基于红外定位系统的放疗摆位偏差预警系统对头颈肩膜形变的分析与研究

黄新阳，周俊东，吴传锋，褚耀华，胡睿，葛云

1.南京大学电子科学与工程学院，江苏南京210046；2.苏州市立医院，江苏苏州215000

前言

放射治疗是恶性肿瘤最重要的治疗疗法之一，它具有提高肿瘤局部控制率和生存率、减少健康组织和器官损伤等优点［1-2］，临床效果显著。摆位精度与放疗疗效密切相关［3-5］。影响肿瘤放疗摆位精度的因素众多［6-7］，其中热塑膜的变形程度就与其密切相关。膜的变形必然会影响摆位精度，特别会降低激光灯摆位精度，对锥形束计算机断层扫描（Cone Beam Computer Tomography,CBCT）的摆位配准也有很大影响［8］。造成膜变形的原因有很多，主要有临床实际操作中因人体体姿错误导致的扣膜时膜的变形，同时也包括治疗过程中人体体型的变化或组织移动、呼吸牵动等［9-11］。

膜变形程度容易被忽视，主要原因为膜的变形度一直以来通过人工观察，无法进行量化计算表达。本文基于放疗红外定位系统（Optical Positioning System, OPS）创新研发了一款放疗摆位偏差预警系统［12］，通过该系统对临床放疗摆位时产生的头颈肩膜变形数据进行分析，研究头颈肩膜变形度的偏差情况及稳定性。选择头颈肩膜进行研究的主要原因为临床专家通常认为头颈肩膜的变形微乎其微，而实际情况却仍然存在不少问题。

1 材料与方法

1.1 一般资料

本研究随机选取头颈部癌症治疗患者23 例，其中男性14 例，女性9 例，年龄37～87 岁，平均年龄（67±12.4）岁。所有患者均采用热塑膜对头颈部进行固定。

1.2 基于光学定位系统的摆位数据采集

1.2.1 系统原理 OPS 通过实时监测患者体表定位标志球的位置间接实时计算病灶中心坐标，并将其与注册的加速器等中心对齐［13-14］。CT 图像坐标系与红外监控坐标系之间的关系可通过6 自由度刚体转换矩阵进行描述，如下所示：

其中，xct、yct、zct为CT 坐标，x、y、z则为红外坐标。转换矩阵T由6个自由度变量确定，其中，φ、θ、ω分别是左右（LR）轴，下上（IS）轴和前后（AP）轴的旋转角度，Tx、Ty、Tz则为LR、IS及AP方向上的平移距离。

由此该系统可采集到详细的治疗信息，主要的信息和转换关系如图1所示。

图1 不同坐标系下的信息及转换关系图Figure 1 Information and conversion diagrams in different coordinate systems

治疗信息主要包括红外监控坐标系下的注册等中心Iops，通过转换矩阵T转换成CT 坐标系下的实际治疗中心Ict，以及肿瘤中心Itumor与Ict的偏差（摆位偏差）∆B。实际应用中，通常在患者体表热塑膜上固定6 个红外定位球，因参与计算的定位球数目不一，故记录下实际定位球数目Nm、膜球变形度Dmb（实际定位球Pm1',…,Pm6'与CT 定位球Pct1,…,Pct6的偏差距离）等。

1.2.2 患者摆位数据采集过程 基于OPS引导的头颈部癌症患者摆位数据采集流程如图2a 所示。先用头颈肩热塑膜固定患者，再在膜上标记十字线同时固定6 个红外定位球（图2b）。使用OPS 在放疗摆位期间实时跟踪红外定位球，通过上述的转换关系进行计算，从而记录下患者摆位时产生的各种数据。

图2 OPS摆位数据采集及定位球粘贴Figure 2 OPS positioning data collection and positioning ball sticking

1.3 放疗摆位偏差预警系统

搭载OPS 的放疗摆位偏差预警系统采用C/S 设计模式研发，通过对OPS 的数据进行分析处理，可及时发现放疗中存在的各种问题，量化分析问题产生的原因，实时或及时地提醒和纠正错误。系统使用过程如图3 所示，首先启动该系统，此时会自动检测数据库中是否存在患者放疗数据，若不存在则使用OPS 对患者进行摆位并采集数据；若已存在，则对数据进行算法分析，找出可能存在的注册误差、体膜变形等问题。

