数字模拟机对适形调强放射治疗患者进行射野核对的应用

武月梅 曲衍涛 张希梅 王伟

300060天津医科大学肿瘤医院放疗科，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市“肿瘤防治”重点实验室，天津市恶性肿瘤临床医学研究中心

数字模拟机对适形调强放射治疗患者进行射野核对的应用

武月梅 曲衍涛 张希梅 王伟

300060天津医科大学肿瘤医院放疗科，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市“肿瘤防治”重点实验室，天津市恶性肿瘤临床医学研究中心

目的 应用数字模拟定位机核对适形调强放射治疗计划，验证需要治疗的区域是否与靶区吻合。方法 收集头颈部、胸部、腹部肿瘤患者各30例，分别进行射野核对。将治疗计划系统（TPS）重建的0°和90°的数字重建图像（DRR）传至数字模拟机，移床从定位时的参考点移动到治疗时的等中心点，分别采集0°和90°的X射线影像；调用数字模拟机2D/2D matching程序，调整感兴趣区域（ROI），设定10 cm×10 cm的射野区域为ROI，将0°DRR图与0°X射线影像、90°DRR图与90°X射线影像分别进行自动或手动分析匹配，查看ROI内的两组图像的骨性结构是否吻合，最后得出两组图像匹配后的误差。结果 分析头颈部、胸部、腹部各30例肿瘤患者进行射野核对后的误差以及校正后的误差，头颈部肿瘤在X、Y、Z方向误差均≤3 mm，胸腹部肿瘤在X、Y、Z方向误差均≤5 mm。结论 数字模拟机能够通过DRR图与X射线影像分析匹配的方式对适形调强放射治疗的计划进行核对，验证治疗区域，从而保证治疗的准确性，满足了临床需要。

适形调强放射治疗； 数字模拟机； 射野核对； 误差

0 引 言

适形调强放射治疗（简称调强放疗）作为现代放射治疗技术，已进入“精确定位、精确计划、精确治疗”的“三精”时代，对照射野的准确性要求更高。调强放疗的靶区形状和剂量分布与靶区高度适形，具有较大的优势。调强放疗的这种剂量学特点,对其治疗计划的射野验证提出了更高的要求。位置的较大偏差有可能使靶区漏照而降低肿瘤局部控制率，同时使正常组织受到不必要的照射，结果可能导致严重放射损伤。因此在适形调强放射治疗中，对治疗过程中的位置验证是其质量保证（quality assurance，QA）和质量控制（quality control，QC）中非常重要的一个环节[1]。数字模拟定位机能够精确给出射野方向观视的优质X线影像，从而保证了放射治疗实施的精确性。天津医科大学肿瘤医院放疗科自2014年4月起使用数字模拟定位机对适形调强放射治疗计划进行射野核对验证，笔者将对其位置配准的应用步骤和结果探讨如下。

1 资料与方法

1.1 临床资料

收集2015年1月至2015年8月在天津医科大学肿瘤医院就诊的患者共90例，其中头颈部肿瘤、胸部肿瘤及腹盆部肿瘤患者各30例，全组男性58例，女性32例。头颈部肿瘤30例患者中，男性24例，女性6例，年龄为3～84岁，平均年龄（61.5± 8.3）岁，其中鼻咽癌12例，喉癌6例，下咽癌4例，淋巴瘤3例，其他肿瘤5例。胸部肿瘤30例患者中，男性22例，女性8例，年龄为5～86岁，平均年龄（60.4±8.5）岁，其中肺癌22例，食管癌5例，淋巴瘤2例，其他肿瘤1例。腹盆部肿瘤30例患者中，男性12例，女性18例，年龄为3～86岁，平均年龄（58.6±8.1）岁，其中宫颈癌15例，骨转移5例，结直肠癌5例，淋巴瘤3例，其他肿瘤2例。纳入标准：①所有患者均采用三维适形放疗或调强放疗技术。②所有患者一般状况尚可，定位时均可配合移动体位。所有参加研究者均签写知情同意书。1.2 方法

1.2.1 主要材料与仪器

固定装置主要包括不同型号的头枕、乳腺托架（美国CIVCO公司），U型面网、头颈肩热塑成型网、胸腹热塑成型网（美国MEDTEC公司），负压真空气垫（法国莱皮诺瓦公司）。Acuity数字模拟定位机、CLINIC IX电子直线加速器（美国VARIAN公司），Pinnacle 9.8三维治疗计划系统（treatment planning system，TPS）（荷兰PHILIPS公司）。

