锥形束CT评价前列腺癌容积调强弧形放射治疗分次间摆位误差及外放边界研究

阎华伟，金献测，杨桂强，张 力，吴志勤，余建义，潘涵慧，林 立，黄包记，谢聪颖



·论著·

全科医生技能发展·

锥形束CT评价前列腺癌容积调强弧形放射治疗分次间摆位误差及外放边界研究

阎华伟，金献测，杨桂强，张 力，吴志勤，余建义，潘涵慧，林 立，黄包记，谢聪颖

目的利用锥形束CT(CBCT)评价前列腺癌容积调强弧形放射治疗(VMAT)分次间摆位误差及其分布情况，为临床靶区(CTV)到计划靶区(PTV)所需的外放边界提供依据。方法选取2014年1—10月在温州医科大学附属第一医院放射治疗中心接受根治性放射治疗的前列腺癌患者40例，均采用VMAT，治疗前1 h嘱患者排空膀胱和直肠，然后喝水500 ml，憋尿充盈膀胱,使治疗时和CT定位时的膀胱和直肠充盈程度尽量一致。所有患者首次摆位后行CBCT扫描，得出校正前摆位误差，在线校正后开始VMAT，2 Gy/次，5次/周，共计39次，照射总剂量为78 Gy。结果每例患者CBCT扫描得出16组误差数据，共计640组误差数据。统计学分析得出前列腺癌VMAT分次间摆位误差为：左右方向(0.14±0.10)cm，头脚方向(0.28±0.13)cm，腹背方向(0.18±0.12)cm；利用公式外放边界=2.5Σ+0.7δ计算出前列腺癌VMAT时CTV到PTV的外放边界为:左右方向0.41 cm，头脚方向0.80 cm，腹背方向0.54 cm。结论CBCT可以在线验证前列腺癌VMAT时分次间的摆位误差，实时校正摆位误差，实现精确放射治疗。

前列腺肿瘤；容积调强弧形放射治疗；锥束计算机体层摄影术

阎华伟，金献测，杨桂强，等.锥形束CT评价前列腺癌容积调强弧形放射治疗分次间摆位误差及外放边界研究[J].中国全科医学，2016，19(21)：2591-2595.[www.chinagp.net]

YAN H W,JIN X C,YANG G Q,et al.Evaluation of intrafraction setup error and margin in VMAT for prostate cancer by cone beam CT [J].Chinese General Practice，2016，19(21)：2591-2595.

近年来，我国前列腺癌发病率呈明显上升趋势，前列腺癌成为严重影响我国老年男性健康的恶性肿瘤，放射治疗是治疗晚期局部前列腺癌的重要手段[1]。如何通过改进放射治疗技术来提高前列腺照射剂量，同时不增加周围器官的并发症是前列腺癌治疗的热点[2]。容积调强弧形放射治疗(volumetric intensity modulated arc therapy，VMAT)作为一种新的调强放射治疗(IMRT)实现方式，由于其在治疗时间与机器跳数(MU)使用效率上的优势，已经在越来越多的治疗中心被用于治疗包括前列腺癌在内的多种肿瘤[3]。高度适形的剂量分布要求更为精确的定位与摆位技术，来确保剂量能准确地照射在肿瘤靶区上。图像引导放射治疗(image guided radiation therapy，IGRT)就是引用各种成像技术设备，在每次治疗前利用成像技术对患者的摆位误差进行验证校准，确保处方剂量的准确传输[4]。锥形束CT(cone-beam computed tomography，CBCT)是图像引导放射治疗的重要组成部分，可以在放射治疗中实时采集图像数据，实现在线和离线误差数据的校正和分析，为靶区的制定提供数据支持[5]。本研究采用Elekta Synergy医用直线加速器来探讨前列腺癌VMAT分次间摆位误差、误差分布和临床靶区(clinical target volume，CTV)到计划靶区(planning target volume，PTV)的外放边界，现报道如下。

1　资料与方法

1.1一般资料选取2014年1—10月在温州医科大学附属第一医院放射治疗中心接受根治性放射治疗的前列腺癌患者40例为研究对象,年龄58～83岁,中位年龄67岁，均采用VMAT。

1.2设备材料放射治疗中心配置瑞典医科达Elekta Synergy医用直线加速器,机载CBCT和HexaPOD六维床，Gray低温热塑网状体罩和头颈肩体碳纤维一体板,荷兰飞利浦大孔径Brilliance 16排螺旋CT，飞利浦Pinnacle 3计划系统(9.2版本)。

