CBCT引导下对三维治疗床与六维治疗床配准放疗摆位误差的研究

2024-04-26易良波岳海振李俊禹胡鉴颀陈吉祥毛继卢子红王钦

中国医疗设备 2024年4期

易良波，岳海振，李俊禹，胡鉴颀，陈吉祥，毛继，卢子红，王钦

1. 什邡市人民医院肿瘤科放疗室，四川德阳 618400；2. 北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所（放疗科）/恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室，北京 100142；3. 首都医科大学附属北京世纪坛医院放疗科，北京 100038

引言

作为主流放疗技术，容积旋转调强放射治疗在靶区适形度和均匀性以及危及器官保护方面独具优势，但在剂量投递精度方面，对摆位精度相关的软硬件设备提出了更高的要求[1-3]。基于千伏级机载锥形束CT 和高精度治疗床的图像引导放射治疗技术（Image Guided Radiotherapy，IGRT）有效提高了肿瘤治疗的摆位精度和治疗效果[4-7]。

临床实践中，相对于三维治疗床，在锥形束CT（Cone Beam CT，CBCT）与定位CT 图像进行刚性配准时，六维治疗床可提供6 个维度的校位信息，包括3 个平移方向和3 个旋转方向，对于肿瘤体积较小或器官运动幅度较大的病例具有较大优势[8-10]。对于同一品牌的医用直线加速器，三维和六维放射治疗床之间价格差异较大，基层医院出于经济层面的考量，配置相对谨慎[11-13]。因此，在绝大部分常见的放疗病例中，如食管癌、鼻咽癌和盆腔部肿瘤，三维治疗床与六维治疗床在摆位误差上的分布情况及其对比分析，对于基层医院在开展放射治疗时的软硬件设备配置以及肿瘤放疗在线校位阶段的临床决策具有较大参考价值。

本研究通过回顾性分析在瓦里安公司VitalBeam 型号加速器（配置六维治疗床）上完成治疗的3 种常见病例，分别采用六维和三维配准方式对放疗全流程中产生的CBCT 图像重新进行基于互信息方法的刚性配准，通过对比分析2 种配准方式之间误差分布的情况，为临床实践中大量使用三维治疗床时面临的局限性提供六维摆位误差信息，为放疗流程管理提供一定的信息参考，以提高放疗摆位效率与精准度。

1 资料与方法

1.1 基本资料

选取2020 年1 月至2022 年12 月在北京大学肿瘤医院行容积旋转调强放射治疗的3 种不同部位肿瘤患者共124 例为研究对象，其中，鼻咽癌患者50 例（女性12 例，33～72 岁，中位数54.5 岁，男性38 例23～71 岁，中位数50 岁）；食管癌患者49 例（女性7 例，46～65 岁，中位数60 岁；男性42 例，49～77 岁，中位数62 岁）；直肠癌患者25 例（女性8 例，48～86 岁，中位数56 岁；男性17 例，36～78 岁，中位数63.5 岁）。本研究经北京大学肿瘤医院伦理委员会审批通过（批准文号：2021KT32），所有患者均了解并签署放疗相关知情同意书，本研究不对患者治疗方案做任何干预。

1.2 影像资料

患者均采用仰卧位，采用热塑膜与Orfit 碳纤维体板进行固定，采用德国西门子公司Siemens 大孔径模拟定位CT 进行扫描，图像分辨率为512×512，像素大小为1.27 mm×1.27 mm，食管癌和直肠癌病例扫描层厚为5 mm，鼻咽癌为3 mm。治疗计划方案均在美国瓦里安Eclipse 15.6 上制定，在美国瓦里安VitalBeam 型号加速器上完成治疗，该机器配置六维治疗床。所有病例均在前3 次执行CBCT 在线校位，此后每周执行一次校位。

