摆位误差对鼻咽癌和直肠癌放疗剂量投射准确性的影响

黄洋洋，田玉龙，董胜楠，杨 军，王 成，侯 歌，刘宗文

1)郑州大学第二附属医院放疗科 郑州 450014 2)郑州大学第五附属医院放疗科 郑州 450052 3)南华大学核科学技术学院 湖南衡阳 421001 4)郑州大学第三附属医院设备科 郑州 450052

流程上任何一个环节的误差都会对放疗剂量投射准确性造成影响。放疗的整个流程中患者每次治疗前放疗技师的摆位是最重要的环节之一，直接影响治疗精度。现代放疗设备大多带有图像引导设备(image guided radiotherapy,IGRT)，患者治疗前可以做位置验证，但是受客观因素如费用和治疗时间等因素限制，并不能保证每次治疗前执行位置验证，这就存在摆位误差的可能[1-2]。本研究人为引入摆位过程中X轴和Y轴二维方向的误差，探究单一摆位误差和双摆位误差对鼻咽癌和直肠癌放疗剂量投射准确性的影响，确定鼻咽癌和直肠癌对放疗摆位误差的容许程度，对临床有重要的指导意义。

1 对象与方法

1.1 病例选择收集2019年1月至2020年12月在郑州大学第二附属医院接受放疗的5例鼻咽癌和5例直肠癌患者的临床资料。其中鼻咽癌患者按UICC/AJCC第八版TNM分期标准[3]划分，Ⅱ、Ⅲ、ⅣA期分别为1、2和2例；年龄17～66岁，中位年龄35岁；男4例，女1例。直肠癌患者按NCCN 评价标准[4]划分，Ⅱ期和Ⅲ期分别为2例和3例；年龄33～78岁，中位年龄55岁；男3例，女2例。所有患者均签署知情同意书。

1.2 调强计划设计方案将鼻咽癌放疗计划设计为9野均分调强(intensity-modulated radiotherapy,IMRT)，将直肠癌放疗计划设计为5野均分IMRT。鼻咽癌靶区和处方为加量区鼻咽癌计划原发病灶(PGTVnx)和计划淋巴结区(PGTVnd)：69.96 Gy/33f；计划照射区(PTV)1：60.06 Gy/33f，PTV2：50.96 Gy/28f，每周5次放疗。直肠癌靶区和处方为加量区计划原发病灶(PGTV)60 Gy/30f，PTV 54 Gy/30f。逆向条件和子野分割方式等计划设计条件也一致[5-6]。调强治疗方式为静态调强(static intensity-modulated radiotherapy,sIMRT)；剂量计算网格大小为3 mm×3 mm×3 mm；子野收敛强度为8；最小子野跳数为5 monitor unit(MU)；最小子野大小为2.0 cm。全部计划使用的射线为6MV X射线。测量前把加速器的各项参数都控制在临床要求范围之内，以确保测量结果的准确和一致性。在治疗计划系统(treatment planning system,TPS)上统计两组计划的参数，分别有子野数、总跳数、子野平均跳数等。

1.3 剂量投射准确性测量剂量投射准确性参数采集设备为比利时IBA公司二维矩阵MatriXX，它由OmniPro I'mRT软件、MatriXX电离室矩阵、电源线、网线和SP34(RW3)固体水组成。其有效测量面积为24.4 cm×24.4 cm，拥有1 020个电离室，采用连续采集数据的模式，具有良好的剂量响应特性，在照射之后可立即获得结果[7]。实验使用瑞典Elekta公司Synergy直线加速器和CMS公司XiO 5.0计划系统。γ通过率采集标准参考AAPMTG119设置为剂量差异(DD)3.0%，距离符合度(DTA)为3.0 mm，排除整个测量平面上低于中心参考点处10%阈值的数据。γ通过率≥95.0%被认为计划验证通过，即剂量投射合格。

剂量投射准确性评价参数为γ通过率，其取值范围为0%～100%。剂量投射准确性越高，γ通过率越高[8]。

1.3.1无摆位误差 采集X轴和Y轴没有引入摆位误差时的γ通过率。

1.3.2引入摆位误差 摆位误差的引入途径为分别在治疗床X轴和Y轴上移动±1、±2、±3、±4和±5 mm；其中X轴负方向代表床左移，X轴正方向代表床右移；Y轴负方向代表床向机架方向移，Y轴正方向代表床向远离机架方向移。

