MVCT引導下螺旋斷層調(diào)強放射治療擺位誤差及靶區(qū)邊界外放分析

李洪明 于 浪 孫顯松 王欣海 胡 克 張福泉 邱 杰*

MVCT引導下螺旋斷層調(diào)強放射治療擺位誤差及靶區(qū)邊界外放分析

李洪明①于 浪①孫顯松①王欣海①胡 克①張福泉①邱 杰①*

目的：對高能X射線計算機體層攝影(MVCT)引導下采用螺旋斷層調(diào)強放射治療技術(shù)(Tomotherapy)治療的患者進行擺位誤差分析，探討科室整體擺位水平，并為靶區(qū)安全邊界外放(Margin)提供依據(jù)。方法：對采用TomoTherapy進行調(diào)強放射治療的192例患者，每次治療前行MVCT掃描，將其圖像與計劃CT圖像進行配比，記錄進出(LNG)、左右(LAT)、升降(VRT)和旋轉(zhuǎn)(ROLL)四維方向的誤差，并按部位分組(頭頸、胸腹和盆腔3個部位)，計算單個患者整個療程誤差分布規(guī)律及全部患者的系統(tǒng)誤差(Σ)和隨機誤差(σ)大小，利用Margin公式(M=2.5Σ＋0.7(σ)得出各部位不同方向的Margin值。結(jié)果：192例患者共獲得4416幅MVCT圖像，得出各部位在LNG、LAT、VRT 和ROLL方向的擺位誤差分別為：頭頸部(1.94±1.78)mm、(0.94±0.81)mm、(1.07±0.98)mm和(0.75±0.89)°；胸腹部(3.72±2.92)mm、(2.12±1.96)mm、(2.04±1.65)mm和(0.47±0.71)°；盆腔(3.68±2.52)mm、(1.36±1.20)mm、(1.83±1.41)mm和(0.47±0.51)°，整體擺位誤差為：(3.172.96)mm、(1.401.42)mm、(1.581.40)mm和(0.580.74)°，各部位在LNG、LAT和VRT方向的Margin分別為：頭頸部5 mm、2 mm和2 mm；胸腹部8 mm、7 mm和5 mm；盆腔6 mm、4 mm和3 mm。結(jié)論：通過對MVCT引導下采用螺旋斷層調(diào)強放射治療患者的擺位誤差數(shù)據(jù)分析，了解科室整體擺位水平，為各部位的Margin外放提供可靠依據(jù)，臨床療效及副反應尚待進一步研究。

擺位誤差；邊界外放；螺旋斷層放射治療；影像引導放射治療；醫(yī)院直線加速器

調(diào)強放射治療(intensity-modulated radiotherapy，IMRT)技術(shù)已廣泛應用于放射治療中，而影像引導放射治療(image-guided radiotherapy，IGRT)技術(shù)在治療過程中確定腫瘤位置及分次間的變化至關(guān)重要，使精確放射治療成為可能[1]。螺旋斷層調(diào)強放射治療技術(shù)(TomoTherapy)將二者相結(jié)合，每次治療前獲取患者高能X射線計算機體層攝影(megavoltage computed tomography，MVCT)圖像用于修正擺位誤差，通過二進制多葉準直器調(diào)制的旋轉(zhuǎn)扇形束流配合床的運動實現(xiàn)更加精準的劑量分布[2-5]。然而，由于分次內(nèi)器官運動以及擺位誤差等因素的存在，為了確保治療過程中不脫靶，通常要在臨床靶區(qū)(clinical target volume，CTV)的基礎(chǔ)上外放一定的邊界(Margin)，稱計劃靶區(qū)(planning target volume，PTV)[6]。每個放射治療單位都需根據(jù)各自所開展的技術(shù)及治療師擺位水平等情況選取合適的Margin值。本研究通過對現(xiàn)有擺位數(shù)據(jù)進行分析，探討科室整體擺位誤差水平及各部位的Margin值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)院放療科2014年1-12月應用TomoTherapy加速器治療的192例患者，其中男性89例，女性103例；中位年齡為52(21～78)歲；頭頸部腫瘤60例、胸腹部57例、盆腔75例。本研究已獲醫(yī)院倫理委員會批準，所有患者均自愿參與數(shù)據(jù)的采集，并簽署知情同意書。

