兆伏级CT对胸腹段肿瘤放射治疗影响与提高治疗精度因素的研究

2017-04-20刘晓东李婷婷

中国医学装备 2017年4期

刘晓东李婷婷周娟陈海

刘晓东①李婷婷②周娟①陈海①

目的：运用高能X射线计算机体层摄影(MVCT)图像引导对胸腹部肿瘤螺旋断层放射治疗摆位误差进行评估，分析影响摆位精度的因素，提高临床放射治疗精度。方法：随机选取40例胸腹部肿瘤根治患者病例，通过MVCT图像引导下自动配准结合手工配准后所得到的1218组摆位误差数据与分布频次，分析减少临床摆位误差的方法，改进和提高放射治疗精度的流程规范。结果：通过计算可以得出系统误差±随机误差在X轴、Y轴及Z轴方向上分别为(1.43±1.24)mm、(5.12±1.41)mm及(1.55±1.18)mm，最终手动参与配准执行后为(1.36±1.18)mm、(5.02±1.35) mm及(1.46±1.12)mm。Y轴方向平均误差最大，其次是Z轴方向，X轴方向的平均误差最小。结论：胸腹部肿瘤摆位误差较大，但通过配准可以量化地减少摆位误差，经分析放射治疗流程中产生误差环节，总结有效提高摆位精度的方法，为精确放射治疗提供必要的质量保证。

螺旋断层放射治疗；图像配准；兆伏级CT；摆位误差；精度

刘晓东,男,(1977- ),硕士，工程师。广州总医院肿瘤科，从事放射治疗物理与质量控制工作。

螺旋断层放射治疗(Tomotherapy)作为影像引导放射治疗的新技术，通过约3.5 MV的兆伏级高能X射线计算机体层摄影(megavoltage computed tomogra phy，MVCT)的成像模式采集患者断层图像，与治疗计划的原始图像进行配准，确定治疗靶区和重要结构的相对位置和运动，进行位置或剂量的在线验证和校准。本研究通过对以MVCT图像引导为基础的数据进行归纳整理，对摆位偏差的结果和影响精度的因素进行分析研究，为放射治疗临床摆位给予借鉴和指导。

在施行Tomotherapy治疗前，运用MVCT进行图像引导的过程中患者有计划之外的小剂量照射，不同研究具有差异，但总体而言，MVCT扫描时间一般＜3 min，成像剂量≤2 cGy，一般小于每日治疗处方剂量的1﹪，可用于临床治疗前的图像配准[1-2]。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2016年1月至2016年6月广州总医院肿瘤科收治的40例胸腹部肿瘤患者，其中男性22例，女性18例，年龄19～78岁，中位年龄48岁。对患者资料进行回顾性分析，所有病例均经病理组织学确诊，在执行完放射治疗根治量的病例中随机选取。所有患者均签署放射治疗知情同意书。

1.2 仪器与材料

定位扫描设备为16排SIEMENS Biograph 16HR PET/CT机(德国西门子)，辅助使用国产全碳素纤维固定板与热塑体膜固定。治疗设备与配准设备为Tomotherapy Hi-Art放射治疗机及配套软件系统(美国)。

1.3 治疗方法

放射治疗前患者摆位完成后进行MVCT扫描，扫描条件选取Normal，扫描层厚为4 mm。体位固定均采用仰卧位，身体处于自然状态，保持均匀呼吸，双手置于身体两侧，无不适状态。

利用Tomotherapy的MVCT图像与患者定位后勾画靶区的计划图像进行配准，配准包括靶区和附近组织结构的横断位、冠状位及矢状位3个方向。

1.4 观察与评价指标

自动配准完成后使用治疗机的棋盘方格工具检验配准结果，观察外轮廓、骨质及靶区附近组织结构的重合程度，如有必要进行额外的手动配准，确定摆位误差的接受限值，如果配准数据超出限值，分析原因再重新摆位配准至可接受范围。配准完成后得到患者左右(X轴)、头脚(Y轴)以及上下(Z轴)方向的摆位误差数据。

对于自动配准中旋转＞2°的患者需重新摆位；对于摆位误差＞12 mm的不予治疗，需重新摆位。治疗过程中有疑虑的情况下，通过模拟机正位或侧位透视等方法，对患者体膜的松紧度、摆位重复性评价后才可进行继续治疗。

