TOMO 与C 型臂加速器在头颈部肿瘤放疗中的摆位误差分析

张 伟，冯 鑫，张彦新，郇福奎，黄 鹏，胡志辉，李 伟，覃仕瑞，罗京伟

（国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科，北京100021）

0 引言

螺旋断层放疗加速器TOMO 具有独特的同源双束设计，尤其对多发病灶和紧邻重要脏器或组织肿瘤的治疗有显著优势。TOMO 集高精度放射线疗法和影像引导放疗于一体[1-2]，但随着先进设备的引入，更精准的放疗技术，如体部立体定向放疗（stereotactic body radiotherapy，SBRT）等对治疗时的摆位精度提出了更高的要求。国内外多项研究表明，摆位重复性的高低是放疗成功与否的关键因素之一，摆位重复性与患者体位的固定方式、设备的精度、放疗技师个人的工作质量有着密切的关系[3-4]。头颈部肿瘤的发病率逐年增加，采用加速器进行放疗已成为治疗头颈部恶性肿瘤的主要方法之一[5]。根据机架形式，TOMO 为滑环结构，其他品牌的加速器多为C 型臂结构。头颈部肿瘤放疗时的摆位误差在TOMO 与C 型臂加速器上是否有差别还鲜有报道，本研究旨在分析比较二者的摆位误差，为头颈部肿瘤放疗时的计划靶区（planning target volume，PTV）外放范围提供数据依据。

作者简介：张 伟（1980—），男，主要从事图像引导放射治疗方面的研究工作，E-mail：zhangwei0312@163.com。

通信作者：覃仕瑞，E-mail：shiruiok@126.com

1 资料与方法

1.1 临床资料

回顾性收集2016 年10 月至2020 年9 月就诊于中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科的149 例头颈部肿瘤患者的临床资料，其中男性104例、女性45 例，年龄为12～81 岁，中位年龄54 岁。纳入标准：（1）头颈部肿瘤需要做放疗的患者；（2）患者一般情况较好，所有患者KPS 评分≥70 分；（3）固定装置均为头颈肩固定架和头颈肩膜；（4）锥形束CT（cone beam CT，CBCT）或MV 级CT 扫描次数大于5次。排除标准：（1）靶区位置超出头颈范围；（2）无法完成完整放疗疗程；（3）治疗期间体质量发生明显变化。病例分布及图像引导数据详见表1，其中79例行TOMO 放疗（TOMO HT，USA），70 例行C 型臂加速器调强放疗（所用设备为Varian Edge 和Varian Novalis，USA）。TOMO 和所选C 型臂加速器治疗床精度皆为亚毫米级（0.1 mm）。

表1 患者病例分布及图像引导次数

1.2 CT 定位和计划设计

所有患者均取仰卧位，双手平放于体侧，辅助使用全碳素纤维头颈肩固定底板与配套的头枕底座，根据患者颈部曲度选择不同型号的头枕，使用头颈肩热塑网膜进行固定，在膜体上勾画出3 个“十”字标记线作为摆位治疗标记，扫描层厚和层距均为3 mm。嘱患者平静自由呼吸，将CT 采集的影像传输至Pinnacle 计划系统，由临床医师进行靶区勾画、物理师制订治疗计划，计划经验证后传输到TOMO 或C 型臂加速器以及配套的软件系统。经临床医生批准后，行剂量验证，验证通过后即可实施治疗。

1.3 图像引导和摆位误差记录

每次治疗时由2 名放射治疗师进入机房同时进行摆位固定，然后进行MV 级CT 扫描（扫描条件选取Normal，扫描层厚为3 mm）或kV 级CBCT 扫描。参考《放射治疗质量控制基本指南》要求[6]，扫描采用第1 周每天扫描，之后每周扫描1 次的方式。扫描完成后，将当日影像和模拟CT 定位影像进行自动配准，并经人工确认后记录各方向上的摆位误差，相同的病种按照统一范围的配准框和配准原则进行配准。

1.4 摆位误差分析

统计摆位误差的分布情况，分析比较患者实际摆位和治疗计划中心位置在X（左右）、Y（头脚）、Z（腹背）方向上的误差绝对值。TOMO 由于存在床板沉降情况，因此首次治疗后系统会记录并纠正床值。本科室在利用TOMO 治疗患者的摆位过程中，首次摆位后会沿用修正之后的Z 值，而X 和Y 方向依旧使用患者治疗中心的“十”字标记线进行摆位，所以本研究在统计数据时剔除了TOMO 所有首次治疗的摆位误差数据。

1.5 PTV 外放边界计算

利用摆位误差原值，根据van Herk[7]的研究计算平均摆位误差M（各个患者摆位误差平均值的平均值）、系统摆位误差Σ（各个患者摆位误差平均值的标准差）、随机摆位误差δ（各个患者摆位误差标准差的均方根）。根据公式MPTV=2.5Σ＋0.7δ 分别计算出采用不同类型加速器治疗的2 组患者的临床靶区（clinical target volume，CTV）外扩至PTV 时各方向的外放边界。

1.6 统计学方法

采用IBM SPSS 22.0 软件分析各方向的摆位误差绝对值，摆位误差绝对值用x¯±s 表示。符合正态分布的数据，组间比较采用配对样本t 检验；不符合正态分布的数据，组间比较采用Mann-Whitney U 检验，P＜0.05 为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 摆位误差分布

TOMO 和C 型臂加速器在X、Y、Z 方向的摆位误差分布以误差范围1 mm 进行分组，依次统计摆位误差偏差在5 mm 以内及以外的频次和累积占比，详见表2。由表2 可知，在0～4 mm 的误差范围内，TOMO的误差分布频次占比均大于C 型臂加速器，即在0～4 mm 的误差范围内，TOMO 的摆位误差相较于C型臂加速器分布更集中。

