三维床与六维床对肺癌图像引导放疗摆位误差校正能力的比较

张丙新,石祥礼,梁广立

(天津医科大学肿瘤医院/国家肿瘤临床医学研究中心/天津市“肿瘤防治”

21世纪以来,图像引导放疗(image guided radiotherapy,IGRT)开启了肿瘤精准放疗的新时代,IGRT可进一步提高患者的放疗精度,减小其CTV基础上的PTV外放值,以达到降低患者放疗副反应的目的[1-3]。IGRT放疗精度的提高主要通过两步实现：(1)摆位误差的计算,图像引导设备采集患者治疗前的三维或二维图像,与患者定位CT或DRR图像进行配准,计算患者的六维摆位误差,即三维平移误差[左右(x)、头肢(y)、腹背(z)]和三维旋转误差[绕x(Rx)、绕y(Ry)、绕z(Rz)]；(2)摆位误差的校正,IGRT对患者摆位误差的校正需通过加速器治疗床的位移来实现,治疗床的误差校正能力直接影响着摆位误差的校正精度,进而影响患者PTV外放值的大小。

目前,肿瘤IGRT中的图像引导设备均可以检测患者的六维摆位误差,而实际临床应用中的治疗床则主要为三维床和六维床两种,三维床主要用于x、y、z三维平移误差的校正,六维床则可进行x、y、z和Rx、Ry、Rz六维平移和旋转误差的校正。尽管肿瘤IGRT在临床中的应用日益广泛,三维床以其实用、价格低等优势仍是临床应用最广泛的治疗床[4-5],而六维床则主要装备于较为先进的放疗系统中,如Cyber Knife[6]、质子重离子放疗系统[7]、瓦里安和医科达较先进的IGRT系统等[8]。为比较三维床和六维床对患者摆位误差的校正能力,以及对患者PTV外放值的影响,本研究利用同一治疗床的三维和六维模式对中心型肺癌患者的摆位误差进行了校正比较,现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集2020年1-12月在天津医科大学肿瘤医院进行锥形束CT(CBCT)图像引导下调强放疗的中心型肺癌患者40例,随机分为试验组和对照组各20例,试验组：男15例,女5例,平均年龄(46.8±8.3)岁；对照组：男14例,女6例,平均年龄(47.2±5.5)岁,两组患者一般资料比较差异无统计学意义(P>0.05),具有可比性。所有患者均行1次/周的CBCT图像引导,放射剂量42～56 Gy,单次剂量2 Gy,每周5次；所有患者均了解并签署了图像引导放疗相关知情同意书。

1.2 设备

恒温水浴箱,胸部翼型定位板,胸部热塑体膜,CT模拟机,Pinnacle v9.8计划系统,瓦里安Vital Beam直线加速器。

1.3 定位与计划

患者均采用仰卧位,胸部热塑体膜联合翼型定位板固定,CT模拟机进行扫描,层厚3 mm,512×512像素重建,扫描完成后,将患者的CT扫描图像传送至治疗计划系统。临床医生根据ICRU 50号及62号建议进行肿瘤靶区和危及器官的勾画,物理师根据医生的靶区剂量和危及器官限量要求设计和优化治疗计划。治疗计划经临床医生和物理师确认后,患者于模拟机下进行复位,确认或重新标记肿瘤靶区。治疗计划传送至加速器治疗系统,患者开始治疗程序。

1.4 放疗实施

由两名治疗师对患者进行精确摆位,摆位完成后,进行CBCT扫描以观察患者的实际摆位误差大小。CBCT选择低剂量胸部模式(low dose thorax),扫描范围178o～182o,层厚3 mm,512×512像素重建,CBCT重建三维图像与CT定位图像进行灰度配准,采用自动配准加人工检验的方式,得到x、y、z三维平移和Rx、Ry、Rz三维旋转摆位误差。对照组采用三维床模式进行三维平移误差的校正,试验组采用六维床模式进行六维平移和旋转误差的校正,摆位误差校正完成后,再次进行CBCT扫描,以观察患者六维摆位误差校正前后的变化情况,之后开始实施治疗。

1.5 统计学处理

2 结 果

两组患者分别进行摆位误差校正前后的CBCT扫描各103次和105次。三维床校正前后对照组x、y、z三维平移误差和Rx、Ry、Rz三维旋转误差的分布范围分别为(-3.9～5.1)/(-1.7～1.7)、(-5.1～4.7)/(-2.1～1.7)、(-4.3～5.1)/(-1.9～2.0)mm和(-3.0～3.3)/(-3.0～3.4)、(-3.2～3.0)/(-3.6～2.8)、(-1.8～2.9)/(-1.6～2.9)mm；三维床校正前后x、y、z平移误差差异均有统计学意义(P=0.001、0.013、0.000),而校正前后Rx、Ry、Rz旋转误差差异均无统计学意义(P=0.064、0.209、0.140),见表1。试验组x、y、z三维平移误差和Rx、Ry、Rz三维旋转误差经六维床校正前后的分布范围分别为(-3.6～5.0)/(-1.0～1.1)、(-5.2～5.1)/(-1.3～0.9)、(-4.6～4.9)/(-1.1～0.9) mm和(-3.0～3.4)/(-0.9～1.5)(-3.2～3.1)/(-0.9～0.8)、(-1.6～2.9)/(-1.3～0.9)mm；六维床校正前后x、y、z、Rx、Ry、Rz六维方向摆位误差差异均有统计学意义(P=0.000、0.002、0.000、0.000、0.020、0.001),见表2。