1.2.2 摆位固定

在拍摄验证片前需与患者进行语言交流和沟通，使其心理放松，消除紧张情绪从而积极配合；然后严格按照模拟定位时的医嘱进行摆位，使其达到舒适性、固定性和重复性都较好的状态。使激光灯与患者身上标记的3个“十”字参考点（reference point）重合，扣上固定装置后再次确定激光灯与参考点重合；根据治疗计划单提供的移床参数，移动模拟定位床，从参考点移动到治疗时的等中心点（isocenter point）。要求调节好模拟定位机和加速器等中心、激光及各项参数。固定器材、患者体位及所穿衣服的厚薄在模拟定位机、CT模拟机及电子直线加速器下均相同。

1.2.3 射野核对

所有患者进行适形调强放疗前均采用层厚3/5 mm的（平扫/增强）螺旋CT进行模拟定位。定位后进行靶区勾画及放疗治疗计划设计，计划设计完成后由物理师将TPS重建的0°和90°的数字重建图像（digital reconstructed radiography,DRR）图传至数字模拟机，可通过其电动定位系统被移动到所需的等中心处，并利用数字模拟机成像系统采集实时影像，分别采集0°和90°的X射线影像；调用数字模拟机2D/2D matching程序，调整感兴趣区域（region of interest,ROI），将0°DRR图与0°X射线影像、90°DRR图与90°X射线影像分别进行自动或手动分析匹配。医生和技师共同参与选择几个清晰且直观的骨性标志与模拟定位片通过对比来判定其重合性，查看ROI内的两组图像的骨性结构是否吻合，同时查看不同机架角度的射野源皮距（source skin distance,SSD）是否与治疗计划单给出的SSD一致；记录其在X、Y、Z轴方向上的移位情况和旋转移位。坐标轴系统采用国际辐射单位及测量委员会（ICRU）62号报告中的坐标系定义，即X轴表示左右方向、Y轴表示头脚方向、Z轴表示前后方向。向后、右、上方向移位为正值，向前、左、下方向移位为负值。最终得出两组图像匹配后的误差。比较误差是否在允许误差（头颈部肿瘤患者误差应≤3 mm，胸腹部肿瘤患者误差应≤5 mm）[2]范围内。

2 结果

利用数字模拟机成像系统采集实时影像，分别采集0°和90°的X射线质量清晰的影像图像。将0° DRR图与0°X射线影像、90°DRR图与90°X射线影像分别进行自动或手动分析匹配。利用数字模拟机2D/2D matching程序分析对比，显示经TPS重建的DRR图骨性标志与模拟定位片重合性高，ROI内的两组图像的骨性结构吻合清晰。不同机架角度的射野SSD与治疗计划单给出的SSD一致。

（一）鼻咽癌患者1例，男，72岁，将10 cm× 10 cm的射野区域设为ROI，0°DRR图与0°X射线影像匹配，90°DRR图与90°X射线影像匹配，主要观察两幅重叠影像的骨型标志是否吻合，如0°时下颌骨、硬腭、鼻中隔、眼眶、乳突等；90°时下颌骨、硬腭、颅底线、颈椎、舌骨等。进行自动或手动分析匹配后的各个方向的误差如图1左下角蓝框所示，患者Lat方向即X（左右）方向为0.08 cm；Lng方向即Y（头脚）方向为-0.11 cm；Vrt方向即Z（前后）方向为-0.04 cm；Rtn即旋转角度为0.09°。因患者身体旋转而造成的剂量改变很小可以忽略[3-4]。（图1）

（二）肺癌患者1例，男，61岁，匹配方法同上，参考的骨性标志如0°时胸椎、椎体棘突、肋骨、锁骨等；90°时胸椎、椎体前缘、椎间隙、胸骨等。进行自动或手动分析匹配后的各个方向的误差如图2左下角蓝框所示，患者Lat方向即X（左右）方向为-0.04 cm；Lng方向即Y（头脚）方向为-0.03 cm；Vrt方向即Z（前后）方向为0.24 cm；Rtn即旋转角度为-0.75°。（图2）

（三）宫颈癌患者1例，女，54岁，匹配方法同上，参考的骨性标志如0°时骶骨、髂骨、耻骨联合、坐骨结节、股骨头等；90°时腰椎、骶骨、耻骨联合、股骨头等。进行自动或手动分析匹配后的各个方向的误差如图3左下角蓝框所示，患者Lat方向即X（左右）方向为-0.17 cm；Lng方向即Y（头脚）方向为-0.09 cm；Vrt方向即Z（前后）方向为0.13 cm；Rtn即旋转角度为-0.06°。（图3）

全组90例患者，其中头颈部肿瘤、胸部肿瘤、腹盆部肿瘤患者各30例，根据医生要求的配准误差（头颈部肿瘤患者误差应≤3 mm，胸腹部肿瘤患者误差应≤5 mm），经手动或自动分析匹配后，头颈部、胸部、腹部肿瘤患者射野核对合格率分别为100%、97%、90%。经过与医生的分析讨论，对射野核对没有在允许误差范围内的胸腹部肿瘤患者进行重新摆位或移动床微调等中心，经校正后合格率均达到100%。（表1）

