头颈部肿瘤调强放疗摆位误差和边界优化分析

白逸川 江明祥 时建芳 孙钦飞 胡攀峰

头颈部肿瘤临床发病率逐渐升高，由于头颈部解剖结构复杂且其周边存在重要组织器官，所以放射治疗具有很大挑战性。随着技术的进步，三维适形技术尤其是调强放疗（IMRT）可以降低头颈部正常组织器官的辐射损害，提高放疗的准确性和精确度，但摆位误差亦难以避免［1-2］。图像引导（IG）技术在一定程度上能够降低并纠正放疗的摆位误差［3］，但临床实际使用较为繁冗且可能增加额外辐射剂量。在线校正方案可以对系统误差和随机误差进行校正，但面对众多的患者及有限的放疗机器，实践也较为困难［4］。若采用离线校正，则可较为便捷地校正系统误差、缩小边界，其中无动作等级（NAL）协议应用最为广泛，被推荐为标准离线协议［5］。本研究使用千伏级锥形束断层扫描（kVCBCT）对接受IMRT的头颈部肿瘤患者的平移摆位误差进行测量分析，同时使用NAL协议对临床靶区（CTV）至计划靶区（PTV）的边界进行优化。

1 资料与方法

1.1 临床资料 选取2017年2月至2019年5月本院收治的头颈部肿瘤患者268例，其中根治性治疗131例、辅助性治疗137例，男152例、女116例，平均年龄（58.6±1.2）岁。（1）纳入标准：①年龄≤70岁；②根据美国癌症联合委员会第7版肿瘤分期为I-IVB（T1-T4，N0-N3，M0），东部肿瘤协作组（ECOG）体能状态评分为0～2；③接受IMRT放疗。（2）排除标准：①病情危重者；②存在放疗禁忌证；③存在残疾无法配合者。共获得图像2850张，其中校正前1425张和校正后1425张，均进行X轴、Y轴和Z轴三个方向的位移测量。本研究经医院医学伦理委员会批准，所有患者均签署知情同意书。

1.2 放射治疗 （1）操作方法：使用不同能量（6 MV和15 MV）线性加速器（Elekta Synergy），16排大孔径螺旋CT模拟机（GE Healthcare）进行CT模拟，自头顶至胸骨进行对比增强CT扫描，切片厚度为2.5 mm。（2）位置设定：进行CT模拟前将患者置于仰卧位置，在面罩上对准激光且于中线的纵向和横向激光交叉处标记三个点，在横向端标记两个点；在靠近骨性标记（例如下颌角、颏）的位置做标记，并采用不透射线的滚珠轴承贴纸（基准）表示；其均为CT的参考点。相对于这些标志，患者在设置过程中与计划的等中心线对齐。（3）后续处理：CT模拟获得的数据首先通过DICOM网络传输到轮廓工作站，描绘出不同目标体积（整体肿瘤体积、CTV和PTV）以及CT数据集每个轴向切片上的风险器官，通过在CTV的各个方向上增加5 mm的边界生成PTV。（4）治疗系统：使用Monaco 3D Treatment系统（Elekta），根据CT参考点（基准点）将患者重新安置于线性加速器上，依据计划等中心在X轴、Y轴、Z轴三个方向上移动治疗床。

1.3 图像配准 放疗前5日通过kV-CBCT［X射线容积成像（XVI版本5.0.2 b72）］验证患者的位置，之后的治疗过程中每周检查一次患者摆位的重复性。在感兴趣区域（剪贴板）完成图像配准，通过匹配解剖学界标例如CT参考图像的骨骼和软组织，进行图像分析。使用模板匹配技术比较参考图像和XVI图像，使用不同的滤镜与对比度改变工具改善图像质量，两者的照射野边缘均通过自动设置进行匹配，然后在三维方向上平移调整匹配模板，以使模板与XVI上的解剖学界标呈现出最佳对应关系，计算机由此生成XVI相对于参考图像的位移/设置误差。摆位误差反映患者相对于这些标记的位移。

1.4 等中心校正协议 前5次每日治疗分割的等中心治疗前在线校正限制摆位误差＞5 mm，在线校正后等中心回到原始位置用于下一次分割，否则治疗即是在未校正的位置下进行。起初5次连续分割的平均误差均于第6次分割时进行校正，接下来的分割中固定校正的等中心直至治疗结束，之后每周对校正的等中心位置进行确认，并对残留的摆位误差进行记录分析。

1.5 数据统计与分析 记录三个方向（X轴：右-左，Y轴：上-下，Z轴：前-后）的位移数据，计算每个轴上的平均差作为每位患者每张XVI图像中测得的误差平均值；系统误差为前5日即校正前的误差平均值及每周数据的平均值，总体系统误差（∑）为每位患者平均误差的标准差；总体随机误差（σ）为每位患者误差标准差的平均值。根据van Herk公式估计PTV的边界，分析体重减轻（＜5% vs ≥5%）对患者摆位误差的影响。