采集10例分别单独在X轴和Y轴上引入±1、±2、±3、±4和±5 mm误差时的γ通过率。采集1例鼻咽癌和1例直肠癌同时在X轴和Y轴上引入+1、+2、+3、+4和+5 mm摆位误差时的γ通过率。

1.4 零度合成通量图从TPS上分别采集1例鼻咽癌和1例直肠癌的零度合成通量图，将其导入MatriXX自带的软件中，分析两种疾病靶区上的几何差异。

1.5 统计学处理采用SPSS 25.0分析，鼻咽癌和直肠癌子野数、总跳数、子野平均跳数，无摆位误差时鼻咽癌和直肠癌组γ通过率的比较均采用两独立样本t检验，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 鼻咽癌和直肠癌调强计划参数情况鼻咽癌子野数和总跳数比直肠癌大，子野平均跳数比直肠癌小(表1)。

表1 鼻咽癌和直肠癌调强计划参数情况

2.2 无摆位误差时鼻咽癌和直肠癌的γ通过率10例患者的γ通过率都大于95%。鼻咽癌的γ通过率为(96.02±0.76)%，小于直肠癌的(98.81±0.08)%(t=8.089，P=0.001)。

2.3 引入单摆位误差时鼻咽癌和直肠癌的γ通过率见图1、2。

图1 鼻咽癌引入单摆位误差时γ通过率变化

2.4 引入双摆位误差时鼻咽癌和直肠癌的γ通过率1例鼻咽癌同时引入X轴和Y轴+1 mm的双摆位误差时，γ通过率为93.97%；而鼻咽癌患者引入X轴+1 mm单摆位误差时，其γ通过率平均值为95.32%，Y轴引入+1 mm单摆位误差时，γ通过率平均值为95.23%。1例直肠癌引入X轴和Y轴+1 mm的双摆位误差时，γ通过率为95.71%；而直肠癌引入X轴+1 mm单摆位误差时，γ通过率平均值为98.13%，Y轴引入+1 mm单摆位误差时，γ通过率平均值为96.96%；在引入+2、+3、+4和+5 mm的误差时，鼻咽癌和直肠双摆位误差的γ通过率也都小于其相同数值单摆位误差的γ通过率。鼻咽癌和直肠癌双摆位误差时的γ通过率变化情况见图3。

图2 直肠癌引入单摆位误差时γ通过率变化图

图3 鼻咽癌和直肠癌各1例引入双摆位误差时γ通过率变化

2.5 鼻咽癌和直肠癌的零度合成通量图鼻咽癌和直肠癌的零度合成通量图(图4)可以直观地表现出两种疾病之间的一些靶区几何差异。通量图中，剂量越大，颜色越红；剂量越小，颜色越蓝。鼻咽癌的通量图为倒“U”字形，直肠癌为“O”形，鼻咽癌的靶区形状明显更复杂，对于加速器准直器系统的挑战更大。

图4 1例鼻咽癌(左)和1例直肠癌(右)的零度合成通量图

3 讨论

随着放疗技术的发展，摆位误差对患者剂量投射准确性的影响越来越明显[9-11]。李玉成等[12]分析了摆位误差对14例肺癌立体定向放射治疗计划的影响，发现摆位误差对计划的剂量学验证有较大影响，γ分析标准越严格，摆位误差的影响就越明显。孙小杨等[13]通过在Mapcheck软件中挪动采集到的剂量分布图来模拟摆位误差，分析了半导体矩阵的位置误差对计划验证的影响，他们分别在X轴和Y轴上移动±5、±2、±1 mm，绕轴旋转±5°、±2°、±1°，最后得出矩阵摆放误差超过2 mm或2°时，γ通过率下降约5%的结论。以上作者的研究结果都支持摆位误差会降低剂量投射准确性的结论，但是他们的研究过程要么只针对某种疾病，要么研究方法只能间接分析出不同摆位误差的消极影响。本文试图利用鼻咽癌和直肠癌病例，量化分析摆位误差对放疗计划剂量投射准确性的影响，从而确定不同部位疾病的摆位误差容许值，并根据鼻咽癌和直肠癌的摆位误差容许值来指导应用IGRT的频率。本研究结果显示不论是鼻咽癌还是直肠癌，引进的摆位误差越大，其γ通过率减小的趋势越明显。即随着引进摆位误差的增加，两种疾病的剂量投射准确性都下降明显。

