基于Halcyon加速器百分百图像引导模式下盆腔肿瘤CTV-PTV边界外放的研究

董晓庆，胡杰，林清

同济大学附属第十人民医院 放射治疗科，上海 200072

引言

放射治疗是治疗盆腔肿瘤的主要手段之一，可降低局部复发率和远处转移率，进而提高患者整体生存率[1-4]。其中调强放射治疗（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）已被广泛应用于盆腔肿瘤的治疗中[5]。患者体重的变化、直肠排空、膀胱充盈等情况会引起靶区位置的变化[6-7]；治疗中患者治疗的时间越长，咳嗽或者呼吸运动越大都有可能引起体位改变等，从而影响摆位精度。随着图像引导放射治疗技术的不断发展和加速器硬件的不断革新，患者可以得到更精准的放射治疗，其优势在于能够利用加速器上配备的锥形束CT（Cone Beam CT，CBCT）得到摆位后的实时影像与CT 定位的原始图像进行配准，获得治疗时的摆位误差，并通过对治疗床进行在线调整，提高放疗精度。CBCT图像引导已在临床应用近20 年，但是传统技术与新引导方式的结合在临床上会产生新的亮点，或许会改变传统加速器CBCT 图像引导技术摆位误差和临床靶区-计划靶区（Clinical Target Volume-Planning Target Volume，CTV-PTV））边界外放的准则。

以往传统加速器由于成像速度及质量等因素的限制，患者治疗过程中并不能每次都行CBCT 扫描[立体定向放射治疗（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）除外]。一般是前3 次扫描确保摆位误差小于CTV-PTV 外放边界，之后每周扫描一次CBCT，验证CTV-PTV 外放边界的安全性[8-10]。而美国瓦里安全新一代Halcyon 环形加速器因成像速度快、强制百分百图像引导，同时拥有ICBCT 迭代算法功能，因而提高了影像质量和图像配准精度，可使患者每次治疗前行CBCT扫描，纠正患者摆位误差，达到精准治疗的目的。本文从分析盆腔肿瘤摆位误差的角度探讨Halcyon 治疗盆腔肿瘤CTV-PTV 外放边界的准则，为临床提供有力证据，使患者得到更加精准的治疗。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取2023 年1—5 月在我院放疗科采用Halcyon 加速器行IMRT 的19 例盆腔肿瘤患者为研究对象，其中宫颈癌患者4 例，子宫内膜癌患者5 例，前列腺癌患者2 例，直肠癌患者6 例，卵巢癌患者1 例，膀胱癌患者1 例；年龄51～80 岁，中位年龄63 岁；男7 例，女12 例。本研究经医院伦理委员会审批通过（批准文号：SHSY-IEC-5.0/23KY21/P01），所有患者均知情同意并签署知情同意书。

1.2 定位扫描及图像获取

所有患者均采用热塑膜进行位置固定并取仰卧位，双手互握肘关节置额头，双下肢自然并拢。采用大孔径16 排CT 模拟定位系统（Brilliance CT Big Bore，荷兰飞利浦）进行图像扫描，CT 扫描电压为120 kV、电流为60 mA，扫描层厚为5 mm。将患者CT 图像传输至治疗计划系统（Eclipse 15.6，美国瓦里安）。

1.3 靶区勾画和治疗计划设计

同一副主任医师在CT 图像上勾画靶区，19 例患者中妇科肿瘤（宫颈癌，子宫内膜癌，卵巢癌）处方剂量为45 Gy/25 F 或50.4 Gy/28 F，直肠癌处方剂量为45 Gy/25 F或59.92 Gy/28 F，前列腺癌处方剂量为70 Gy/28 F 或70 Gy/35 F，膀胱癌处方剂量为45 Gy/25 F，再序贯加量20 Gy/10 F。根据每位患者的病情情况将CTV-PTV 边界外放5～7 mm，由主任医师审核靶区。19 例患者由同一物理师在Eclipse 治疗计划系统设计9 野均分的6 MV X 线共面逆向IMRT 计划，机架角度分别为0°、40°、80°、120°、160°、200°、240°、280°、320°。计划设计后由主任医师和高级物理师确认通过，同时通过Portal Dosimetry（PD）验证后由Halcyon 加速器实施治疗。