1.2 納入與排除標準

(1)納入標準：①患者自主能力較強，能夠較好的遵循醫(yī)囑；②針對需要充盈膀胱和(或)排空直腸的患者能夠認真執(zhí)行；③治療體位非強迫體位，在治療過程中能夠控制減少體位改變。

(2)排除標準：自主能力較差，不能充分配合的患者或因其他原因?qū)е轮袛嘀委熣呔枰耘懦?/p>

1.3 儀器與材料

采用Brilliance CT Big Bore型CT模擬機(Philips，荷蘭)；R102型U型頭膜(廣州)；R460S型頭頸肩定位膜(廣州)；F621R型低溫熱塑定位膜(廣州)；Eclipse 9.2 CT定位圖像通過網(wǎng)絡傳送到計劃系統(tǒng)(Varian，美國)；TomoTherapy 4.2.3計劃系統(tǒng)(Accuray，美國)。

1.4 治療方法

(1)所有患者均采用CT模擬機定位掃描，頭頸部患者使用R102 U型頭膜或R460S頭頸肩定位膜固定，掃描層厚3 mm；胸腹部及盆腔患者均采用F621R低溫熱塑定位膜固定，掃描層厚5 mm，根據(jù)病變部位及病情決定是否進行增強掃描。將獲取的KV級CT定位圖像通過網(wǎng)絡傳送到Eclipse 9.2計劃系統(tǒng)中，醫(yī)生參考患者的正電子發(fā)射計算機斷層顯像(positron emission tomography，PET)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)等影像材料勾畫CTV及危及器官(organ at risk，OAR)，靶區(qū)勾畫后由上級醫(yī)生完成審核，然后傳送到TomoTherapy 4.2.3計劃系統(tǒng)中進行計劃設(shè)計，最后在TomoTherapy加速器(Hi-art)進行治療。

(2)所有患者均采用TomoTherapy進行治療。每次治療前均行MVCT掃描，MVCT成像預置分別為Fine(精細)、Normal(正常)和Coarse(粗略)的3種掃描方式，所對應的層厚分別為2 mm、4 mm和6 mm。頭頸部選擇Normal的掃描條件，其他部位選擇Coarse的掃描條件。

1.5 觀察與評價指標

TomoTherapy圖像匹配有自動匹配和人工配準兩種方式，所獲取的MVCT圖像與定位CT圖像先行進出(LNG)、左右(LAT)、升降(VRT)及旋轉(zhuǎn)(ROLL)四維方向的自動配準，在此基礎(chǔ)上進行人工配準。人工配準首先根據(jù)骨性標記將MVCT圖像在水平、冠狀和矢狀面與定位CT圖像進行匹配，然后根據(jù)二幅圖像序列中靶區(qū)及危及器官的匹配關(guān)系進行微調(diào)，最終按人工配準結(jié)果進行四維誤差修正，記錄最終的人工配準結(jié)果進行本研究數(shù)據(jù)計算，在每位患者初次治療前測量其治療床沉降值，以便于后續(xù)對VRT數(shù)據(jù)進行必要的修正。

1.6 統(tǒng)計學方法

應用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析。計算每例患者整個療程的誤差分布；計算群體的系統(tǒng)誤差Σ和隨機誤差σ，利用經(jīng)驗公式Margin=2.5Σ+0.7σ[7]計算各方向的Margin值。

2 結(jié)果

2.1 擺位誤差分析

誤差分析結(jié)果表明，胸腹部腫瘤患者在LNG、VRT和LAT三個方向上的誤差均較大，但與盆腔腫瘤患者相比，在LNG和VRT方向存在差異，但無統(tǒng)計學意義(t＝2.67，t＝2.17；P＞0.05)；而在LAT方向差異顯著，具有統(tǒng)計學意義(t＝2.54，P＜0.05)。對于ROLL方向的誤差分析表明，頭頸部具有較大的ROLL方向誤差，同另外兩組相比差異顯著，具有統(tǒng)計學意義(t＝2.63，P＜0.05)。LNG、LAT、VRT和ROLL四維方向的擺位誤差見表1；各部位系統(tǒng)擺位誤差對比如圖1所示。