1.6 统计学方法 采用SPSS 23.0统计软件。计数资料以n（%）表示，组间比较采用χ2检验；计量资料以（±s）表示，组间比较采用独立样本t检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 校正前后三个方向上系统误差≥3 mm、随机误差≥3 mm、摆位边界≥5 mm所占比例比较 校正后比校正前显著降低，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表1。

2.2 校正前后三个方向上系统误差、随机误差、边界比较 见表2。

表2 校正前后三维方向上系统误差、随机误差、边界比较（cm）

2.3 体重减轻对患者摆位误差的影响 根治性治疗131例，其中体重减轻＜5%患者60例，体重减轻≥5%患者71例；辅助性治疗137例，其中体重减轻＜5%患者65例，体重减轻≥5%患者72例；两种治疗方式比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。体重减轻＞5%的患者在Z轴、X轴两个方向的系统误差和随机误差均有所增加，但5 mm PTV边界足够弥补摆位误差。

3 讨论

调强放疗技术，是一种较为理想的头颈部肿瘤治疗方式，一方面改善局部的肿瘤控制，减少口干综合征等副作用，另一方面可以提高患者的生活质量。通过IMRT实现理想的剂量适形要求，在治疗计划和图像配准过程中提高相应的准确性，因为减少的目标勾画可导致摆位误差［6］。头颈部肿瘤放疗的摆位误差，始终是临床诊疗中需要重视的问题，有学者报道分析了首次分割中所需要摄像的数量（N值）以检测系统误差［7］。在首次验证之后每周成像可有效降低N值，同时保证相同的准确度［8］。吴彬［9］研究指出，头颈部肿瘤经过3次分割后系统位移配准与进行的其他分割平均误差的相关性良好，前五次分割的平均误差并未显示出额外的优势。

本研究中采用5次分割的kV-CBCT扫描，随后每周进行扫描，结果显示5 mm的边界和前5张每日图像能够显著降低治疗过程中的摆位误差。现代线性加速器的射野影像装置已经作为几何不确定性的常规检测，在每一放疗单元评估这些不确定性的程度，为CTV设置适宜的边界。不同的统计目标，边界存在多样性，边界M（2.5Σ+0.7σ）可以确保90%的患者CTV接受至少95%的放射剂量［10］，MITRASINOVIC等［11］基于＞99%CTV接受至少95%的剂量得到不同的公式：M=2.0Σ+0.7σ。在放射剂量方面，系统误差比随机误差产生的影响更大，分割放疗中的几何不确定性具有系统性和随机性，但合适的摄像方案能够简单地将两者分离，使得自定义理想的边界成为可能。

本研究预测在头颈部的辐射有必要设置5 mm的边界以弥补摆位偏差，这与文献报道和临床经验一致［12］。在线校正方案力求全面的误差校正，系统方案包括特异的工具如图像引导放射治疗（IGRT），但考虑到设备的可行性和有限的人力资源，大多数诊疗机构无法进行每日的IGRT操作。离线校正技术追求的是系统误差的降低和减少边界，涉及的工具和程序可在配备成像的治疗机构中轻易实施，NAL方案由于需要更少的图像和工作量，因此比其他方案更有效。该方案先前已被应用于头颈部放疗中，CLARK等［13］量化分析了头颈部放疗的摆位误差，并从理论上研究了离线校正方案的影响。一项回顾性研究和蒙特卡洛模拟表明，使用NAL方案能够获得1 mm的准确度，由于随机摆位误差较小，离线验证方案在头颈部放射治疗中非常有效。本研究证实，离线NAL方案可有效减少头颈部放射治疗中的系统误差，从而可能将患者的PTV降低至5 mm。为克服摆位误差给治疗带来的影响，自CTV增加5 mm的边界是较为安全的，在CTV所有方向上设置3 mm的边界获得相应的PTV亦足以解决摆位误差的问题。

本文研究对象采用了根治性和辅助性两种治疗方式，根治性治疗由于原发性肿瘤或瘤体缩小等因素会产生明显体积变化，辅助性治疗体重减少的患者更多，同时经过手术治疗引起局部解剖结构的变化在一定程度上可能影响系统误差。通过分析摆位误差不确定性差异，结果显示不同治疗方式之间患者的体重变化、摆位误差及边界比较，均无统计学意义（P＞0.05），治疗的强度是否会影响摆位误差，还需进一步的研究加以证实。体重减轻在头颈部放疗中理想上可增加摆位不确定性，因热塑面罩下的移动幅度增加或后颈部脂肪组织减少，均会增加系统性的前后位移。田娟秀等［14］研究显示，体重减轻与摆位误差无显著相关性；SCHULER等［15］指出，体重减轻可使接受放疗的喉癌患者摆位偏移更高，从而需要增加PTV的设置；HAN等［16］研究发现，体重减轻＞5%可使系统误差在前后和横向方向上稍微增加，但摆位误差相关的PTV边界仍在5 mm以内，这与本研究结果相一致。

综上所述，图像引导的kV-CBCT能够对头颈部肿瘤患者放疗的摆位误差进行有效地评价，离线NAL方案能够对摆位误差进行校正而无需每日线上成像，减轻了操作负担，通过在CTV的各个方向上增加5 mm边界得到PTV足以弥补摆位误差带来的问题。