1.4 在线摆位校正及治疗实施

所有患者均采用全新一代环形加速器（Halcyon2.0，瓦里安，美国）进行治疗，并用机器自带的千伏级CT进行CBCT 扫描获取图像。扫描中心为等中心，扫描直径为49.1 cm，扫描长度为24.5 cm，图像分辨率为512×512，层厚为2 mm。采用ICBCT重建算法处理图像，共扫描3 组CBCT 图像，见图1。

图1 分次间、纠正后、分次内的CBCT图像与计划图像配准示意图

CBCT 图像在摆位完成后治疗前行CBCT 扫描获得，用来观察分次间误差（校正前）。将CBCT 图像与治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）参考图像自动配准后手动微调，显示患者实际靶区与TPS 的PTV 2 个中心位置的误差值，记录X（左右）方向、Y（头脚）方向、Z（腹背）方向的平移矢量，并按照记录值进行摆位误差的校正。

在治疗床在线纠正摆位误差后治疗前，再进行CBCT 扫描得到图像，用来观察在线纠正后患者的位置偏差（校正后）。同样，记录X 方向、Y 方向、Z 方向的平移矢量。

CBCT 图像在治疗完成后获取，用来观察当次治疗分次内移动误差（包括器官蠕动）。同样，记录X 方向、Y 方向、Z 方向的平移矢量。

1.5 CTV-PTV外放边界计算

根据摆位误差来计算CTV-PTV 外放规则。群体系统误差以个体系统误差的标准差Σ表示；群体随机误差以个体随机误差的平方均值的平方根σ表示[11]。分次间、纠正后、分次内的群体系统误差分别用ΣInter、ΣCorr和ΣIntra表示；群体随机误差分别用σInter、σCorr和σIntra表示。如果每次放疗前都通过CBCT 图像引导进行摆位误差在线校正，PTV 外放的计算仅考虑分次内误差[12]。虽然采用Halcyon 机器治疗的患者每次放疗前均行CBCT 图像引导并在线纠正，但是纠正后患者仍存在残余误差，因此，本文CTV-PTV 外放边界计算需考虑纠正后和分次内误差。根据Mckenzie 等[13]提出的公式（M=2.5Σ+0.7σ），M为CTV 外放PTV 的边界值。Σ和σ的计算方式如公式（1）～（2）所示。

1.6 统计学分析

应用SPSS 22.0 统计学软件对各组摆位误差行配对t检验，并计算CTV-PTV 边界外放值，摆位误差用±s表示，P＜0.05 为差异有统计学意义。采用origin2015 软件分析摆位误差的分布趋势。

2 结果

本文共进行900 次CBCT 扫描，分别获得300 套分次间、纠正后以及分次内的CBCT 图像，与计划图像配准后，摆位误差绝对值如表1 所示。在入组患者试验中，对于X 方向，分次间绝对误差为（2.07±1.82）mm，纠正后为（0.19±0.19）mm；分次内为（0.30±0.28）mm，差异均有统计学意义（P＜0.05）。对于Y 方向，分次间绝对误差为（3.87±2.67）mm，纠正后为（0.23±0.31）mm；分次内为（0.27±0.23） mm，差异均有统计学意义（P＜0.05）。对于Z 方向，分次间绝对误差为（0.72±0.83）mm，纠正后为（0.20±0.22）mm，分次内为（0.30±0.27）mm，差异均有统计学意义（P＜0.05）。对于3 个方向，分次间摆位误差绝对值均值最大，纠正后摆位误差绝对值均值最小，分次内摆位误差绝对值均值大于纠正后的值，小于分次间的摆位误差绝对值。

表1 分次间、纠正后以及分次内3次摆位误差绝对值[ ±s（min，max），mm，n=300]

表1 分次间、纠正后以及分次内3次摆位误差绝对值[ ±s（min，max），mm，n=300]

注：n：每组锥形束CT的套数。

X方向Y方向Z方向分次间（A）2.07±1.82（0.01，9.80）3.87±2.67（0.00，9.91）0.72±0.83（0.00，6.40）纠正后（B）0.19±0.19（0.00，1.37）0.23±0.31（0.00，2.50）0.20±0.22（0.00，1.50）分次内（C）0.30±0.28（0.00，1.70）0.27±0.23（0.00，1.50）0.30±0.27（0.00，1.80）t值A-B17.7223.8910.63 A-C16.3322.998.16 B-C-7.46-2.20-6.88 P值A-B＜0.001＜0.001＜0.001 A-C＜0.001＜0.001＜0.001 B-C＜0.0010.030＜0.001