图3 放疗摆位偏差预警系统Figure 3 Early warning system for setup errors in radiotherapy

1.4 评价方法

患者放疗疗程中可能存在各种原因导致的膜变形，定位标记的位置也会相应产生变化。文章对每个患者的每次摆位数据进行检测，当头颈部的膜球变形度小于1.0 mm 时，则认为刻膜误差在正常范围内，不影响此次摆位。进一步计算正常范围内的数据占比以及非正常范围（2.0～6.0 mm）内的占比从而判断其稳定性。

2 结果

本文统计了23 位患者多次放疗的头颈部摆位数据。表1 显示了6 个红外定位球膜球变形度的偏差，总体偏差值在1.0 mm 左右。图4 表示各定位球膜球变形的分布情况，其中黑色实线代表中位线，蓝框上下分别为上下四分位线，红色虚线表示1.0 mm 的值。各定位球膜球变形度≤1 mm 的数据占比：1 号定位球70.3%、2 号球62.0%、3 号球57.4%、4 号球61.8%、5 号球70.5%、6号球65.5%。

表1 23例头颈部癌症患者不同定位球膜球变形度的偏差分析（mm）Table 1 Analysis of the membrane ball deformations of different positioning balls in 23 patients with head and neck cancer(mm)

图4 各定位球膜球变形度箱图Figure 4 Box diagram of membrane ball deformation of each positioning ball

对于头颈部癌症，膜球变形度整体数据分布较为集中，离群值较少。进一步计算差异为1.0 mm 以上的数据占比从而判断数据的分布区间及其稳定性。如图5 所示，各个定位球膜球变形度在1～2 mm、2～3 mm、3～4 mm、4～5 mm、5～6 mm 以及>6 mm 区间的数据占比分别为：1 号球27.4%、1.8%、0.5%、0.0%、0.0%、0.0%；2 号球34.7%、1.8%、1.1%、0.2%、0.2%、0.0%；3 号球37.9%、3.1%、1.1%、0.3%、0.0%、0.2%；4号球30.2%、5.0%、2.1%、0.4%、0.3%、0.2%；5 号球25.8%、2.2%、0.3%、0.5%、0.2%、0.5%；6 号球25.8%、6.2%、1.3%、0.0%、0.5%、0.7%。

图5 各定位球膜球变形度不同范围内占比Figure 5 Proportion of the membrane ball deformation of each positioning ball in different ranges

3 结论

随着放射治疗技术的不断发展，治疗精度虽然得到了不断提高，但较小的摆位误差都会导致靶区或危及器官剂量较大的改变，因此摆位技术仍是放射治疗执行端的重中之重［15-16］。本文基于OPS 放疗摆位偏差预警系统对头颈部癌症患者的膜球变形度数据进行量化分析，结果表明：头颈部使用热塑膜固定时，膜球变形度只有64.6%处于正常范围内，相对较为稳定。仍有30%以上处于正常范围之外，头颈肩膜的变形较大，肯定会影响摆位精度。

针对膜球形变程度较大的情况，笔者给出两种建议：第一，当膜球变形度偏差总体比较大，临床专家判断是患者体型发生了明显变化（和CT 计划时比较明显变廋）时，应当重新制膜、扫描CT、重做治疗计划系统（Treatment Planning System,TPS）计划。若考虑到资源时间等因素，可先进行在线校正，结果不理想再选择重新制膜。第二，当部分膜球变形度偏大，临床专家判断是患者当前体姿状态与CT 计划状态有较大偏差时，可以引导病人微调体姿，或重新扣膜。

热塑膜固定是目前头颈部放射治疗中较常用的体位固定技术［17-18］，由于其操作方便，在治疗过程中可提高工作效率。然而热塑膜变形会导致患者无法重复定位或因热塑膜相对变松导致的摆位误差增大等问题着实影响着放疗的精确度。本文提出的预警系统所依赖的OPS 系统作为一种无辐射低成本的摆位方法，不仅具有较高的定位精确程度［19-20］，而且可以通过将实时采集到的膜球变形度等摆位数据传给预警系统进行分析，从而快速计算膜的形变程度供医生参考，在临床上具有重要价值。