3 讨论与结论

随着放射治疗技术的不断发展，适形调强放射治疗的应用越来越广泛，因此其体位和照射野的验证就显得尤为重要。其验证方法也很多，通常包括加速器自身配置的电子射野影像系统（electronic portal imaging device，EPID）、CT模拟机（computed tomography simulator,CT-SIM）、加速器治疗野摄片、模拟定位机射野和锥形束CT（cone beam CT,CBCT）等验证方法[5-6]，尤以CBCT最为先进，其可实时获取图像，且通过三维图像配准技术进行位置比对，可实现更加精确的位置验证[7]；但该法价格昂贵且存在扫描时间长、剂量高、热容量高、数据量大等缺点[8]。EPID和加速器摄片验证均需采用兆伏级高能射线获得图像，使患者治疗时要接受额外剂量[9]。CT-SIM只能提供等中心层面的一层图像，且只能分析这一层图像的X、Y、Z 3个方向的误差，不能观察等中心一定范围的体位误差。由于X、Y、Z 3个方向的距离测定是人为设定的，故存在一定的主观性。而数字化模拟定位机在误差测量和验证方面有其独特的优势，其能精确给出射野方向观视（BEV）的优质X线影像，用于治疗计划射野验证，该方法优于电子直线加速器的EPID验证片，也优于CT-SIM或三维TPS的DRR片[10]。有文献报道，数字化模拟定位机所测得的等中心误差在前后、左右、头脚3个方向均优于EPID图像所测误差，且3个方向均有差别[11]。数字化模拟定位机具有如下优势：①可减少在直线加速器上因验证不合格而反复拍片带来的麻烦，也可缩短患者等待治疗的时间。②数字化模拟定位机相对于其强大的功能性价比高，适合广泛使用。③在模拟机室完成肿瘤中心复位，射野验证可极大缓解治疗室的压力。④与兆伏级的EPID相比，两者得到的均为2D图像，但千伏级的X线可使图像分辨力显著提升，其照射野区域结构图像清晰，便于精确分析骨性标志点的移动，而患者接受的单次剂量却小得多。因而利用模拟机能准确分析患者适形调强放射治疗中射野中心的移位，同时减少定位摆位中的误差，是一种有效便捷的位置验证方法，也是质量保证和控制的重要一环。

表1 射野核对校正合格率

数字化模拟机在临床工作中具有重要作用。数字化模拟机成像系统采集实时影像图像质量清晰，可将定位重建DRR图与射线影像进行自动或手动分析匹配，该法方便快捷，可自动分析误差结果；2D/2D matching程序分析对比定位重建DRR图骨性标志与模拟定位片重合性高，ROI的两组图像的骨性结构吻合清晰。本研究通过分析头颈部、胸部、腹部各30例肿瘤患者的临床数据，进行射野核对后的误差及校正后的误差结果均在允许误差范围内：头颈部肿瘤在X、Y、Z方向误差≤3 mm，胸部肿瘤在X、Y、Z方向误差≤5 mm，腹盆部肿瘤在X、Y、Z方向误差≤5 mm。证明数字化模拟机能通过DRR图与X射线影像分析匹配的方式对治疗计划进行核对，准确验证治疗区域，保证了治疗的准确性，可以满足临床需要。

本研究证明数字化模拟定位机在肿瘤适形调强放射治疗中有着重要的作用和独特的优势，为治疗计划射野验证提供了一种非常准确和实用的手段及方法。数字化模拟定位机如结合其他验证技术，优势将更加明显。本研究的数字化模拟机只能提供二维图像，需要获取的图像较多，误差比对也只能在二维图像上进行，这些不足和局限性将随着放射治疗技术的不断发展而得到极大的改善。

利益冲突 无

（图1、2见插页5-10，图3见插页5-8）

[1]殷蔚伯,余子豪,徐国镇,等.肿瘤放射治疗学[M].4版.北京:中国协和医科大学出版社,2007:156-175. Yin WB,Yu ZH,Xu GZ,et al.Radiation oncology[M].4th ed. Beijing:Peking Union Medical College Press,2007:156-175.

[2]胡逸民.肿瘤放射物理学[M].北京:原子能出版社,1999:595-598. Hu YM.Radiation oncology physics[M].Beijing:Atomic Energy Press,1999:595-598.

[3]Remeijer P,Geerlof E,Ploeger L,et al.3-D portal image analysis in clinical practice:an evalution of 2-D and 3-D analysis techniques as appliedto 30 prostate cancer patients[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2000,46(5):1281-1290.DOI:10.1016/S0360-3016(99)00468-X.