分次间、纠正后、分次内CBCT 的摆位误差绝对值的分布趋势如图2 所示。分次间的摆位误差分布在0～9.91 mm 区间，对于X、Y、Z 3 个方向，X、Y 2 个方向每个区间都有，偏差相对较大，Z 方向大部分集中在5 mm以内。纠正后的摆位误差分布在0～2.50 mm 区间，X 方向偏差＜1 mm 的占比为99%（n=297），≥1 mm且＜1.37 mm 的占比为1%（n=3）；Y 方向偏差＜1 mm 的占比为97%（n=291），≥1 mm 且＜2.50 mm 的占比为3%（n=9）；Z 方向偏差＜1 mm 的占比为98.33%（n=295），≥1 mm 且＜1.50 mm 的占比是1.67%（n=5）。分次内的摆位误差分布在0～1.80 mm 区间，X 方向偏差＜1 mm 的占比为96.33%（n=289），≥1 mm 的占比为3.67%（n=11）；Y 方向偏差＜1 mm 的占比为98.67%（n=296），≥1 mm 且＜2 mm 的占比为1.33%（n=4）；Z 方向偏差＜1 mm 的占比为97%（n=291），≥1 mm且＜2 mm 的占比为3%（n=9）。纠正后的摆位误差97%以上在1 mm 以内，分次间的摆位误差96.33%以上在1 mm 以内。说明纠正后及分次内偏差很小，可以缩小CTV-PTV 外放边界。

图2 分次间、纠正后、分次内CBCT摆位误差绝对值的分布趋势

如表2 所示，分次间、纠正后、分次内CBCT 的摆位误差X、Y、Z方向CTV-PTV外放距离分别为3.85、0.29、0.42 mm，4.58、0.54、0.43 mm 和2.10、0.37、0.49 mm。分次间（校正前）、纠正后（校正后）、分次内（包括器官蠕动）总的CTV-PTV 外放距离分别为6.36、0.72、0.77 mm。依据Halcyon 加速器每天CBCT 扫描校正的特点得出Halcyon 加速器治疗盆腔肿瘤的CTV-PTV 外放距离为1.06 mm。校正前后可将CTV-PTV 外放边界从6.36 mm 缩小到1.06 mm，减小靶区的外放距离。

表2 在线校正前后摆位误差绝对值及CTV-PTV外放距离（mm）

3 讨论

随着放射治疗设备的更新换代，患者治疗越来越精准。如何提高肿瘤摆位精度，减少正常组织受照体积和累积剂量，开展个体化的自适应放射治疗是目前的研究热点[14-16]。肿瘤靶区退缩与受照后的热效应、呼吸运动、膀胱和直肠等的充盈及蠕动，必然造成肿瘤靶区与危及器官的不规则形变，不仅会降低治疗的精准性，还对靶区外放边界增加了不确定性。近年来，由于图像引导技术的飞速发展，很大程度纠正了分次间的摆位误差，使得CTV-PTV 的外放边界减小[17-19]。俞雅等[20]应用CBCT图像引导，分析盆腔肿瘤患者IMRT 中摆位误差精度，为盆腔肿瘤PTV 外放范围提供参考依据。明学中等[21]研究了在CBCT 图像引导条件下基于Halcyon 加速器“蓝光引导”摆位功能结合一体化联合膜在食管肿瘤临床放疗中的准确性。而对于分次内的摆位误差研究也很多[22-24]，尤其是在SBRT 治疗方面，由于SBRT 是单次大剂量高精准治疗，因此要求每天扫CBCT 进行图像配准纠偏。Levin-Epstein 等[25]回顾性分析了2012—2017 年205 例在美国瓦里安的TrueBeam 或NovalisTx 加速器上行前列腺癌患者SBRT 治疗分次间靶区外放边界值（9.9、15.2和14.5 cm）以及分次内靶区外放边界值（1.9、2.7 和3.1mm），结果发现仅2.0%和5.4%患者在头脚和腹背方向偏差大于3 mm。对于同一厂家的加速器，Halcyon作为全新一代的环形加速器，机械精度更高，图像质量更好，图像配准偏差更小，使得摆位误差降到了最低，分次内靶区外放边界值为X 方向0.42 mm，Y 方向0.43 mm，Z 方向0.49 mm。该外放边界值远远小于文献中的数据，说明Halcyon 加速器可为患者带来更加精准的治疗。

