基于紅外定位系統(tǒng)的放療擺位偏差預(yù)警系統(tǒng)對(duì)頭頸肩膜形變的分析與研究

黃新陽(yáng)，周俊東，吳傳鋒，褚耀華，胡睿，葛云

1.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210046；2.蘇州市立醫(yī)院，江蘇蘇州215000

前言

放射治療是惡性腫瘤最重要的治療療法之一，它具有提高腫瘤局部控制率和生存率、減少健康組織和器官損傷等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，臨床效果顯著。擺位精度與放療療效密切相關(guān)［3-5］。影響腫瘤放療擺位精度的因素眾多［6-7］，其中熱塑膜的變形程度就與其密切相關(guān)。膜的變形必然會(huì)影響擺位精度，特別會(huì)降低激光燈擺位精度，對(duì)錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描（Cone Beam Computer Tomography,CBCT）的擺位配準(zhǔn)也有很大影響［8］。造成膜變形的原因有很多，主要有臨床實(shí)際操作中因人體體姿錯(cuò)誤導(dǎo)致的扣膜時(shí)膜的變形，同時(shí)也包括治療過(guò)程中人體體型的變化或組織移動(dòng)、呼吸牽動(dòng)等［9-11］。

膜變形程度容易被忽視，主要原因?yàn)槟さ淖冃味纫恢币詠?lái)通過(guò)人工觀察，無(wú)法進(jìn)行量化計(jì)算表達(dá)。本文基于放療紅外定位系統(tǒng)（Optical Positioning System, OPS）創(chuàng)新研發(fā)了一款放療擺位偏差預(yù)警系統(tǒng)［12］，通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)臨床放療擺位時(shí)產(chǎn)生的頭頸肩膜變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究頭頸肩膜變形度的偏差情況及穩(wěn)定性。選擇頭頸肩膜進(jìn)行研究的主要原因?yàn)榕R床專家通常認(rèn)為頭頸肩膜的變形微乎其微，而實(shí)際情況卻仍然存在不少問(wèn)題。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究隨機(jī)選取頭頸部癌癥治療患者23 例，其中男性14 例，女性9 例，年齡37～87 歲，平均年齡（67±12.4）歲。所有患者均采用熱塑膜對(duì)頭頸部進(jìn)行固定。

1.2 基于光學(xué)定位系統(tǒng)的擺位數(shù)據(jù)采集

1.2.1 系統(tǒng)原理 OPS 通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者體表定位標(biāo)志球的位置間接實(shí)時(shí)計(jì)算病灶中心坐標(biāo)，并將其與注冊(cè)的加速器等中心對(duì)齊［13-14］。CT 圖像坐標(biāo)系與紅外監(jiān)控坐標(biāo)系之間的關(guān)系可通過(guò)6 自由度剛體轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行描述，如下所示：

其中，xct、yct、zct為CT 坐標(biāo)，x、y、z則為紅外坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換矩陣T由6個(gè)自由度變量確定，其中，φ、θ、ω分別是左右（LR）軸，下上（IS）軸和前后（AP）軸的旋轉(zhuǎn)角度，Tx、Ty、Tz則為L(zhǎng)R、IS及AP方向上的平移距離。

由此該系統(tǒng)可采集到詳細(xì)的治療信息，主要的信息和轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同坐標(biāo)系下的信息及轉(zhuǎn)換關(guān)系圖Figure 1 Information and conversion diagrams in different coordinate systems

治療信息主要包括紅外監(jiān)控坐標(biāo)系下的注冊(cè)等中心Iops，通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣T轉(zhuǎn)換成CT 坐標(biāo)系下的實(shí)際治療中心Ict，以及腫瘤中心Itumor與Ict的偏差（擺位偏差）?B。實(shí)際應(yīng)用中，通常在患者體表熱塑膜上固定6 個(gè)紅外定位球，因參與計(jì)算的定位球數(shù)目不一，故記錄下實(shí)際定位球數(shù)目Nm、膜球變形度Dmb（實(shí)際定位球Pm1',…,Pm6'與CT 定位球Pct1,…,Pct6的偏差距離）等。

1.2.2 患者擺位數(shù)據(jù)采集過(guò)程 基于OPS引導(dǎo)的頭頸部癌癥患者擺位數(shù)據(jù)采集流程如圖2a 所示。先用頭頸肩熱塑膜固定患者，再在膜上標(biāo)記十字線同時(shí)固定6 個(gè)紅外定位球（圖2b）。使用OPS 在放療擺位期間實(shí)時(shí)跟蹤紅外定位球，通過(guò)上述的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，從而記錄下患者擺位時(shí)產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)。

圖2 OPS擺位數(shù)據(jù)采集及定位球粘貼Figure 2 OPS positioning data collection and positioning ball sticking

1.3 放療擺位偏差預(yù)警系統(tǒng)

搭載OPS 的放療擺位偏差預(yù)警系統(tǒng)采用C/S 設(shè)計(jì)模式研發(fā)，通過(guò)對(duì)OPS 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)放療中存在的各種問(wèn)題，量化分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，實(shí)時(shí)或及時(shí)地提醒和糾正錯(cuò)誤。系統(tǒng)使用過(guò)程如圖3 所示，首先啟動(dòng)該系統(tǒng)，此時(shí)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中是否存在患者放療數(shù)據(jù)，若不存在則使用OPS 對(duì)患者進(jìn)行擺位并采集數(shù)據(jù)；若已存在，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析，找出可能存在的注冊(cè)誤差、體膜變形等問(wèn)題。