校正前,对照组和试验组患者的x、y、z三维平移和Rx、Ry、Rz三维旋转误差之间差异均无统计学意义(P=0.599、0.576、0.688、0.498、0.348、0.841)；经三维和六维两种治疗床的校正以后,两组患者六维方向的摆位误差差异均有统计学意义(P=0.014、0.007、0.023、0.000、0.011、0.012),见表3、4。

表1 三维床对摆位误差的校正精度分析

表2 六维床对摆位误差的校正精度分析

表3 两组患者校正前的摆位误差比较

表4 两组患者校正后的摆位误差比较

3 讨 论

肺癌是发病率和病死率最高的肿瘤之一,放射治疗在肺癌的根治性、姑息性、辅助性治疗中发挥着重要作用。特别是随着IGRT技术的广泛应用,调强放疗、立体定向放疗、质子重离子等精确放疗技术的高剂量梯度分布优势得以充分发挥,在保证肿瘤治愈率的前提下,可有效减小肿瘤周边组织的照射剂量,降低患者的放疗副反应。IGRT可利用三维或二维图像引导系统获取和计算患者的摆位误差,用三维或六维治疗床来校正和减小摆位误差；相关研究[9-12]表明,不同图像引导系统对患者摆位误差的计算具有较好的一致性,而不同治疗床对摆位误差的校正精度则直接影响着患者PTV外放值的大小和肿瘤周边组织的照射剂量；受人体非刚性组织特点和治疗床校正精度的影响,肿瘤患者的摆位误差即使经治疗床在线校正后,仍无法消除,而是以剩余误差的形式存在。

张大伟等[13]研究显示,经三维床校正后,头颈部肿瘤患者腹背、头脚、左右方向上的剩余误差分别为(-0.14±0.51)、(0.19±0.75)、(0.20±0.58)mm；腹盆部肿瘤患者的剩余误差分别为(0.34±1.61)、(-0.32±1.52)、(-0.28±1.75)mm。本研究显示,三维床可以有效校正患者x、y、z方向的三维平移误差(P=0.001、0.013、0.000),剩余误差分别为(-0.11±0.62)、(0.39±0.85)、(0.14±0.78)mm；同时,平移误差的校正对旋转误差的影响较小,患者的旋转摆位误差在三维床校正前后差异无统计学意义(P=0.064、0.209、0.140)。

六维床伴随着IGRT的发展开始应用于临床放疗,六维床虽然可以同时校正患者的平移误差和旋转误差,但也有一定的剩余误差存在。钟伟伟等[14]利用六维床对颅内肿瘤立体定向放疗患者的摆位误差进行校正后,3个平移方向x、y、z的剩余误差分别为(0.020±0.016)、(0.012±0.012)、(0.014±0.011)cm,3个旋转方向Rx、Ry、Rz的剩余误差分别为(0.080±0.080)°、(0.076±0.075)°、(0.076±0.075)°；姜树坤等[15]利用六维床对直肠癌术前放疗患者的摆位误差进行校后,x、y、z方向的剩余误差分别为(0.01±0.09)、(-0.01±0.05)和(-0.03±0.08)cm,Rx、Ry、Rz方向的剩余误差分别为(-0.16±0.40)°、(0.36±0.31)°和(-0.01±0.25)°。与三维床对患者摆位误差的校正能力相比较,六维床对旋转误差的校正则可能有助于线性误差校正精度的进一步提高。本研究显示,两组患者校正前的摆位误差差异无统计学意义(P=0.599、0.576、0.688、0.498、0.348、0.841),经三维床和六维床校正后,两组患者x、y、z、Rx、Ry、Rz六维方向的摆位误差差异有统计学意义(P=0.000、0.002、0.000、0.000、0.020、0.001)。试验组患者不仅旋转误差的剩余误差明显小于对照组,而且平移误差的剩余误差也小于对照组。此现象产生的原因在于：CBCT图像与CT图像间的配准是对配准区域内的肿瘤及周边组织进行的相似性配准。申红峰等[16]、黄家文等[17]研究指出肿瘤放疗患者的三维旋转误差与三维平移误差存在不同程度的相关性,三维床虽然可以校正患者的线性误差,但无法有效校正旋转误差,旋转误差的存在,影响线性误差的进一步校正；而六维床则可以同时校正患者的线性误差和旋转误差,旋转误差的校正则有助于线性误差的进一步减小。因此,在对IGRT患者的摆位误差进行校正时,六维床的校正精度要高于三维床。

肿瘤患者的常规放疗中,患者的摆位误差直接影响其PTV外放值的大小,对于行IGRT的肿瘤患者而言,其PTV外放值的大小则主要受患者剩余误差的影响。本研究中,利用三维床进行对照组患者的摆位误差校正后,患者x、y、z方向的剩余误差分别为(-1.7～1.7)、(-2.1～1.7)、(-1.9～2.0)mm,其PTV外放值可设置为1.7、2.1、2.0 mm；利用六维床进行试验组患者的摆位误差校正后,不仅Rx、Ry、Rz方向的旋转误差得到有效校正,其x、y、z方向的剩余误差也小于对照组,分别为(-1.0～1.1)、(-1.3～0.9)、(-1.1～0.9)mm,其PTV外放值设置为1.1、1.3、1.1 mm即可,说明六维床可提供比三维床更小的PTV外放值,较小的PTV外放值为更进一步降低患者的放疗副反应提供了可能。

综上所述,在肿瘤的IGRT中,图像引导设备可以精确检测患者的实际摆位误差,而患者摆位误差校正则是由治疗床来完成；与传统的三维治疗床相比,六维治疗床具有更高的摆位误差的校正精度,可更有效地减小患者的PTV外放值,进而更有效地降低患者的放疗副反应。因此,在肿瘤的IGRT中,应优先选择六维治疗床进行患者摆位误差的校正。