CBCT 图像引导可得出患者治疗时的摆位误差并给予校正，而Halcyon 加速器是全患者全疗程强行每天进行CBCT 扫描并进行在线校正，大大提高了摆位精度。本文分析了入组盆腔患者在Halcyon 加速器治疗时分次间、纠正后、分次内的摆位误差。从数据可以看出，分次间的摆位误差最大，这主要是由机器设备的精确度，物理师质控水平以及技术员摆位水平，患者器官位移、体型改变、摆位标记不清造成的。但是采用Halcyon 加速器治疗的患者是每天扫CBCT 并进行纠正，通过纠正后的数据可以看出，纠正后摆位误差很小，此时的偏差主要是由于机器的机械精度以及残余误差造成的。分次内的摆位误差大于纠正后的偏差，这主要是由于患者治疗过程中的器官运动、呼吸运动以及体位不自主移动造成的。从X、Y、Z 3 个方向来看，分次间Y 方向偏差最大，平均值为3.87 mm，这是由于Halcyon 激光灯在环形壁上，技术员在摆位过程中容易忽视垂直激光灯摆位造成的，但是在Halcyon 进行图像引导下，纠正后Y方向偏差的平均值可以降到0.23 mm，并未造成患者Y方向偏差过大。从分次间、纠正后、分次内的摆位误差分布趋势可以看出，虽然一开始由于技术员的摆位水平以及患者体位的变化会使摆位存在一定误差，但纠正后3 个方向97%以上的偏差在1 mm 以内。分次内3 个方向96.33%以上的偏差在1 mm 以内，说明Halcyon 加速器在治疗盆腔肿瘤时摆位误差在1 mm 左右是非常安全的。Halcyon 是否可根据人体解剖结构实现无标记摆位，也许是将来研究的热点。

由于受技术员摆位水平、患者体型变化等诸多因素的影响，摆位误差只能降低不能消除，为此每家放疗单位可以根据本单位加速器的摆位误差，计算出CTVPTV 外放规则。随着CBCT、四维超声影像、磁共振引导技术的不断发展，患者CTV-PTV 外放边界的研究很多[26-28]。Badloe 等[29]研究表明，单一脑转移瘤立体定向放射治疗的PTV 从2 mm 到0 mm 边界外放与患者假性进展的发生率不存在显著关联性，并且减少PTV 边界外放对患者来说是安全的。徐浩然等[30]研究分析了142 例肺癌患者常规分割模式下，采用Halcyon 加速器治疗靶区边界外放情况，研究仅统计了分次间的摆位误差，忽略了Halcyon 是每天行CBCT 图像引导并进行摆位误差纠正。Halcyon 加速器每次治疗强行图像引导模式与常规加速器少分次的图像引导治疗模式在靶区外放PTV 上必然存在本质区别。本文统计分析了分次间、纠正后及分次内的摆位误差，从数据中可以看出，仅从摆位误差角度来看，基于Halcyon 治疗盆腔肿瘤，CTVPTV 外放边界从6.36 mm 缩小到1.06 mm，即CTV-PTV外放边界为1.1 mm。如果前3 次摆位误差超过1.1 mm，医生按最大值重新外放PTV，物理师重新做计划，实现离线自适应放射治疗，对绝大多数患者来说可大大减少正常组织的照射体积和累积剂量。

4 结论

综上所述，基于Halcyon 加速器百分百图像引导模式下的盆腔肿瘤治疗，根据纠正后和分次内的摆位误差计算CTV-PTV 外放边界为1.1 mm。通过全新一代Halcyon 加速器每次治疗前强行CBCT 在线扫描与配准及必要的位置纠正，可降低盆腔患者摆位误差，提高患者靶区和危及器官的安全精度，缩小CTV-PTV 外放边界值，从而减少正常组织的累及体积。此研究为回顾性分析，至于减少靶区外放边界的临床疗效及副作用仍需在前瞻性的临床研究中加以验证。