基于KV-CBCT影像引导下非小细胞肺癌调强放疗的摆位误差分析

张利，倪千喜，余功奕

湖南省肿瘤医院 放疗科放射物理技术部，湖南 长沙 410013

引言

调强放射治疗（Intensity-Modulated Radiotherapy，IMRT）是一种高强度的精确放疗技术，具有高度适形和均匀的靶区剂量分布等优势，研究表明，IMRT 能够提高非小细胞肺癌（Non-Small Cell Lung Cancer，NSCLC）肿瘤的照射剂量和降低重要器官（肺、心脏、脊髓等）的照射剂量[1-3]及放疗不良反应，故IMRT 已广泛运用于非小细胞肺癌放疗中[4-5]。然而，由于这些精确的IMRT 技术使靶区边缘到相邻危及器官（Organ at Risk，OAR）的剂量跌落很大，患者实际剂量分布容易受到微小的摆位误差和器官位置变化而产生显著的差异[6-8]，为保证肿瘤控制率和避免正常器官放射损伤，在使用IMRT 技术对患者实施放疗的过程中必须保持具有相当高的准确性和重复性。因此如何降低放疗摆位误差已成为放疗需要解决的重点问题。近年来，IGRT 从二维的千伏特（Kilovolt，KV）X 射线摄片、电子射野影像装置（Electronic Portal Imaging Device，EPID）已发展为三维千伏级锥形束CT（Kilovolt Cone-Beam Computed Tomography，KV-CBCT）。 基 于 机 载 的KVCBCT 的图像引导放射治疗（Image Guided Radiotherapy，IGRT）可以在实施放疗前获得解剖影像、体积、位置等反馈信息，并能够准确评估并调整摆位误差和剂量校正，确保非小细胞肺癌的精确治疗。目前，国内外许多学者针对肺癌放疗时的摆位误差大小进行了相关研究[9-11]，但摆位误差对计划剂量分布的影响尚鲜见报道。在精准影像引导下调强治疗时代，本研究针对非小细胞肺癌放疗摆位误差大小，以及摆位误差对放疗计划剂量分布的影响进行了分析，旨在利用KV-CBCT 引导图像探讨NSCLC 放疗摆位误差及其对靶区和正常组织剂量的影响。

1 材料与方法

1.1 一般资料

本研究随机选取2019 年4 月至2020 年1 月在我院放疗科行调强放射治疗的60 例非小细胞肺癌患者作为研究对象。其中男性40 例，女性20 例；年龄38～76 岁，中位数56 岁；肿瘤部位：左肺31 例，右肺29 例；肿瘤类型：鳞癌35 例，腺癌25 例；肿瘤分期采用AJCC 分期标准，其中ⅢA 期25 例，ⅢB 期23 例，Ⅳ期12 例。纳入标准：所有病理检查结果均为非小细胞肺癌初治患者；肺部病灶有放疗指征，未行手术切除患者。排除标准：无完整的周期性KV-CBCT 图像患者；中途因为某种原因放疗中断的患者。本研究所有患者均签署知情同意书并得到医院伦理委员会的批准。

1.2 体位固定与4DCT模拟定位

患者平躺仰卧于一体化托架上，双手上举握住托架立杆，采用一体化体架结合胸腹部热塑体膜体位固定技术，固定体位后使用瓦里安公司呼吸门控实时位置管理系统（Real-time Position Management，RPM）采集重建患者呼吸运动周期性曲线，根据重建的呼吸周期信息评估患者呼吸平稳后在大孔径模拟螺旋CT（Big Bore Brilliance，Philips）下进行四维计算机断层扫描（4 Dimensional Computed Tomography，4DCT）技术增强图像扫描，扫描范围为颌下至膈下5 cm，全肺包括在内。扫描层厚为2.5 mm，层间距为2.5 mm，扫描电压120 kV，电流80 mA，扫描完成后，将图像重建生成的4DCT 影像数据以DICOM 格式通过局域网上传至软件Eclipse 计划操作系统。

1.3 靶区勾画和放疗计划的制定

高年资放疗医生根据ICRU 50 号[12]和ICRU 62[13]号报告的标准勾画靶区。大体肿瘤体积（Gross Tumor Volume，GTV）为在CT 图像肺窗以及纵膈窗下勾画的肺内肿瘤和纵膈所累范围，临床靶体积（Clinical Target Volume，CTV）根据肺间质内病变的影像学及病理类型在GTV 外扩6 mm 或8 mm 形成，计划靶体积（Planning Target Volume，PTV）参照患者呼吸运动和摆位误差等因素在CTV 外扩形成，同时勾画双肺、心脏、脊髓等正常组织。放疗处方剂量PTV D95为60～66 Gy，28～30 次，2.0～2.2 Gy/次。在Eclipse 工作站上医学物理师按照医嘱要求为每例患者分别设计个体化、最优化的调强治疗计划Planapproved，治疗计划通过治疗前剂量验证后上传到VARIAN Trilogy 加速器实施治疗。