圖3 放療擺位偏差預(yù)警系統(tǒng)Figure 3 Early warning system for setup errors in radiotherapy

1.4 評(píng)價(jià)方法

患者放療療程中可能存在各種原因?qū)е碌哪ぷ冃?，定位?biāo)記的位置也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生變化。文章對(duì)每個(gè)患者的每次擺位數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)頭頸部的膜球變形度小于1.0 mm 時(shí)，則認(rèn)為刻膜誤差在正常范圍內(nèi)，不影響此次擺位。進(jìn)一步計(jì)算正常范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)占比以及非正常范圍（2.0～6.0 mm）內(nèi)的占比從而判斷其穩(wěn)定性。

2 結(jié)果

本文統(tǒng)計(jì)了23 位患者多次放療的頭頸部擺位數(shù)據(jù)。表1 顯示了6 個(gè)紅外定位球膜球變形度的偏差，總體偏差值在1.0 mm 左右。圖4 表示各定位球膜球變形的分布情況，其中黑色實(shí)線代表中位線，藍(lán)框上下分別為上下四分位線，紅色虛線表示1.0 mm 的值。各定位球膜球變形度≤1 mm 的數(shù)據(jù)占比：1 號(hào)定位球70.3%、2 號(hào)球62.0%、3 號(hào)球57.4%、4 號(hào)球61.8%、5 號(hào)球70.5%、6號(hào)球65.5%。

表1 23例頭頸部癌癥患者不同定位球膜球變形度的偏差分析（mm）Table 1 Analysis of the membrane ball deformations of different positioning balls in 23 patients with head and neck cancer(mm)

圖4 各定位球膜球變形度箱圖Figure 4 Box diagram of membrane ball deformation of each positioning ball

對(duì)于頭頸部癌癥，膜球變形度整體數(shù)據(jù)分布較為集中，離群值較少。進(jìn)一步計(jì)算差異為1.0 mm 以上的數(shù)據(jù)占比從而判斷數(shù)據(jù)的分布區(qū)間及其穩(wěn)定性。如圖5 所示，各個(gè)定位球膜球變形度在1～2 mm、2～3 mm、3～4 mm、4～5 mm、5～6 mm 以及>6 mm 區(qū)間的數(shù)據(jù)占比分別為：1 號(hào)球27.4%、1.8%、0.5%、0.0%、0.0%、0.0%；2 號(hào)球34.7%、1.8%、1.1%、0.2%、0.2%、0.0%；3 號(hào)球37.9%、3.1%、1.1%、0.3%、0.0%、0.2%；4號(hào)球30.2%、5.0%、2.1%、0.4%、0.3%、0.2%；5 號(hào)球25.8%、2.2%、0.3%、0.5%、0.2%、0.5%；6 號(hào)球25.8%、6.2%、1.3%、0.0%、0.5%、0.7%。

圖5 各定位球膜球變形度不同范圍內(nèi)占比Figure 5 Proportion of the membrane ball deformation of each positioning ball in different ranges

3 結(jié)論

隨著放射治療技術(shù)的不斷發(fā)展，治療精度雖然得到了不斷提高，但較小的擺位誤差都會(huì)導(dǎo)致靶區(qū)或危及器官劑量較大的改變，因此擺位技術(shù)仍是放射治療執(zhí)行端的重中之重［15-16］。本文基于OPS 放療擺位偏差預(yù)警系統(tǒng)對(duì)頭頸部癌癥患者的膜球變形度數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，結(jié)果表明：頭頸部使用熱塑膜固定時(shí)，膜球變形度只有64.6%處于正常范圍內(nèi)，相對(duì)較為穩(wěn)定。仍有30%以上處于正常范圍之外，頭頸肩膜的變形較大，肯定會(huì)影響擺位精度。

針對(duì)膜球形變程度較大的情況，筆者給出兩種建議：第一，當(dāng)膜球變形度偏差總體比較大，臨床專家判斷是患者體型發(fā)生了明顯變化（和CT 計(jì)劃時(shí)比較明顯變廋）時(shí)，應(yīng)當(dāng)重新制膜、掃描CT、重做治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System,TPS）計(jì)劃。若考慮到資源時(shí)間等因素，可先進(jìn)行在線校正，結(jié)果不理想再選擇重新制膜。第二，當(dāng)部分膜球變形度偏大，臨床專家判斷是患者當(dāng)前體姿狀態(tài)與CT 計(jì)劃狀態(tài)有較大偏差時(shí)，可以引導(dǎo)病人微調(diào)體姿，或重新扣膜。

熱塑膜固定是目前頭頸部放射治療中較常用的體位固定技術(shù)［17-18］，由于其操作方便，在治療過(guò)程中可提高工作效率。然而熱塑膜變形會(huì)導(dǎo)致患者無(wú)法重復(fù)定位或因熱塑膜相對(duì)變松導(dǎo)致的擺位誤差增大等問(wèn)題著實(shí)影響著放療的精確度。本文提出的預(yù)警系統(tǒng)所依賴的OPS 系統(tǒng)作為一種無(wú)輻射低成本的擺位方法，不僅具有較高的定位精確程度［19-20］，而且可以通過(guò)將實(shí)時(shí)采集到的膜球變形度等擺位數(shù)據(jù)傳給預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而快速計(jì)算膜的形變程度供醫(yī)生參考，在臨床上具有重要價(jià)值。