1.3CT定位与计划设计患者仰卧位，双手交叉抱头躺在头颈肩体碳纤维一体板上，用热塑体膜固定,激光灯标记定位标记点。采用荷兰飞利浦大孔径Brilliance 16排螺旋CT扫描定位,扫描层厚3 mm,扫描范围为腰 5椎体上缘至坐骨结节下2 cm。定位后将定位图像通过放射治疗中心局域网传到物理室的Pinnacle 3计划系统上。勾画CTV包括前列腺及其包膜、精囊及盆腔淋巴结引流区，同时勾画膀胱、直肠和股骨头等正常器官，计划靶区PTV为CTV左右方向外放0.5 cm，头脚方向外放0.8 cm，腹背方向外放0.6 cm。利用Pinnacle 3计划系统采用逆向优化算法,先设定肿瘤所需要的剂量与正常组织的耐受剂量,再去优化所需要的照射路径与计量分布,由临床医师和物理师完成计划的设计与评估。每例患者均采用正向(181°～180°)单弧旋转调强放射治疗。照射剂量为 78 Gy，2 Gy/次，5次/周，共计39次治疗。把设计好的计划传到Elekta Synergy医用直线加速器的XVI验证系统和MOSAIQ工作站上。

本研究背景和创新点：

前列腺癌是男性常见恶性肿瘤之一，近年来发病率明显升高。大量研究证明，放射治疗是局限性前列腺癌安全有效的治疗方法，通过对肿瘤局部控制率和长期无病生存率等多项重要指标观察发现，放射治疗与手术治疗达到同样的疗效。随着计算机技术的快速发展，放射治疗也逐步实现了精确放射治疗。图像引导放射治疗(IGRT)和容积调强弧形放射治疗(VMAT)是放射治疗最新的研究热点。前列腺位置结构复杂，放射治疗时易受膀胱和直肠充盈情况的影响，基于此温州医科大学附属第一医院放射治疗中心在CT定位和放射治疗前1 h嘱患者喝水500 ml充盈膀胱，并排空直肠。治疗前利用锥形束CT(CBCT)在线和离线模式分析放射治疗时的摆位误差和靶区误差，并利用图像引导技术矫正误差，为临床靶区到计划靶区的外放边界提供理论依据。VMAT是最新的放射治疗技术，采用逆向调强方式设计放射治疗计划，再结合CBCT监测和矫正摆位误差，既缩短了治疗时间，又提高了治疗效率和治疗精度，实现了精确放射治疗。

1.4CBCT扫描与误差数据获取首次治疗前由两位技师参照定位标记进行等中心摆位，采用120 kV，M20准直器，顺时针360°进行CBCT扫描。将扫描后的重建图像和计划图像采用骨匹配自动配准，得到左右、头脚、腹背3个方向误差数据(校正前误差)，把误差数据输入图像引导系统，在线校正上述误差，在治疗过程中进行CBCT扫描，2次/周，得到分次间摆位误差(见图1)。

图1　CBCT扫描图像和计划图像匹配图

1.5误差分析及外放边界计算分次间误差主要为摆位误差和靶区移动及形变产生的误差,即每次治疗前扫描配准得出的误差；分次间误差又可分为系统误差和随机误差。采用 SPSS 17.0 统计学软件对数据进行分析，分别计算每例患者的平均误差和标准差，患者的平均误差以M表示，M的标准差就是系统摆位误差，以Σ表示；患者的标准差的平方根就是随机系统误差，以δ表示[6]。前列腺癌靶区的外放边界根据 VAN HERK等[7]提供的公式，使90%患者CTV最低剂量>95%处方剂量的外放边界,外放边界=2.5Σ+0.7δ。

2　结果

每例患者获取16组CBCT误差数据，40例患者共获取640 组数据。采用SPSS 17.0统计学分析得出左右方向偏差中偏左方向的占 51%(326/640)，摆位误差为(0.13±0.10)cm，偏右方向的占49%(314/640)，摆位误差为(0.16±0.13)cm；头脚方向中偏头方向的占58%(371/640)，摆位误差为(0.26±0.12)cm，偏脚方向占42%(269/640)，摆位误差为(0.29±0.15)cm；腹背方向中偏腹部方向的占55%(352/640)，摆位误差为(0.17±0.11)cm,偏背部方向占45%(288/640)，摆位误差为(0.20±0.13)cm。

40例前列腺癌患者VMAT分次间摆位误差见表1。 左右方向WMAT分次间摆位误差为(0.14±0.10)cm，头脚方向为(0.28±0.13)cm，腹背方向为(0.18±0.12)cm ；利用外放边界=2.5Σ+0.7δ计算出前列腺癌VMAT时CTV到PTV的外放边界为:左右方向0.41 cm，头脚方向0.80 cm，腹背方向0.54 cm。

640组分次间误差数据中，左右方向摆位误差均小于0.60 cm,主要集中在0.20 cm以内；头脚方向摆位误差较大,主要集中分布在0.20～0.39 cm；腹背方向摆位误差主要集中在0.20 cm以内(见图2～4)。