1.3 图像配准方法

2 名技师采用CT 定位摆位方式对患者进行精确摆位，体位固定好后采用千伏级X 线发射源进行放疗前低剂量旋转扫描。千伏级平板探测器接收穿过人体衰减后的X 线能量后，操作软件重建三维图像：鼻咽癌部位重建CBCT 三维图像层厚3 mm；食管癌与直肠癌部位重建CBCT 三维图像层厚5 mm。根据临床实践中的实际情况，本研究均采用每个患者单次治疗时采集的最后一组CBCT 图像与计划CT 图像进行骨性配准。考虑到感兴趣区域（Region of Interest，ROI）的选择对于互信息配准算法的影响[14-15]，在离线配准下对同一部位患者设定相同的ROI 区域，分别采用三维和六维的配准方法，得到线性方向：左右（Lateral，Lat）方向、进出（Longitudinal，Lng）方向、升降（Vertical，Vrt）方向和旋转方向：进出旋转（Rotation，Rtn）方向、左右旋转（Roll）方向、头脚旋转（Pitch）方向的配准误差，分别取绝对值之后进行统计分析。考虑到大部分基层医院加速器硬件配置与临床实际情况，本研究中的三维配准并未考虑Rtn 方向，仅研究3 个平移方向的偏差。

1.4 统计学分析

采用SPSS 27.0.1 软件对CBCT 图像配准误差数据进行统计学分析，为避免摆位数据正负相抵，所有摆位误差值均取绝对值；个体摆位误差由个体系统误差和个体随机误差组成，个体系统误差为个体所有分次误差的平均值，个体随机误差为个体所有分次误差的标准差，结果用±s表示。在数据统计中，对三维和六维方向的线性数据均采用正态分布检验与方差齐性检验，对方差齐的数据采用独立样本t检验，对方差不齐的数据采用秩和检验，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

本研究设定鼻咽癌、直肠癌与食管癌患者的CBCT配准误差在平移方向与旋转方向分别以3、5、5 mm/1.5°为标准对容差值分布进行统计，其次再分别设定平移方向容差值为2、4、4 mm 时统计3 个方向在该容差值范围内占总体摆位数量的比例。

2 结果

2.1 摆位误差统计

本文采用Stroom 等[16]提出的定义：用患者每次摆位误差的平均值表示个体系统误差，每次摆位误差的标准差表示个体随机误差。鼻咽癌、直肠癌与食管癌患者在三维与六维方向配准后的摆位误差分布情况如表1 所示，对应P值与t/Z值如表2 所示。

表1 3个部位2种配准方式配准摆位误差的分布情况（ ±s）

注：Lat：左右；Lng：进出；Vrt：升降；Rtn：进出旋转；Roll：左右旋转；Pitch：头脚旋转。

分类三维配准六维配准Vrt/mmLng/mmLat/mmVrt/mmLng/mmLat/mmPitch/°Roll/°Rtn/°鼻咽癌 1.00±0.77 1.30±0.87 0.91±0.67 1.18±0.89 1.33±0.88 1.27±0.89 0.694±0.552 0.791±0.584 0.626±0.484直肠癌 1.28±1.09 2.01±1.44 1.88±1.23 1.43±1.17 2.05±1.41 1.92±1.26 1.032±0.904 0.662±0.521 0.600±0.491食管癌 0.97±0.72 1.92±1.32 1.81±1.34 1.16±0.85 1.86±1.29 1.79±1.26 0.727±0.574 0.675±0.571 0.526±0.443

表2 3个部位2种配准方式在平移方向的统计学分析

2.2 线性方向数据分析

如表2 所示，在两种配准方式下，鼻咽癌与直肠癌患者的Vrt 与Lat 方向上差异有统计学意义（P＜0.05），Lng 方向数据方差不齐，采用秩和检验，差异无统计学意义（P＞0.05）；食管癌患者Vrt 方向的数据差异有统计学意义（P＜0.05），而在Lng 和Lat 方向上数据方差不齐，采用秩和检验，差异无统计学意义（P＞0.05）；3 个部位的Lng 方向差异均无统计学意义（P＞0.05）；临床上设定鼻咽癌、直肠癌、食管癌3 个部位平移方向的容差值分别为3、5、5 mm 时，其中2、4、4 mm 容差范围的数量占比较大；在平移方向，2 种配准方式的摆位误差基本都在临床设定值范围内。

2.3 旋转方向数据分析

六维配准显示鼻咽癌患者的Pitch 方向与食管癌和直肠癌患者3 个旋转方向的摆位误差较大，见表3。旋转方向大于1.5°时，在Pitch 方向的鼻咽癌患者存在一定数量；食管癌与直肠癌患者在3 个旋转方向的患者量也存在较大比例，但在Pitch 与Roll 方向的患者量最多。