本研究结果显示，不论是鼻咽癌还是直肠癌，在引入同样大小的摆位误差时，X轴方向的γ通过率都小于Y轴方向。这种现象的原因大致为，加速器X轴方向为光栅和钨门运动方向，光栅和钨门对剂量的修饰精度达到1 mm级别[14]，因此，剂量分布在X轴方向的修饰能力跟计划系统计算网格大小有关，一般在计划系统中计算网格设置为3 mm，所以X轴方向剂量修饰精度达到3 mm级别；Y轴方向只有钨门运动精度达到1 mm水平，而医科达加速器光栅叶片在等中心位置的投影宽度为10 mm，从而造成Y轴方向剂量修饰精度最高只有10 mm。综合以上可知，X轴方向和Y轴方向对同样大小的引入摆位误差敏感性不同，X轴方向剂量修饰的精度高，对引入摆位误差敏感性强；Y轴方向剂量修饰精度低，对引入同样大小的摆位误差敏感性差。基于此，应对患者X轴方向给予特别关注。

本研究结果显示，不引入摆位误差时，在DD3.0%、DTA3.0 mm和10%剂量阈值条件下，10例患者的剂量验证都通过了，但是两组不同计划的平均γ通过率不一样，说明不同种类疾病对摆位误差的敏感性不同。这与滕建建等[15]和杨玉刚等[16]的研究结论相一致。吴仕章等[17]也发现γ通过率与病变部位、所有射野跳数之和等有关系，同时还发现鼻咽癌平均γ通过率在所有不同疾病患者中最低，这可能跟计划的复杂程度有关。本实验中，鼻咽癌子野数和总跳数都大于直肠癌，同时不引入摆位误差时，5例鼻咽癌γ通过率平均值小于5例直肠癌的γ通过率，与以上文献结果相符。

本研究结果显示，鼻咽癌计划组中X轴和Y轴方向±2 mm及以上的摆位误差、直肠癌计划组中X轴和Y轴方向±3 mm及以上的摆位误差会被二维矩阵MatriXX检测出来。二维矩阵MatriXX对于鼻咽癌和直肠癌的这种剂量分布摆位误差检出精度的差异，可以由两种疾病的靶区在CT图像上不同大小和形状的差异分析出来。鼻咽癌的靶区形状特别复杂，在加速器准直器上的形状塑造为长条形，且边缘凹凸不平；而直肠癌的靶区形状比较圆润且边缘光滑。这种情况也与两组病例在二维矩阵MatriXX上的典型零度合成通量图相吻合。因此，直肠癌的二维平面剂量分布图在X轴和Y轴上变化没有那么剧烈，导致直肠癌的γ通过率在同样的摆位误差情况下下降没有鼻咽癌快。因此，鼻咽癌的摆位精度要求比直肠癌更高，我们需要在鼻咽癌治疗的过程中更大频率的应用IGRT设备做位置验证。同样的摆位误差会导致不同疾病患者剂量投射准确性的不同变化，不同疾病患者治疗前不同频率应用IGRT设备做位置验证对保证剂量投射准确性意义重大[18]。

以上只分析了患者摆位时水平面上X轴和Y轴方向的摆位误差情况，实际情况下，患者摆位误差还应包括Z轴方向，即患者仰卧时身体上下表面方向。但二维矩阵MatriXX只能测量机架角归零的平面剂量。因此，Z轴的摆位误差对二维平面矩阵相对剂量测量影响有限，这也与颜红兵等[19]的研究结论一致。

同时，考虑到患者在实际摆位时X轴方向和Y轴方向的摆位误差很可能同时出现。本实验检测了鼻咽癌和直肠癌各1例的一部分X轴和Y轴同时出现摆位误差时对剂量投射准确性的影响，结果显示无论鼻咽癌或直肠癌引入同样的摆位误差数值时，双摆位误差的γ通过率都小于单摆位误差。分析鼻咽癌和直肠癌在X轴和Y轴同时引入摆位误差逐渐变大时γ通过率降低的趋势，也可以看出双摆位误差时γ通过率降低更快，降低的绝对值更多。

总之，鼻咽癌在X轴或Y轴±1 mm以内、直肠癌在X轴或Y轴上±2 mm以内的摆位误差时，γ通过率可以保持在95%以上。鼻咽癌和直肠癌在X轴和Y轴方向引入双摆位误差时γ通过率下降的速度会大于引入单摆位误差时。放疗过程中摆位误差对剂量投射准确性影响很大[20-22]，要提高IGRT设备位置验证频率，尤其要提高以鼻咽癌为代表的头颈部肿瘤的位置验证频率。