图2　左右方向摆位误差分布

图3　头脚方向摆位误差分布

患者编号左右方向头脚方向腹背方向10.17±0.080.28±0.140.10±0.0620.08±0.050.28±0.160.30±0.1630.23±0.120.20±0.120.12±0.0740.16±0.120.23±0.160.15±0.1850.12±0.080.25±0.190.08±0.0860.25±0.160.25±0.170.16±0.1570.17±0.120.22±0.160.23±0.1380.11±0.080.28±0.150.22±0.1190.07±0.040.30±0.120.25±0.11100.10±0.080.25±0.120.12±0.11110.16±0.090.32±0.120.28±0.17120.18±0.150.28±0.120.15±0.10130.11±0.070.27±0.130.12±0.12140.10±0.070.31±0.110.18±0.08150.11±0.050.32±0.100.15±0.07160.10±0.040.35±0.130.22±0.07170.09±0.050.34±0.120.15±0.08180.17±0.080.31±0.130.12±0.04190.08±0.050.29±0.130.30±0.14200.22±0.110.24±0.160.14±0.06210.17±0.100.26±0.170.18±0.15220.14±0.070.25±0.140.12±0.05230.26±0.160.27±0.150.20±0.13240.17±0.110.25±0.150.23±0.09250.13±0.070.29±0.140.23±0.10260.08±0.050.31±0.140.26±0.10270.11±0.070.27±0.140.15±0.10280.16±0.080.30±0.140.28±0.15290.20±0.140.28±0.120.18±0.09300.13±0.060.32±0.150.14±0.10310.11±0.060.27±0.100.15±0.10320.15±0.070.31±0.110.24±0.14330.17±0.100.28±0.120.15±0.08340.11±0.060.28±0.130.12±0.09350.11±0.060.28±0.090.18±0.06360.11±0.040.27±0.080.15±0.05370.10±0.040.31±0.100.22±0.06380.09±0.050.34±0.060.16±0.07390.12±0.060.29±0.160.21±0.09400.10±0.030.31±0.100.23±0.08

图4　腹背方向摆位误差分布

3　讨论

IGRT和VMAT等精确放射治疗技术逐渐应用于临床，极大降低了放射治疗引起的胃肠道和泌尿系统的不良反应[8]。新技术的应用使前列腺癌患者的5年生存率显著升高[9-10]。IGRT的优势在于每次放射治疗前可以对肿瘤的位置进行精确定位，减少摆位误差。在增加靶区计量的同时降低周围组织的放射损伤[11]。由于在前列腺癌放射治疗时存在分次间摆位误差、靶区运动及膀胱充盈程度等不确定因素，为防止靶区遗漏，因此计划设计时要CTV外放一定边界，形成PTV。近年来，IGRT的发展和应用使分次间、分次内的摆位误差和随机误差得到很大程度的纠正，从而减少了CTV到PTV的外放范围[12]。本中心利用Elekta Synergy医用直线加速器的在线CBCT扫描图像引导探讨分析前列腺癌VMAT时CTV到PTV的外放边界，从摆位误差数据可以看出在左右方向偏左和偏右摆位误差基本相等，在头脚方向偏脚方向的摆位误差大于偏头方向，腹背方向偏背部方向的误差略大于偏腹部方向。

