螺旋断层调强放射治疗床沉降规律的测量和计算公式的拟合

孙显松 周 兵 张 宇 杨志伟 汪之群 于 浪 胡 克 张福泉 邱 杰*

螺旋断层调强放射治疗(Tomo Therapy)是一种先进的调强治疗技术，治疗过程中机架做360°旋转，二元气动开关式多叶光栅进行射线强度的调制，同时治疗床连续进床完成整个靶区的治疗[1]。与C型臂加速器相比，Tomo Therapy对射线的调制能力更强，靶区边缘剂量跌落的速度更快，治疗更加精准，利于靶区临近重要器官的保护。一次治疗的靶区长度可达160 cm，更加适合全中枢、全骨髓、多发转移以及盆腔加腹主动脉旁淋巴结等长靶区的照射[2]。但是，由于治疗床在连续运动过程中，床板前段的承重不断增加，进而使治疗区域的床板沉降值不断的增加，导致了靶区在升降床方向的误差不断增加[3-4]。肿瘤放射治疗专家通过对多发转移患者的兆伏计算机断层扫描(megavoltage computed tomography，MVCT)配准结果分析，均表达了由于治疗床沉降对靶区位置造成了影响，从而引起专家的担心与重视[5-6]。由于靶区位置的不确定性是引起剂量学误差的主要因素之一，尽管治疗前可以采用MVCT扫描来进行图像引导，但是每次进行超长范围的扫描会增加患者的额外辐照剂量，而且对于较大的沉降变化也只能进行中和处理[7-9]。因此，需要寻找一种在治疗前预计患者靶区沉降规律的方法，从而可以在放射治疗方案制定阶段做好调整，帮助治疗师选择更合理的MVCT扫描区域。为此，本研究通过对Tomo Therapy设备治疗床沉降规律测量结果的分析，以指导靶区margin的外放以及图像引导扫描范围的选择。

1 材料与方法

1.1 设备与材料

Hi.Art型Tomo Therapy设备，HP couch型治疗床(美国Accuray公司)；最小刻度为0.5 mm的钢尺；经过校准的体重秤；压载物(纸)。

1.2 Tomo Therapy设备治疗床

Tomo Therapy设备治疗床板为260.1 cm×53.09 cm，治疗床高度运动范围显示值为-10～550 mm，进出床方向平移运动范围为-25～1793 mm，床值显示精度为1 mm。治疗床床头安装有射线敏感的电子元件，应避免射线直接照射，床板上有白色标记线标注。床板基座前端有滚轮支撑，床板由安装在基座上的滑车驱动，在滚轮支撑上滑行。当床板及承载的重量随进床运动超过滚轮支撑时，会导致床板发生弯曲下沉，下沉的幅度与床板伸出的幅度及床板的承重有关。由于治疗仅发生在机器等中心处，因此仅需要研究治疗床在等中心处发生的沉降即可。治疗床结构、压载区及测量点见图1。

1.3 压载方案设定

(1)自治疗床床头射线敏感电子元件白色标记线开始向床尾方向，间隔20 cm为第一个压载区，之后每间隔30 cm为一个压载区，共计6个压载区，全长170 cm。白色标记线为第一个沉降值测量点，之后向床尾方向每间隔10 cm为一个测量点，共计13个测量点。

(2)将80 kg的纸，按照一定的规律进行排布，共设计26组压载方案，其中第24组为治疗床各压载区均匀承重10 kg，第25组为模拟人体重分布规律，第26组为治疗床空载。具体排布方案及与模拟人身体各部位对应关系见表1。

图1 Tomo Therapy设备治疗床结构示意图

1.4 人体体重分布模型建立

(1)在硬板床上并排放置7台宽度为30 cm，经校准的电子体重秤，挑选行动自如的患者、家属及工作人员平躺于电子秤阵列上，头枕在第一台秤上，背部躺在第二台秤上，依次放松平躺，读取每台秤的读数。体重秤的宽度与身高175 cm的人体平躺的承重特点较为吻合，因此选择20名身高为175 cm的人员进行测量。