表1 腫瘤患者四維方向各部位擺位誤差(±s，mm)

表1 腫瘤患者四維方向各部位擺位誤差(±s，mm)

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圖1 各部位不同方向擺位誤差對比圖

2.2 Margin值分析

根據(jù)Mckenzie等的靶區(qū)邊界外放公式(Margin= 2.5∑+0.7δ)計算，得出不同部位及同一部位不同方向靶區(qū)邊界外放值，其中頭頸部外放邊界相對較小，除LNG方向達到5 mm以外其余方向均＜2 mm。各部位在LNG、LAT及VRT方向的Margin值分別為：頭頸部5 mm、2 mm和2 mm；胸腹部8 mm、7 mm和5 mm；盆腔6 mm、4 mm和3 mm。各部位三個方向上的Margin計算結(jié)果最大≤8 mm，并且較大值均出現(xiàn)在LNG方向(見表2)。

表2 各部位不同方向上的Margin值(mm)

3 討論

TomoTherapy具有獨特的同源雙束設(shè)計，成像時標稱能量為3.5 MV。兆伏級射線增加了康普頓效應和電子對效應，與kV級圖像相比，MVCT影像的對比度分辨率相對較差，但在圖像的均勻性和空間分辨率方面有一樣好的效果[8]。MVCT能夠提供大多數(shù)軟組織輪廓信息，應用MVCT掃描可以直觀的了解患者當次治療前靶區(qū)和危及器官的位置關(guān)系及充盈情況，并進行位置的在線修正，可提高腫瘤治療的準確性，減少患者的不良反應[9]。

在分次治療中，靶區(qū)位置和輪廓可能發(fā)生變化，周圍危及器官的充盈也會有所不同，這些不確定因素直接影響放射治療精度[10-11]。Van Herk[12]的研究表明，系統(tǒng)誤差通常包括CT定位系統(tǒng)的掃描誤差、機械誤差、加速器的機械誤差和激光燈的誤差等，這些誤差在整個療程中是恒定的；隨機誤差通常是患者分次治療中體位重復性的差異，包括治療師的擺位操作和器官運動等造成的差異，這種誤差具有隨機性，雖然隨機誤差不能完全消除，但可以通過努力將其減小[13]。掃描后的MVCT圖像由不同醫(yī)生按照相同的配準原則與定位的CT圖像進行配準，根據(jù)配準結(jié)果調(diào)整治療床進行治療。梁軍等[14]的研究表明，不同醫(yī)生只要按照相同的原則進行圖像配準即可獲得較為一致的配準結(jié)果。

本研究結(jié)果表明，胸腹部在各個方向上Margin相對較大，這可能與該部位的生理結(jié)構(gòu)有關(guān)，胸腹部器官的運動幅度較大，且臟器的充盈狀態(tài)對靶區(qū)的位置影響較大，老年患者或者肥胖患者胸腹部脂肪層較厚、皮膚松弛等因素，導致擺位誤差過大，進而影響靶區(qū)外放邊界值。而對于盆腔患者，由于分次治療間膀胱和直腸的充盈變化較大，從而導致LNG方向存在較大的擺位誤差，與本研究所得出的進出方向的Margin較大的結(jié)論相符合[15-16]。但是，本研究結(jié)果顯示，LNG方向Margin可控制在8 mm以內(nèi)，可能與本研究規(guī)范患者的膀胱和直腸的充盈狀態(tài)有關(guān)。此外，本研究中Margin的計算尚未考慮旋轉(zhuǎn)誤差所帶來的影響，但對于頭頸部腫瘤該方向誤差相對較大，可能與頭頸肩面罩固定方式有關(guān)，該種固定條件下患者頭面部無定位標識線使其在旋轉(zhuǎn)方向不容易控制。TomoTherapy可通過改變機架起始角度糾正ROLL方向的偏差，但針對無角度修正的其他加速器，需采取一定的措施以減小旋轉(zhuǎn)誤差，例如借助解剖結(jié)構(gòu)(如雙側(cè)外耳孔、雙側(cè)耳廓上下緣等)作為參考來減少頭部旋轉(zhuǎn)。