由于前列腺癌的解剖位置，前列腺的偏移主要来源于直肠和膀胱的充盈程度，如果直肠扩张至膨胀，前列腺向耻骨联合方向移动。每次治疗时其形状和位置可能不一样，其中膀胱和直肠的充盈程度是影响前列腺形状和位移的重要因素[13-14]。因此每次治疗前1 h排空膀胱和直肠，喝水500 ml憋尿来尽量保持和CT定位时前列腺位置一致性[15]。近年来出现的CBCT-IGRT技术可以在治疗前获取摆位误差，能及时评价并通过六维床的移动纠正摆位误差，从而提高了治疗精度[16]。俞伟等[17]研究发现，只根据皮肤标记摆位，不行图像引导时CTV到PTV的外放边界在左右、头脚、腹背方向分别为0.53、1.42、0.85 cm；每次治疗前均行CBCT在线引导时外放边界分别可缩小至0.18、0.21、0.24 cm；摆位误差头脚方向>腹背方向>左右方向。本研究发现，本治疗中心的摆位误差和靶区误差三维方向大小不一样，头脚方向(0.28±0.13)cm>腹背方向(0.18±0.12)cm >左右方向(0.14±0.10)cm，这和俞伟等[17]的研究结果一致。头脚方向和腹背方向误差较大的原因可能与膀胱的充盈程度有关，尽管让患者喝水憋尿，但膀胱的充盈程度还会和CT定位时有所差别，这点在李炯雁等[18]的研究中也得到了证实。因此在计划设计时CTV到PTV的3个方向靶区外放边界有所区别，不能一致均匀外放。本治疗中心CTV到PTV左右、头脚、腹背方向分别外放0.5、0.8、0.6 cm，足以补偿治疗过程中靶区位移和摆位误差的影响，符合精确放射治疗。由于前列腺相对骨盆位置固定，骨盆有明显的骨性标志，灰度配准易受直肠和膀胱的充盈度的影响，因此本研究采用骨配准在线自动配准，周德力等[19]的研究也证实了，骨配准的摆位误差小于灰度配准和手动配准，并且配准时间极大缩短。PIZIORSKA等[20]研究认为，靶区外放在左右、头脚、腹背方向分别为0.4、0.7、0.8 cm，本研究结果与之接近。本治疗中心Elekta Synergy医用直线加速器配有KV-CBCT和XVI系统，前列腺癌VMAT通过CBCT图像和计划图像匹配，研究放射治疗中的误差，在线校正和离线计划修改，确定所需要的靶区边界，极大降低了摆位误差，提高了治疗精度[21]。近年来，图像引导技术的发展和应用使分次间摆位误差得到很大程度的纠正，从而缩小了CTV到PTV的外放边界[22]。VMAT是一种全新的调强放射治疗技术，其最大优点在于达到与IMRT相似的计量分布的同时，也使MU显著减少，治疗时间极大缩短，从而提高靶区的生物效应和加速器的治疗效率[23]。

综上所述，本研究得出前列腺癌VMAT左右、头脚、腹背方向CTV到PTV外放边界分别是0.5、0.8、0.6 cm。采用VMAT不仅提高了靶区的剂量，又减少了放射治疗引起的并发症，真正实现了精确放射治疗。在实际放射治疗过程中，特别是放射治疗的后半程肿瘤体积会缩小，放射治疗靶区也应跟随肿瘤的变化而相应变化，这就要求对患者重新定位，重新做计划，然后再执行放射治疗，这就是放射治疗的另一研究热点——肿瘤的自适应放射治疗，本中心下一步将进行探索研究。

作者贡献：阎华伟进行试验设计与实施、资料收集整理、撰写论文、成文并对文章负责；杨桂强、张力、吴志勤、余建义、潘涵慧、林立、黄包记进行试验实施、评估、资料收集；金献测、谢聪颖进行质量控制及审校。

本文无利益冲突。

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(本文编辑：陈素芳)

Evaluation of Intrafraction Setup Error and Margin in VMAT for Prostate Cancer by Cone Beam CT

YANHua-wei,JINXian-ce,YANGGui-qiang,etal.

DepartmentofRadiotherapyandChemotherapy,theFirstAffiliatedHospitalofWenzhouMedicalUniversity,Wenzhou325000,China

ObjectiveTo investigate the intrafraction setup error in volumetric intensity modulated arc therapy(VMAT) for prostate cancer patients using cone beam CT(CBCT),and to study the proper margin required to expand the clinical target volume(CTV) to create a planning target volume(PTV).MethodsFrom January to October in 2014,we enrolled 40 patients with prostatic cancer who

radical radiotherapy in the Department of Radiotherapy and Chemotherapy in the First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University.All the patients underwent VWAT.One hour before treatment,the patients were asked to drink 500 ml water to fill the bladder and rectum to the degree as they did during CT positioning.All the patients

CBCT scanning after the first intrafraction setup to get setup errors before adjustment,and underwent VMAT after online adjustment.The whole process was conducted for all together 39 times,with 2 Gy per time and 5 times per week.The total dose of irradiation was 78 Gy.ResultsThere were 640 sets of error data with 16 sets from each patient got by CBCT scanning.Statistic analysis showed that the intrafraction setup errors of left-right,head-toe and belly-back were(0.14±0.10)cm，(0.28±0.13)cm，and(0.18±0.12)cm respectively.Margins calculated based on the equation MPTV=2.5Σ+0.7δ in the directions of left-right,head-toe and belly-back were 0.41,0.80,and 0.54 cm respectively.ConclusionCBCT can be used to verify the setup errors in VMAT for prostate cancer patients,and help adjust the errors to improve the accuracy of radiotherapy.

Prostatic neoplasms；Volumetric intensity modulated arc therapy；Cone-beam computed tomography

浙江省自然科学基金资助项目(LY16H160046)

325000浙江省温州市，温州医科大学附属第一医院放化疗科

金献测，325000浙江省温州市，温州医科大学附属第一医院放化疗科；E-mail:physics@wzhospital.cn

R 737.25

A

10.3969/j.issn.1007-9572.2016.21.020

2015-10-26；

2016-03-03)