1.4 CBCT图像扫描和摆位误差验证

患者按定位时的体位与固定技术仰卧于加速器治疗床上进行放疗。在进行CBCT 扫描之前，每周需对锥形束CT进行常规检测和质量保证[14]。放疗技师将激光灯调整到肿瘤中心标记线后，利用VARIAN Trilogy 影像引导系统进行KV-CBCT 图像扫描和摆位误差验证。资深放疗技师采用自动（骨组织或灰度）和手动相结合的配准技术在线匹配KV-CBCT 和定位CT 两套图像，在线匹配分析获得患者实际照射与治疗计划两者等中心位置在左右（X 轴）、头脚（Y轴）、前后（Z 轴）三维方向上摆位误差。当任意三维方向大于摆位阈值5 mm 时，进行位置校正。KV-CBCT 扫描频率为首周每天1 次，之后每周1 次。

1.5 模拟治疗计划及评估

在基于OBI 测得的60 例患者的摆位误差中选取40 例输入Eclipse 计划系统，模拟出未移床时治疗中心坐标，按治疗计划的处方剂量要求不改变任何射束和优化条件等参数，只需重新计算放疗计划，模拟每周期的没有在线位置校正时计划剂量分布，然后将每周期的剂量分布进行叠加计算得到总的没有进行在线校正位置的剂量分布，将其命名为Plansum，最后将Plansum与最初计划剂量Planapproved进行比较，获取靶区D95、Dmean和危及器官的剂量学指标参数和体积变化参数，其中，靶区的评价指标为PGTV（D95、Dmean）、PTV（D95、Dmean），危及器官的评价指标为脊髓（Dmax、V10、V20、V30、V40）、肺组织（不包括GTV 的肺体积，V5、V10、V20、V30、V40、Dmean）、 心 脏（V10、V20、V30、V40、Dmean）、食管（V10、V20、V30、V40、Dmean、Dmax），将其变化差异作为摆位误差对非小细胞肺癌的剂量影响。

1.6 数据分析

采用SPSS 22.0 软件对摆位误差数据进行统计学分析，为避免数据正负相抵，所有摆位误差值均取绝对值，结果用（±s）来描述；研究摆位误差对剂量分布的影响采用配对t检验，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 摆位误差大小和各区间百分比分布

60 例患者位置校正前摆位误差，每例患者整个疗程中进行8～10 次图像引导摆位误差验证，合计588 人次图像引导摆位验证数据，如表1～2 和图1 所示，左右（X）、头脚（Y）、前后（Z）方向摆位误差分别为（1.8±1.5）、（2.5±1.9）、（2.2±1.5）mm，绝对最大值分别为8.2、14.0、9.8 mm。

表1 60例非小细胞肺癌患者校正前摆位误差大小（mm）

图1 60例非小细胞肺癌患者588次校正前摆位误差数据分布图

表2 60例非小细胞肺癌患者校正前摆位误差区间百分比[n(%)]

2.2 摆位误差对剂量分布影响

如表3 所示，Plansum中的危及器官肺组织V5、V20、V30、V40、Dmean分 别 为Planapproved的101.2%、101.2%、103.3%、102.9%、101.5%；心脏V10、V20、V30、V40、Dmean分 别 为Planapproved的102.1%、102.6%、107.0%、112.1%、105.1%；靶 区PTV D95、PTV Dmean分 别 为Planapproved的94.9%、95.7%，PGTV D95、PGTV Dmean分 别 为Planapproved的95.5%、96.2%；其中Plansum与Planapproved靶区剂量学指标差异具有统计学意义（P＜0.01），危及器官的剂量学指标差异无统计学意义（P＞0.05）。

表3 40例非小细胞肺癌患者肿瘤及重要器官最初治疗计划照射剂量与模拟实际照射比较

3 讨论

虽然IMRT 在NSCLC 的放疗中的地位是越来越高，然而，由于IMRT 使得靶区与危及器官之间的剂量跌落更加陡峭，而减少摆位误差是靶区剂量分布能够正确投递的重要方法。因此，在患者放疗之前使用CBCT 影像引导系统进行摆位误差验证并给予校正至关重要。