(2)使用测量数据的平均值计算出人体各部位对床面的压力占总体重的比例，从而计算出一个总体重为80 kg的模拟人对治疗床各个区域的压力。

(3)升床至显示值为380 mm。利用外置激光灯在治疗床上横向摆放一根金属丝，金属丝与绿激光灯完全重合，进床700 mm。使用胶带将棉线固定在机壳上，下端悬挂一把钢尺，调整位置后使钢尺在重力作用下自然下垂，靠近床旁且对准金属丝的一端。扫描中心点处的一层MVCT，扫描层厚2 mm，因钢尺位于MVCT的视野(field of vision，FOV)之外，无法显像，因此清楚看到金属丝的影像，即可确定钢尺位于等中心处。

(4)按照设计好的压载方案，依次读取各个测量点床面对应钢尺的刻度。每组测量的数据均以第一个测量点为参考，记录沉降值，即设定第一个测量点治疗床沉降为0。

1.5 沉降规律表达公式拟合及验证

(1)使用Microsoft Office Excel 2013进行数据处理及统计学分析。

表1 治疗床压载分布规律(kg)

(2)对各组数据进行处理，计算每个测量点，测量时对应治疗床的压载分布，即测量点至床头压载的总重量、治疗床承重滚轮至测量点间压载的总重量以及治疗床承重轮至床头压载的总重量。

(3)使用治疗床各压载区均匀承重10 kg的测量数据，进行散点图绘制并进行回归分析，获得线性函数及二项式函数公式，表达治疗床的沉降值y与治疗床各区域承重的关系。

(4)使用拟合的线性函数公式和二项式函数公式对模拟人的体重分布进行计算，获得各测量点的沉降值，与模拟人真实测量的数值进行比较并优化选择。从点线图上可以发现测量点至床头的载重与沉降值的线性关系公式的计算值最接近测量的真实值，故最终被采用。

(5)利用优化选择的线性关系公式，对所有的测量点进行计算，获得计算值，并与真实值进行比较，以验证计算公式的有效性。

2 结果

2.1 治疗床沉降规律表达公式

每组测量值以第一个测量点为参考，设定沉降值为0，最后一个测量点距离第一个测量点120 cm，最后一个测量点的沉降值通常是全组数据的最大值。全重80 kg时最大沉降7.5 mm；均匀承重共计60 kg时，最大沉降值为5.5 mm；治疗床空载自重时，最大沉降值为2 mm；模拟人体重分布压载时，最大沉降值为6.5 mm。

经过优化选择发现，治疗床的沉降值与测量点至床头之间承重的线性关系公式可以很好的反应治疗床的沉降关系(r2=0.89)，拟合公式的计算值与模拟人的实测值的比较见图2。

图2 拟合公式的计算值与模拟人的实测值比较

经过测量数据拟合与优化选择得出治疗床等中心点沉降值y(mm)与治疗床等中心点前段承重x(kg)的关系为公式1：

式中y为治疗床在等中心点的沉降值，单位mm，结果为负值表示治疗床下沉；x为治疗等中心点处测量点至床头压载的总重量，单位kg。

表2 各测量点实测值与计算值的误差(mm)

2.2 沉降规律表达公式验证结果

使用优化选择的公式，计算所有测量点的沉降值与真实测量值进行比较，两者之间的误差＞2 mm的占13%，误差＞3 mm的占2.9%。

2.3 标准人模型引起治疗床沉降的规律

标准人模型各测量点与各部位的对应关系、测量结果与计算结果见表2。

3 讨论

Tomo Therapy设备的治疗床结构特点决定了治疗床在等中心处的沉降幅度，随着治疗床移动不断的发生变化，且治疗床运动单位距离沉降的速度也在不断的变化，与治疗床上压载重量的分布有关。治疗床沉降公式可以较好的反应治疗床的沉降，分析治疗床沉降的计算值与测量值相差＞2 mm的测试点，均为极端测试点，压载物几乎全部靠近床尾，测试点前床上并无压载物。对应到真实的患者案例，即患者平躺的位置太过靠近床尾，床的前段留有大量的空间，并且计算误差较大的测试点全部位于头顶以上，这种情况在实际临床中不会出现，因此对患者治疗无影响，可以满足临床使用。