[4]Fu WH,Yang Y,Li X,et al.Dosimetric effects of patient rotational setup errors on prostate IMRT treatments[J].Phys Med Biol,2006, 51(20):5321-5331.DOI:10.1088/0031-9155/51/20/016.

[5]Baroni G,Ferrigno G,Orecchia R,et al.Real-time three-dimentional motion analysis for patient positioning verification[J].Radiother Oncol,2000,54(1):21-27.DOI:10.1016/S0167-8140(99)00166-8.

[6]陈英海,杨月琴,邓涛,等.三维适形放射治疗位置与剂量精度的验证[J].中国医学物理学杂志,2004,21(3):135-136.DOI: 10.3969/j.issn.1005-202X.2004.03.004. Chen YH,Yang YQ,Deng T,et al.The verification of the accuracy of location and dose for 3DCRT[J].Chin J Med Phys,2004,21(3): 135-136.DOI:10.3969/j.issn.1005-202X.2004.03.004.

[7] 李兵,罗立民.图像引导放射治疗技术进展[J].江苏医药,2010, 36(1):89-92. LiB,LuoLM.Developmentin image-guided radiotherapy technology[J].Jiangsu Med J,2010,36(1):89-92.

[8]李明辉,张寅,戴建荣,等.千伏级X线透视成像与锥形束CT确定头颈部摆位误差的比较[J].中华放射肿瘤学杂志,2012,21(4): 374-376.DOI:10.3760/cma.j.issn.1004-4221.2012.04.023. Li MH,Zhang Y,Dai JR,et al.Comparing the performance of two methods to determine set-up errors for patients with head-and-neck cancer[J].Chin J Radia Oncol,2012,21(4):374-376.DOI:10.3760/ cma.j.issn.1004-4221.2012.04.023.

[9]陆维,许婷婷,许青,等.应用CBCT、EPID研究鼻咽癌2种体位固定方式摆位误差的比较分析[J].中国癌症杂志,2014,24(7): 535-539.DOI:10.3969/j.issn.1007-3969.2014.07.011. Lu W,Xu TT,Xu Q,et al.Comparison of set-up errors detected by EPID and CBCT using two different immobilization techniques for patients with nasopharygeal carcinoma[J].Chin Oncol,2014,24(7): 535-539.DOI:10.3969/j.issn.1007-3969.2014.07.011.

[10]胡逸民,杨定宇.肿瘤放射治疗技术[M].北京:北京医科大学中国协和医科大学联合出版社,1999:14. Hu YM,Yang DY.Radiation oncology technology[M].Beijing: United Press of Beijing Medical University and Peking Union Medical College,1999:14.

[11]黄焱秋,周春骏,余忠全,等.数字化模拟定位机在肿瘤放疗中的应用[J].实用医学杂志,2015,31(20):3385-3388.DOI:10.3969/ j.issn.1006-5725.2015.20.033. Huang YQ,Zhou CJ,Yu ZQ,et al.The application of digital simulation positioning machine in radiation therapy oncology[J].The J Pract Med,2015,31(20):3385-3388.DOI:10.3969/j.issn.1006-5725.2015.20.033.

Application of digital simulator in radiation field verification of intensity modulated radiation therapy

Wu Yuemei,Qu Yantao,Zhang Ximei,Wang Wei

Department of Radiotherapy,Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital;National Clinical Research Center for Cancer;Tianjin Key Laboratory of Cancer Prevention and Therapy;Tianjin's Clinical Research Center for Cancer,Tianjin 300060,China

Wang Wei,Email:weiwang_2@126.com

Objective To test whether the treatment volume is consistent with the target volume under digital simulator.Methods The patients were divided into head and neck,thoracic,and abdominal cancer groups, with 30 cases in each group,and the radiation fields were verified.The 0°and 90°digital reconstructed radiograph (DRR)images reconstructed by treatment planning system(TPS)was transported to digital simulator.The simulator bed was moved from reference point for positioning to isocenter point for radiotherapy.Then the 0°and 90°X ray images were collected.2D/2D matching program was applied to accommodate the region of interest(ROI).A 10 cm× 10 cm area in the radiotherapy field was set as the ROI,and the 0°and 90°DRR images matched with the corresponding X ray image automatically or manually.The bony structures of ROI in the two corresponding images were verified for consistence,and the correction error between the two images was calculated.Results The error after radiation field verification and correction error were analyzed in each group.The error was less than 3 mm on X, Y and Z axis in head and neck cancer group and less than 5 mm in thoracic and abdominal cancer group, respectively.Conclusions The digital simulator can verify the treatment volume and guarantee the accuracy during radiotherapy,which satisfy the clinical requirements.

Conformal intensity modulated radiation therapy; Digital simulator; Radiation field verification;Error

王伟，Email:weiwang_2@126.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．05．007

2016-06-18）