2 结果

患者每次治疗前均施行MVCT扫描，获得的MVCT图像与计划设计的图像配准，如图1所示。

图1 棋盘方格工具配准结果

自动配准数据不作为摆位误差统计数据，最后摆位是参考自动配准的数据结合手动配准后执行。自动配准数据与最终执行配准数据均为1218组。

2.1 系统误差与随机误差统计

自动配准偏差数据在X轴、Y轴及Z轴方向上，系统误差和随机误差分别为(1.43±1.24)mm、(5.12±1.41)mm及(1.55±1.18)mm。最终执行配准数据系统误差和随机误差分别为(1.36±1.18)mm、 (5.02±1.35)mm及(1.46±1.12)mm。两组数据结果显示：Y轴方向平均误差最大，其次是Z轴方向，X轴方向的误差最小。

2.2 摆位误差频次数据统计

最终手动参与配准执行摆位误差频次数据为：≤2 mm的频次在X轴、Y轴及Z轴方向上依次为618、82及551；摆位误差2～5 mm的频次在X轴、Y轴及Z轴方向上的频数依次为559、481及580；摆位误差5～8 mm的频次在X轴、Y轴及Z轴方向上的频数依次为41、586及87；摆位误差≥8 mm的频次在X轴、Y轴及Z轴方向上依次是0、69及0；摆位误差＞12 mm的频次不予治疗，需重新摆位，见表1。

表1 最终执行的配准误差频次

2.3 对放射治疗摆位精度影响

通过以上结果分析，结合临床治疗过程观察可以得出，胸腹部肿瘤患者在放射治疗过程中，摆位误差较大，重复性较差，但仍然存在一定规律，Y轴方向平均误差最大，其次是Z轴方向，X轴方向的平均误差最小，每次治疗前扫描MVCT，通过图像自动引导结合人工配准方式可以有效地提高摆位的精度。

2.4 对靶区勾画参考

不同情况下靶区勾画时，实际需要的外放边界不同，对于不同患者、不同肿瘤及不同分期在三维方向上勾画均不一致。在临床实际工作中，胸腹部肿瘤患者的计划靶区边界勾画时，可以参考以上数据再结合个体情况，采用不同的外放边界，计算出靶区的理论外扩边界，其Van Herk推荐外扩边界计算为公式1：

式中∑定义为系统误差的标准差，σ定义为随机误差的标准差[3]。

需要强调的是，任何纯粹的数据分析和理论推导仅供临床医生勾画时参考，不能作为勾画时的标准。

3 讨论

随着放射治疗技术的发展，临床对摆位的精确度要求更为严格，有研究指出，对于一些典型病例，如果危及器官邻近治疗靶区时，形成陡降的剂量梯度，这时几毫米的误差将会严重影响实际的治疗效果[4-5]。

Tomotherapy的MVCT影像引导摆位可以明显减少摆位过程中的误差，提高放射治疗摆位的精确度，但仍然有不足之处。Tomotherapy有Bone image、Bone and Tissue image以及Full images三种配准方式，但是兆伏级和千伏级X射线在生物物理方面的效应不同，因此无法克服图像对比度和组织分辨率不同带来的影响。

由于通常影像引导摆位选择扫描层面有限，匹配的层面常小于治疗的靶区层面，局部的精确并不能保证整个靶区的精确性。若靶区进行分段图像引导，可能会提高靶区配准的精确度，但也无法完全保证匹配的全局最优，还会导致患者治疗时间的增加。若靶区较大，全靶区扫描，患者治疗时间明显增加。

有研究指出，患者位于旋转轴心的组织结构相对射野变化小，而远离旋转轴心的组织结构则相对位移较大[6]。Astreinidou等[7]的研究表明，平均值为1°的旋转误差不会影响95﹪的CTV接受处方剂量。Remeijer[8]等报道，旋转误差造成的剂量改变很小，可以忽略。虽然在实际摆位中，旋转产生幅度较小，但为避免旋转可能造成的较大剂量误差，对于自动配准中旋转＞2°的患者要求重新摆位。