表2 TOMO 和C 型臂加速器在三维方向上的摆位误差分布 单位：频次（%）

2.2 TOMO 与C 型臂加速器治疗患者摆位误差绝对值对比

由于数据不属于正态分布，故使用Mann-Whitney U 检验，详见表3。结果显示，在X、Y 和Z 方向上，TOMO 的摆位误差均小于C 型臂加速器，且差异具有统计学意义（P＜0.05）。

表3 TOMO 与C 型臂加速器治疗患者的摆位误差绝对值比较 单位：mm

2.3 PTV 外放边界对比

使用TOMO 和C 型臂加速器治疗的患者在X、Y、Z 方向的Σ、δ 和M 见表4。从表4 可知，在X、Y、Z方向上，TOMO 在摆位方面呈现出的Σ 和δ 均小于C 型臂加速器；同时根据公式MPTV=2.5Σ+ 0.7δ 计算在X、Y、Z 方向上CTV 外扩至PTV 的外放边界（见表5），可见在三维方向上，TOMO 所需的外放边界均小于C 型臂加速器。

表4 TOMO 与C 型臂加速器治疗患者的M、Σ 和δ 比较单位：mm

表5 TOMO 与C 型臂加速器治疗患者的CTV 外扩至PTV 的外放边界比较单位：mm

3 讨论

随着放疗技术的发展，越来越多的新技术和新设备应用于临床。有研究指出，与传统放疗技术相比，先进的技术会使靶区及其他感兴趣区域的适形度更高，边缘剂量跌落更快，摆位误差对精准治疗的影响更大[8]。而头颈部的重要器官比较集中，解剖关系复杂，对放疗位置的精准度提出了更高的要求[9]。TOMO的机架形式和治疗床的运动形式均与常规C 型臂加速器有明显不同，本研究从摆位误差方面分析和比较二者的差异。

从本研究结果可以看出，TOMO 在X、Y 和Z 方向的摆位误差均明显小于C 型臂加速器；TOMO 的系统摆位误差Σ 和随机摆位误差δ 也均小于C 型臂加速器。朱夫海等[10]分析了34 例采用TOMO 治疗的头颈部网面固定患者的摆位误差，得出在X、Y、Z 方向上CTV 外扩至PTV 的外放边界分别为3.31、5.32和3.35 mm，X 方向与本研究结果相似，Y 和Z 方向比本研究结果略大。刘晓东等[11]对35 例TOMO 治疗的头颈部肿瘤患者的摆位误差进行分析，得出在X、Y、Z 方向上的摆位误差分别为（0.97±0.89）、（1.58±1.08）和（1.06±0.83）mm；张校铭等[12]比较了采用C 型臂加速器（瓦里安Trilogy）治疗时4 种不同的头颈部固定技术的摆位误差，其中头颈肩联合热塑膜在X、Y、Z 方向上的摆位误差分别为（1.33±1.42）、（1.43±1.71）和（1.57±1.91）mm。2 项研究结果均与本研究结果相似。当然，各治疗中心的数据存在差异，除受到机器本身差异的影响外，治疗师的责任心、经验以及从定位到治疗流程的规范性也是很重要的影响因素。

TOMO 在Z 方向上存在床板沉降情况，看似引入了新的系统误差，但有文献指出[13]，等中心处治疗床的沉降值与治疗床等中心前的承重呈良好的线性关系，在患者体质量不发生重大变化、固定装置与床板的相对位置一致的情况下，对于同一患者，治疗床在治疗位置的沉降是基本稳定的。TOMO 完成初次治疗后，会选择拷贝床值以修正Z 方向的误差，在以后的分次治疗时会应用治疗床的校正值，从而减少Z方向的摆位误差[14-15]。基于这一操作方式，使用TOMO治疗的患者在首次治疗时都相当于进行了一次Z 方向上的“校准”。而C 型臂加速器的治疗过程是直接使患者的治疗中心与加速器的等中心（激光灯）重合，然后行图像验证。如果Z 方向上的误差在临床允许范围内，或者经过前几次的图像引导验证未观察到方向一致的偏差，治疗师一般不会申请校位或重新标记摆位中心，这也是TOMO 在Z 方向的随机摆位误差较小的主要原因之一。另外，TOMO 可以通过自动调整开始治疗时的机架角度来纠正患者在10°以内以“Y”方向为中心轴的旋转（Roll）误差[16]，因此TOMO的图像配准采用的模式是“Translations+Roll”，即在平移的同时也计算了患者RY方向上的旋转，Roll 的修正会抵消一部分X、Z 方向上的平移误差[17]，这是TOMO 在X 和Z 方向上摆位误差较小的原因之一。

有研究指出，TOMO 与C 型臂加速器相比，TOMO在剂量分布、降低危及器官剂量和减少不良反应等方面具有优势[18]，PTV 剂量分布更均匀，对关键危及器官，如脊髓、脑干保护得更好[19]，与本实验的研究结果有相通之处。根据本研究的结果，TOMO 治疗头颈部肿瘤更具优势，但是在实际临床中，需要考虑一部分身体自主控制性较弱的患者，这些患者会因为TOMO 治疗时间长、舒适度降低，在治疗过程中发生体位上的改变，可能增大剂量学差异。另外，一般情况下，TOMO 的收费标准高于常规加速器[20]，采用何种设备也应根据患者的实际状况进行选择。

当然本研究也存在一些不足之处：由于客观条件所限，所选病例在病种的分布和数量上不能完全按比例对应，同时收集病例的时间跨度较大，可能对实际结果造成一定程度的影响。在未来的研究中，将增加病例数量，并逐步延伸至剂量学的比较，从而为临床选择加速器提供更加准确的参考。