TomoTherapy在距離機架旋轉(zhuǎn)等中心700 mm處的虛擬等中心進行擺位，治療床由擺位中心前進到治療位置勢必要產(chǎn)生沉降，沉降值嚴重影響擺位誤差分析和Margin計算的結(jié)果。沉降值大小與治療床載重及患者與治療床的相對位置等有關(guān)，因此不同的患者產(chǎn)生的沉降值不同，患者在接受治療前，沉降值由MVCT配準糾正[17]。本研究中在患者首次治療時測量其治療床沉降值，并在擺位誤差和Margin計算中將其扣除，從而獲得正確的擺位誤差和Margin值。

計算靶區(qū)安全邊界外放大小時，Mckenzie等[7]結(jié)合DVH參數(shù)和靶區(qū)覆蓋等討論Margin的外放，指出為使90%以上的CTV的D95不小于處方劑量，CTV到PTV外擴邊界至少應為M=2.5Σ+0.7σ。Stroom等[18]也做了相同的研究，其結(jié)果為M=2Σ+0.7σ，這樣可以使99%的CTV的D95接受到處方劑量，其算出的外放邊界比Mckenzie等的算法稍小。但考慮到脫靶的風險，本研究采用前者的研究結(jié)果進行Margin計算。

4 結(jié)語

TomoTherapy加速器MVCT的應用減小了各部位腫瘤的擺位誤差，為不同部位及不同方向的Margin外放提供了可靠依據(jù)，其在精確放射治療中具有重大意義。各部門應根據(jù)所開展的技術(shù)及治療師的擺位水平等情況計算合適的Margin值，為腫瘤患者的精確治療提供依據(jù)。

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Analysis of positioning errors and margin of target region of intensity modulated helical tomotherapy under guidance of MVCT/LI Hong-ming, YU Lang, SUN Xian-song, et al//China Medical Equipment,2017,14(7):55-58.

Objective: To analyze the position error of patient

intensity modulated helical tomotherapy under guidance of megavoltage computed tomography (MVCT) and discuss the whole position level of department. Besides, to provide references for safe margin of target region. Methods: 192 patients were treated by using intensity modulated helical tomotherapy. They were scanned by MVCT before every therapy was implemented and their scanned results were compared with planning CT. The errors of 4 directions including LNG, LAT, VRT and ROLL were recorded, and these data were divided into three groups (head and neck group, chest and abdomen group and pelvic group) as the different body parts. The error distribution law of whole treatment for every patient, the system error (Σ) and random error (σ) for all of patients were calculated. And then the Margin value of different direction of various body parts was obtained by using Margin formula (M=2.5Σ +0.7(σ)). Results: 4416 images were obtained from 192 patients, and the position error of different body parts on 4 directions (LNG, LAT, VRT and ROLL) were: head and neck(1.94±1.78 mm, 0.94±0.81 mm, 1.07±0.98 mm and 0.75±0.89 mm), chest and abdomen (3.72±2.92 mm, 2.12±1.96 mm, 2.04±1.65 mm and 0.47±0.71 mm ), and pelvis (3.68±2.52 mm, 1.36±1.20 mm, 1.83±1.41 mm and 0.47±0.51mm), respectively. The whole position errors were 3.172.96 mm, 1.401.42 mm, 1.581.40 mm and 0.580.74 mm. The Margin values of different body parts on LNG, LAT and VRT were: head and neck (5 mm, 2 mm and 2 mm), chest and abdomen (8 mm, 7 mm and 5 mm) and pelvis (6 mm, 4 mm and 3 mm), respectively. Conclusion: Through the data analysis about position errors of patients treated by using intensity modulated helical tomotherapy under the guidance of MVCT, the whole position situation of department is grasped and these relative data provide reliable reference for Margin of different body parts. And its clinical effects and adverse reaction need more research in next stage.

Position errors; Margin; Tomotherapy; IGRT; Medical linear accelerator

Department of Radiotherapy, Peking Union Medical College Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences &Peking Union Medical College, Beijing 100730,China.

李洪明,男,(1989- ),本科學歷，技師。中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)院放療科，從事放射治療師工作。

2017-03-11

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.07.014

1672-8270(2017)07-0055-04

R814.42

A

①中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)院放療科 北京 100730

*通訊作者：13501015586@139.com