本研究在临床工作中发现，有些经验较少的医生在靶区勾画时患者身体本身不对称或自然扭转提出异议，使得制膜定位的技师受到影响而迁就医生造成患者不当体位，影响摆位精度。因此，强调制膜定位时患者的舒适性作为首要，否则对体位的可重复性影响很大。考虑到实际的情况，本研究在制膜定位时结合真空垫及托架等固定设备，可以期望得到良好的可重复性体位。定位前模拟机正侧位透视等方法对于体位确定也是很好的质量控制手段。

胸部肿瘤放射治疗过程，正常的呼吸运动和心脏跳动引起肿瘤和器官的生理性运动会严重影响治疗过程中的精度。已有多项研究报道了肺癌、乳腺癌和上腹部恶性肿瘤中，靶区和相应解剖结构随呼吸运动的特点，包括主动或被动呼吸门控技术和呼吸追踪技术等新技术可用于弥补肿瘤运动所致误差，并减少靶区的外放间距和周围正常组织不必要的照射[9-10]。

临床治疗中发现，腹部脏器的充盈，腹式呼吸，膀胱充盈程度也是影响腹部或者下腹部放射治疗精确性的重要因素[11-13]。控制或者训练患者饮食饮水，均匀呼吸，甚至治疗时间的合理安排等可以有效提高治疗精度。

Hou等[14]通过MVCT发现，患者由于体重减轻造成Z轴方向可能会＞3 mm的误差，因此在有疑虑的情况下，通过模拟机正位或侧位透视等方法，对患者体膜的松紧度、摆位重复性评价也相当重要，同时也需要有经验的医师与技师共同参与评价。

治疗过程中也会偶发无法估计的特殊情况，如腹部肿瘤放射治疗摆位过程中，发现自动配准头脚Z轴方向偏差＞40 mm，治疗技师立即暂停，会同主管物理师共同分析，最终明确原因，提示MVCT扫描有限的范围，使得治疗机自动配准错位了一个整胸椎，造成极大误差。此特例表明，不仅要依托先进的技术，同时需要对放射治疗流程严格执行，对放射治疗技师影像解剖水平提出较高要求。

4 结论

通过MVCT配准得到的误差数据规律分析和罕见的误差评估，对造成误差的原因分析提示，患者治疗精度的质量控制存在于每个环节，甚至每个细节中，误差虽然不能完全消除，但通过临床摆位精度提高和靶区勾画外放范围合理缩减等方法可将其尽量减小。但是无论多么先进的技术始终需要可靠严谨的流程和过硬的技术水平，认真细致的工作态度才能发挥作用，使其应用患者造福社会。

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The studies on the effect of MVCT for radiotherapy of thoracic and abdomen tumors and the factors of improving treatment precision

LIU Xiao-dong, LI Ting-ting, ZHOU Juan, et al//
China Medical Equipment,2017,14(4):58-61.

Objective: To analyze the effect factors of setup precision and enhance radiotherapy precision in clinical, and to evaluate the setup errors of tomotherapy radiotherapy for thoracic and abdomen tumors based on MVCT imaging guide technology. Methods: 40 patients with thoracic and abdominal tumors were selected as random method, and 1218 groups setup errors and distribution frequencies were recorded by the automatic combined with manual matching through MVCT imaging guide. To analyze the methods of reducing clinical setup errors and the process regulation of improving and enhancing precision. Results: Through calculating, the “system errors ± random errors” were (1.43±1.24)mm, (5.12±1.41)mm and (1.55±1.18)mm, respectively, on X, Y and Z directions. After combined with manual matching, they were (1.36±1.18)mm, (5.02±1.35)mm and (1.46±1.12)mm, respectively, and the average error of X direction was minimum, while that of Y direction was maximum in these results. Conclusion: Although the setup error for thoracic and abdomen tumor is larger, matching can quantitatively reduce this errors. Through analyzing the error point during radiotherapy process, to summarize the effective method in order to enhance the setup precision and provide necessary quality guarantee for precise radiotherapy.

Tomotherapy; Imaging matching; Megavoltage computed tomography; Setup error; Precision

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.04.015

1672-8270(2017)04-0058-04

R730.55