y 方向偏差＜1 mm 的占比為98.67%（n=296），≥1 mm 且＜2 mm 的占比為1.33%（n=4）；Z 方向偏差＜1 mm 的占比為97%（n=291），≥1 mm且＜2 mm 的占比為3%（n=9）。糾正后的擺位誤差97%以上在1 mm 以內，分次間的擺位誤差96.33%以上在1 mm 以內。說明糾正后及分次內偏差很小，可以縮小CTV-PTV 外放邊界。

圖2 分次間、糾正后、分次內CBCT擺位誤差絕對值的分布趨勢

如表2 所示，分次間、糾正后、分次內CBCT 的擺位誤差X、Y、Z方向CTV-PTV外放距離分別為3.85、0.29、0.42 mm，4.58、0.54、0.43 mm 和2.10、0.37、0.49 mm。分次間（校正前）、糾正后（校正后）、分次內（包括器官蠕動）總的CTV-PTV 外放距離分別為6.36、0.72、0.77 mm。依據Halcyon 加速器每天CBCT 掃描校正的特點得出Halcyon 加速器治療盆腔腫瘤的CTV-PTV 外放距離為1.06 mm。校正前后可將CTV-PTV 外放邊界從6.36 mm 縮小到1.06 mm，減小靶區的外放距離。

表2 在線校正前后擺位誤差絕對值及CTV-PTV外放距離（mm）

3 討論

隨著放射治療設備的更新換代，患者治療越來越精準。如何提高腫瘤擺位精度，減少正常組織受照體積和累積劑量，開展個體化的自適應放射治療是目前的研究熱點[14-16]。腫瘤靶區退縮與受照后的熱效應、呼吸運動、膀胱和直腸等的充盈及蠕動，必然造成腫瘤靶區與危及器官的不規則形變，不僅會降低治療的精準性，還對靶區外放邊界增加了不確定性。近年來，由于圖像引導技術的飛速發展，很大程度糾正了分次間的擺位誤差，使得CTV-PTV 的外放邊界減小[17-19]。俞雅等[20]應用CBCT圖像引導，分析盆腔腫瘤患者IMRT 中擺位誤差精度，為盆腔腫瘤PTV 外放范圍提供參考依據。明學中等[21]研究了在CBCT 圖像引導條件下基于Halcyon 加速器“藍光引導”擺位功能結合一體化聯合膜在食管腫瘤臨床放療中的準確性。而對于分次內的擺位誤差研究也很多[22-24]，尤其是在SBRT 治療方面，由于SBRT 是單次大劑量高精準治療，因此要求每天掃CBCT 進行圖像配準糾偏。Levin-Epstein 等[25]回顧性分析了2012—2017 年205 例在美國瓦里安的TrueBeam 或NovalisTx 加速器上行前列腺癌患者SBRT 治療分次間靶區外放邊界值（9.9、15.2和14.5 cm）以及分次內靶區外放邊界值（1.9、2.7 和3.1mm），結果發現僅2.0%和5.4%患者在頭腳和腹背方向偏差大于3 mm。對于同一廠家的加速器，Halcyon作為全新一代的環形加速器，機械精度更高，圖像質量更好，圖像配準偏差更小，使得擺位誤差降到了最低，分次內靶區外放邊界值為X 方向0.42 mm，Y 方向0.43 mm，Z 方向0.49 mm。該外放邊界值遠遠小于文獻中的數據，說明Halcyon 加速器可為患者帶來更加精準的治療。

CBCT 圖像引導可得出患者治療時的擺位誤差并給予校正，而Halcyon 加速器是全患者全療程強行每天進行CBCT 掃描并進行在線校正，大大提高了擺位精度。本文分析了入組盆腔患者在Halcyon 加速器治療時分次間、糾正后、分次內的擺位誤差。從數據可以看出，分次間的擺位誤差最大，這主要是由機器設備的精確度，物理師質控水平以及技術員擺位水平，患者器官位移、體型改變、擺位標記不清造成的。但是采用Halcyon 加速器治療的患者是每天掃CBCT 并進行糾正，通過糾正后的數據可以看出，糾正后擺位誤差很小，此時的偏差主要是由于機器的機械精度以及殘余誤差造成的。分次內的擺位誤差大于糾正后的偏差，這主要是由于患者治療過程中的器官運動、呼吸運動以及體位不自主移動造成的。從X、Y、Z 3 個方向來看，分次間Y 方向偏差最大，平均值為3.87 mm，這是由于Halcyon 激光燈在環形壁上，技術員在擺位過程中容易忽視垂直激光燈擺位造成的，但是在Halcyon 進行圖像引導下，糾正后Y方向偏差的平均值可以降到0.23 mm，并未造成患者Y方向偏差過大。從分次間、糾正后、分次內的擺位誤差分布趨勢可以看出，雖然一開始由于技術員的擺位水平以及患者體位的變化會使擺位存在一定誤差，但糾正后3 個方向97%以上的偏差在1 mm 以內。分次內3 個方向96.33%以上的偏差在1 mm 以內，說明Halcyon 加速器在治療盆腔腫瘤時擺位誤差在1 mm 左右是非常安全的。Halcyon 是否可根據人體解剖結構實現無標記擺位，也許是將來研究的熱點。

由于受技術員擺位水平、患者體型變化等諸多因素的影響，擺位誤差只能降低不能消除，為此每家放療單位可以根據本單位加速器的擺位誤差，計算出CTVPTV 外放規則。隨著CBCT、四維超聲影像、磁共振引導技術的不斷發展，患者CTV-PTV 外放邊界的研究很多[26-28]。Badloe 等[29]研究表明，單一腦轉移瘤立體定向放射治療的PTV 從2 mm 到0 mm 邊界外放與患者假性進展的發生率不存在顯著關聯性，并且減少PTV 邊界外放對患者來說是安全的。徐浩然等[30]研究分析了142 例肺癌患者常規分割模式下，采用Halcyon 加速器治療靶區邊界外放情況，研究僅統計了分次間的擺位誤差，忽略了Halcyon 是每天行CBCT 圖像引導并進行擺位誤差糾正。Halcyon 加速器每次治療強行圖像引導模式與常規加速器少分次的圖像引導治療模式在靶區外放PTV 上必然存在本質區別。本文統計分析了分次間、糾正后及分次內的擺位誤差，從數據中可以看出，僅從擺位誤差角度來看，基于Halcyon 治療盆腔腫瘤，CTVPTV 外放邊界從6.36 mm 縮小到1.06 mm，即CTV-PTV外放邊界為1.1 mm。如果前3 次擺位誤差超過1.1 mm，醫生按最大值重新外放PTV，物理師重新做計劃，實現離線自適應放射治療，對絕大多數患者來說可大大減少正常組織的照射體積和累積劑量。

4 結論

綜上所述，基于Halcyon 加速器百分百圖像引導模式下的盆腔腫瘤治療，根據糾正后和分次內的擺位誤差計算CTV-PTV 外放邊界為1.1 mm。通過全新一代Halcyon 加速器每次治療前強行CBCT 在線掃描與配準及必要的位置糾正，可降低盆腔患者擺位誤差，提高患者靶區和危及器官的安全精度，縮小CTV-PTV 外放邊界值，從而減少正常組織的累及體積。此研究為回顧性分析，至于減少靶區外放邊界的臨床療效及副作用仍需在前瞻性的臨床研究中加以驗證。