表3 3个部位患者在3种旋转方向度数大于1.5°时对应数量所占比例（%）

2.4 容差范围分析

按照当前的摆位方式，见图1～3，当鼻咽癌、直肠癌与食管癌患者的摆位误差在三维与六维的平移方向的容差值分别为2、4、4 mm 时，配准误差在该范围内所占的比例基本一致，而且所占比例远远大于2～3 mm、4～5 mm、4～5 mm 所占的比例。由此可得，可适度要求配准校准误差以提高放疗摆位精度，减少患者受照范围。

图1 鼻咽癌患者平移方向在2种配准方式下配准后容差值分别为3 mm与2 mm时，绝对值＞3 mm与绝对值≤2 mm的数量分别占总体数量的比例

图2 直肠癌患者平移方向在2种配准方式下配准后容差值分别为5 mm与4 mm时，绝对值＞5 mm与绝对值≤4 mm的数量分别占总体数量的比例

图3 食管癌患者平移方向在两种配准方式下配准后容差值分别为5 mm与4 mm时，绝对值＞5 mm与绝对值≤4 mm的数量分别占总体数量的比例

3 讨论

摆位精度对于保证靶区治疗的有效性和危及器官的安全性至关重要，因此提高患者单次摆位精度，保证分次间的体位重复性有利于放疗计划方案的精确投递[17-18]。IGRT 技术通过CBCT 与定位CT 图像的图像配准，获取三维配准误差，从而通过移动治疗床实现在线校位，保证放疗精度[19-22]。因此，治疗床本身的性能和精度也尤为重要。六维放射治疗床属于直线加速器治疗床的高端配置，一般经济实力较强的大型三甲医院会选择该配置，而大量医院特别是基层医院出于经济层面的考量，主要配置三维放射治疗床。

本研究回顾性地分析了3 种临床常见部位的放疗患者，在离线配准下分别选择三维放射治疗床的线性方向和六维放射治疗床的线性与旋转方向进行刚性配准，通过对比分析摆位误差的分布，探索三维床相对于六维床在临床应用中的差异和可替代性。

本研究显示，在三维与六维配准下，鼻咽癌患者在Lng 方向上差异均无统计学意义，而在Vrt 与Lat 方向上差异有统计学意义，这与Chiu 等[23]的研究结果一致；直肠癌患者的线性摆位误差与鼻咽癌患者呈现相似的分布规律；食管癌患者在Lng 与Lat 方向上差异无统计学意义，在Vrt 方向上的摆位误差差异有统计学意义；六维配准提示旋转方向摆位误差大于1.5°时所占比例不小，且在Roll 方向上最为明显，该结果与谢志原等[24]的研究结果一致。究其原因，头颈患者因为头的轻微上扬或颈椎的僵直都会影响其在Pitch 方向上的旋转；食管癌与直肠癌患者靶区周边运动器官丰富，旋转方向易受患者体型与肠道内容物变化的影响；当旋转方向偏差大于1.5°时则需要对患者再次摆位或调整患者呼吸或加强饮食管理。

大部分医院的临床摆位误差要求头颈摆位误差在3 mm 以内，胸部与盆腔摆位误差在5 mm 以内，3 个部位的旋转误差建议控制在1.5°以内；2 种配准方式在平移方向的配准精度均可满足临床使用要求，但是三维无法全面地反馈旋转方向的误差信息。鼻咽癌、食管癌与直肠癌患者在平移方向的容差值分别为2、4、4 mm 时，3 个部位在该范围内所占数量很大且比例基本一致，而误差在2～3 mm、4～5 mm、4～5 mm 时所占比例远小于前三个容差值所占比例。通过本研究，在放疗摆位全流程管理中，使用三维放射治疗床时，对头颈部患者可加强Pitch 方向上的管理，对盆腔患者可加强3 个旋转方向的管理，对食管癌患者应加强Pitch 与Roll 方向上的管理。

在实际临床应用中，每个单位的放疗流程管理与摆位技术在细节上都可能存在细微差异，本次研究的不足之处在于仅限于对头颈、食管与直肠癌症患者放疗前的摆位误差进行了探讨，若再结合校准后的误差值以及其他部位的摆位误差进行更全面的研究与探讨的话，对三维治疗床的临床应用便可提供更全面的参考信息。