治疗床空载自重时，最大沉降值为2 mm。黄永杰等[10]研究Tomo Therapy的治疗床自动移位准确性时，也发现垂直方向上存在2 mm误差是治疗床沉降所造成。对于共计80 kg压载的重量，治疗床运行120 cm沉降了7.5 mm，据此计算，治疗床因沉降造成靶区在等中心点处向床尾方向回缩了不足0.1 mm，因此治疗床沉降对靶区进出床方向的影响可以忽略不计。Santanam等[11]通过研究妇科肿瘤的摆位误差，比较二维图像与MVCT图像各自的配比结果，发现在进出床方向上MVCT的平均位移量为-4.1～2.2 cm，高于二维图像的-1.2～1.5 cm，分析认为是MVCT扫描时铅门开口的大小降低了图像在进出床方向上的分辨率所造成。放射治疗医师通常根据摆位误差、内脏器官的位移、肿瘤的消退等各方面的原因来设定靶区外放的范围，但对于Tomo Therapy也要考虑已设定好的靶区外放范围是否能够满足治疗床沉降带来的靶区在不同层面的不同误差要求[12]。

由于人体正常的生理弯曲，平卧时对床面的压力并非均匀，主要的着力点位于枕部、肩背部、臀部及小腿部。随着治疗床的前进，着力点超过治疗床的支撑滚轮后会对治疗床的沉降做出贡献。承载人体的治疗床在治疗过程中并非是以均匀的速度下沉，模拟人测量的结果表明，头颈部治疗床的沉降幅度基本一致位于同一水平；肩部至上腹部沉降的速度较快，大约每10 cm沉降1 mm；下腹部至大腿中段沉降的速度减缓，大约每10 cm沉降0.4 mm。因此在实际临床工作中对于头颈部、单纯盆腔照射可以不考虑沉降造成的影响，对于胸部及上腹部的长靶区应考虑治疗床沉降带来的影响。对于全脑、全脊髓的治疗，建议MVCT的扫描范围选择在胸部及上腹区域，此处沉降速度较快，以便可以兼顾到全身。

由于治疗床的沉降规律受到多种因素的影响，如治疗床板的刚性、床面压载的重量分布以及承重轮前后承重的压载比例等，都会导致治疗床的沉降值存在一定的不确定性，对于相同体重的人体，差异大约在0.5～1 mm左右。治疗床总载重在10～80 kg内最大沉降值由2 mm增加到了7 mm，每增加载重10 kg，最大沉降值会增加0.5～1.5 mm。由于人类体型多种多样，因此导致治疗床的沉降也并非千篇一律。

Tomo Therapy是一种精确的放射治疗技术，单次治疗靶区可长达160 cm，在全脑、全脊髓这样的长靶区治疗中明显优于CRT计划[13]。但是，治疗过程中治疗床连续运动带来的沉降变化，造成了靶区在升降床方向上的变化会改变计划设计的剂量分布，有可能导致脱靶或对临近重要器官的损害，不得不引起重视，因此每次治疗前进行MVCT的引导十分必要[14-15]。但是对全中枢放射治疗这样的长靶区每次进行全覆盖扫描既耗费大量的时间又会增加患者很多额外的辐射剂量。有研究表明，患者所受剂量与螺距比值、扫描长度存在密切相关性，额外的剂量也会导致辐射致癌等不良后果[16]。因此，使用沉降值计算公式预估全靶区的沉降情况十分必要，在靶区勾画外放时就进行考虑，预防脱靶或避免重要器官超量。治疗时可以选择合适区域进行MVCT扫描，兼顾整个靶区，减小扫描范围。