摆位误差中包括系统误差和随机误差两部分，系统误差与放疗设备的机械误差（激光灯、光距尺等到位精度）的不确定度有关；随机误差与器官的生理运动变形、技术员的摆位质量、身体不可控制移动等多重不确定性有关。Erridge 等[15]分析了25 例非小细胞肺癌的摆位前扫描图像，研究表明，在校正之前有41%的患者的摆位误差超过5 mm；Borst 等[16]研究表明，未经过位置校正，有51%的患者摆位误差超过5 mm；许峰等[17]分析5l 例胸部患者353 次CBCT 摆位误差数据，结果表明，胸部肿瘤摆位误差较大，10% 的治疗摆位误差在左右、前后方向均接近5 mm，头脚误差大多数在10 mm 附近，最大可达18.9 mm。本研究中对60 例非小细胞肺癌患者进行了588 次在线摆位误差分析，结果表明，左右（X）方向、头脚（Y）、前后（Z）方向的摆位误差几乎都能控制在5 mm内，但在摆位过程中，个别出现较大的偏差，左右（X），头脚（Y），前后（Z）绝对最大的摆位值分别为8.2 mm、14.0 mm、9.8 mm；相对来说，本研究摆位误差结果比以上学者的研究结果更小，可能与科室放疗设备质控质量和技术员摆位水平不一致有关。本研究中左右（X）、头脚（Y）、前后（Z）方向摆位误差分别为（1.8±1.5）、（2.5±1.9）、（2.2±1.5）mm；曹晓辉[18]分析了30 例非小细胞肺癌患者在线校正的270 次CBCT 摆位误差，研究表明，在X、Y、Z 三个方向的系统误差分别为2.26、4.21、2.81 mm，在X、Y、Z 三个方向的随机误差分别为1.72、3.53、1.79 mm；朱晟超等[19]同样也报道了30 例非小细胞肺癌患者的摆位误差在X、Y、Z 三个方向分别为（-0.40±2.81）、（1.40±5.18）、（-0.80±2.15）mm；本研究结果与以上研究结果类似，头脚（Y）方向摆位误差最大、前后（Z）方向次之、左右（X）方向最小，提示在摆位过程中注意头脚（Y）方向和前后（Z）方向的摆位。进一步分析引起非小细胞肺癌摆位误差的原因主要有以下几点：① 放疗设备的机械误差（激光灯、光距尺等到位精度）的不确定；② 患者使用的热塑体膜贴紧包裹着患者的身体各个部位，从而限制了左右（X）和前后（Z）两个方向的位移，而头脚（Y）方向体膜是放空的，无法避免多重因素导致的身体不自主的头脚（Y）的移动误差，前后（Z）方向的摆位误差可能是患者肺部呼吸运动引起肿瘤中心标记线上下浮动引起技术员摆位视觉的误差导致的；③ 患者器官的生理运动和自身不可控制的移动，如呼吸运动、心脏跳动等；④ 体重变化导致的胸部轮廓与热塑体膜贴合的松紧度改变；⑤ 定位CT 扫描周期短仅需1.5 s，CBCT 扫描周期大约1 min，在扫描过程中因运动信息的不一致而导致的配准误差；⑥ 技术员的摆位技术和质量的不一致。

大量研究表明，非小细胞肺癌调强放疗提高了肿瘤增益比，但由于其陡峭的剂量跌落，分次放疗摆位误差越大，引起肿瘤被放射的真实剂量与设计的治疗计划的“静止”剂量差异越大，进而可能会导致肿瘤失控或者正常器官发生无法逆转的放射损伤[20-22]。因此精确的位置保证技术是保证精确的调强放疗技术质量的重要前提。本研究将40 例非小细胞肺癌未校正位置时模拟计划照射剂量Plansum与最初计划剂量Planapproved进行了比较，结果表明，摆位误差会使靶区实际照射剂量比最初治疗计划剂量减少，差异具有统计学意义（P＜0.01）；本研究中危及器官肺组织实际照射的V5、V20、V30、V40、Dmean分别为Planapproved的101.2%、101.2%、103.3%、102.9%、101.5%；心 脏V10、V20、V30、V40、Dmean分别为Planapproved的102.1%、102.6%、107.0%、112.0%、105.1%，可见危及器官未校正位置时模拟照射剂量比最初治疗计划剂量有所增加，但差异无统计学意义（P＞0.05），从数值上肺组织和心脏的高剂量受照射的体积与最初治疗计划比较，差异有逐渐增加的趋势，放射性肺炎与放射性心肌炎发生概率也随之增加，与曹晓辉[23]研究结果类似，如果继续有选择性增加研究的样本量，有可能会得出有统计学差异性的结果；脊髓的V10、V20和Dmean与最初治疗计划比较有所增加，但V30、V40较最初治疗计划有所减少，Dmax、D1cc与最初治疗计划比较无明显差异，分析原因为脊髓与肿瘤相对空间的位置不同，摆位误差方向存在随机性和不确定性，从而导致了脊髓受量的不确定性，当摆位误差偏向脊髓时，增加了脊髓放射剂量，进而增加了放射性脊髓炎发生率；同理当摆位误差背向脊髓时，脊髓放射剂量减少；食管的V10、V20、V30、V40、Dmean较最初治疗计划都有所减少，分析原因考虑为在所选择的病例中部分食管被包裹于靶区内，因此摆位误差对食管的影响与对靶区的影响一致。

4 结论

综上所述，摆位误差会使靶区实际照射剂量比最初治疗计划剂量减少，且由于摆位误差的存在，会导致靶区剂量不足和危及器官照射剂量增加，因此在非小细胞肺癌调强放射治疗中进行基于图像引导下的在线自适应放疗摆位误差的监测和校正是非常重要的，特别是靶区与正常组织贴近时，很有必要增加摆位验证次数，为了更好地保护危及器官，在正常组织外进行一定外扩形成PRV，对PRV 进行严格剂量限制。通过在线的自适应位置校正，归纳出摆位误差的规律，从而指导患者更加精准、个性化治疗。