光學(xué)表面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)擺位功能對(duì)乳腺癌放療患者治療精度及擺位時(shí)間的影響

張光偉，吳何茍，劉劍鋒，高艷，李彬，鐘鶴立

深圳市人民醫(yī)院/暨南大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院/南方科技大學(xué)第一附屬醫(yī)院腫瘤放療科，廣東深圳518020

前言

以體表標(biāo)記引導(dǎo)放射治療擺位是沿用了幾十年的擺位方法，標(biāo)記方法包括永久紋身、激光紋身、有色墨水等。但由于手臂位置的變化、組織腫脹、皮膚彈性改變［1］、體表標(biāo)記模糊不清、脫落、多次標(biāo)記間的差異等原因，常規(guī)對(duì)準(zhǔn)皮膚標(biāo)記擺位的不確定性大于1 cm［2］。且以體表標(biāo)記引導(dǎo)擺位，對(duì)于3 個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的調(diào)整較為困難，往往需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的擺位時(shí)間。光學(xué)表面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Optical Surface Monitoring System,OSMS）可對(duì)患者體表輪廓進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)的掃描，通過與參考體表輪廓匹配，提供六維誤差數(shù)據(jù)，引導(dǎo)放射治療師對(duì)患者體位進(jìn)行糾正，治療中可實(shí)時(shí)監(jiān)控患者體位變化，超過設(shè)定位移閾值時(shí)控制加速器立即停止出束，保證治療安全。OSMS 系統(tǒng)5.1 版本軟件加入了六維自動(dòng)移床擺位功能，可一鍵自動(dòng)將患者體位移動(dòng)到系統(tǒng)實(shí)時(shí)配準(zhǔn)的位置。本文通過比較兩種擺位引導(dǎo)方式，研究OSMS六維自動(dòng)擺位功能是否能提高擺位精度，減少擺位時(shí)間。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備

美國VARIAN 公司的EDGE 直線加速器，配備OSMS 系統(tǒng)、Eclipse 治療計(jì)劃系統(tǒng)；Siemens 公司的SOMAETOM Definition AS CT 模擬機(jī)；德國LAP 公司的三維可移動(dòng)激光燈系統(tǒng)，以上設(shè)備均按時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行QA校驗(yàn)。

OSMS（Align RT,Vision RT Ltd,London,UK）是一套腫瘤患者放射治療光學(xué)體表定位和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用3D光學(xué)體表定位和追蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)療前擺位、療中實(shí)時(shí)體位追蹤和監(jiān)測(cè)。使用3 臺(tái)安裝于天花板上的3D 立體攝像機(jī)單元（圖1），一臺(tái)位于治療床尾正上方，兩臺(tái)分別位于治療床兩側(cè)，每個(gè)單元配備一個(gè)近紅外線投射裝置和兩個(gè)高分辨率體表輪廓捕捉攝像機(jī)，投射裝置投射隨機(jī)散斑點(diǎn)到皮膚表面，2 臺(tái)攝像機(jī)快速獲取體表輪廓信息，實(shí)現(xiàn)高精度3D 輪廓重建。在體表輪廓上定義一個(gè)或多個(gè)感興趣區(qū)域（Region of Interest,ROI），設(shè)置六維方向位置誤差閾值，當(dāng)監(jiān)測(cè)體位誤差超過閾值時(shí)，控制加速器停止出束，以確保治療精度和安全。

圖1 OSMS攝像單元安裝位置Fig.1 Installation location of OSMS camera unit

1.2 入組

30 例乳腺癌保乳術(shù)后患者，均埋入手術(shù)銀夾，年齡26～60 歲，平均年齡46 歲，左側(cè)乳腺癌患者14 例，右側(cè)乳腺癌患者16 例。隨機(jī)分為兩組，每組15 位患者。OSMS 組患者以O(shè)SMS 引導(dǎo)，自動(dòng)移床擺位，體表標(biāo)記組以體表標(biāo)記引導(dǎo)擺位。

1.3 CT模擬定位和計(jì)劃設(shè)計(jì)

所有患者均采用真空袋體位固定方法，仰臥，自由呼吸，真空袋以貼膠布畫線方式標(biāo)記，體表標(biāo)志以激光紋身方式標(biāo)記。行CT（Siemens,SOMAETOM Definition AS,Germany）掃描，掃描條件：120 kV，135 mAs，層厚3 mm，將CT圖像導(dǎo)入Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)。采用三維適形放療（3-Dimentional Conformal Radiation Therapy,3DCRT）+調(diào)強(qiáng)放療（Intensity Modulated Radiation Therapy,IMRT）混合治療技術(shù)進(jìn)行治療計(jì)劃設(shè)計(jì)，OSMS組患者通過網(wǎng)絡(luò)將治療計(jì)劃（RT plan）和CT體表外輪廓（RT structure）傳輸?shù)絆SMS系統(tǒng)。

1.4 治療流程

OSMS 組在OSMS 系統(tǒng)上導(dǎo)入RT plan 和RT structure，勾畫兩個(gè)ROI。一個(gè)ROI用于引導(dǎo)擺位，勾畫范圍包括患側(cè)乳腺并外放1.5～2.0 cm。另外一個(gè)ROI 用于治療監(jiān)控，勾畫范圍擴(kuò)大到健側(cè)乳腺，以防止治療實(shí)施中機(jī)架旋轉(zhuǎn)到一定的角度遮擋部分?jǐn)z像單元導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳動(dòng)從而影響治療（圖2）。將控制加速器出束的六維位置閾值設(shè)定為±3 mm/±3°，出束治療中，當(dāng)患者六維位置移動(dòng)超過閾值時(shí)，加速器自動(dòng)停止出束。患者首次治療時(shí)，以體表標(biāo)記引導(dǎo)擺位，行錐形束CT（Cone-Beam Computerized Tomography,CBCT）掃描，軟組織自動(dòng)配準(zhǔn)后治療師手動(dòng)手術(shù)夾配準(zhǔn)，記錄配準(zhǔn)誤差數(shù)據(jù)。六維方向誤差通過移床修正后，OSMS抓取當(dāng)時(shí)的光學(xué)體表作為監(jiān)控治療和以后引導(dǎo)擺位的參考體表。需要注意的是，抓取新的體表前需將機(jī)架旋轉(zhuǎn)到0°或180°，將kV影像系統(tǒng)收回，以免遮擋OSMS攝像單元導(dǎo)致參考體表采集不完整。以后治療時(shí)，將初始等中心位置大約放置在乳房的中心位置，以O(shè)SMS抓取的參考體表引導(dǎo)擺位，選擇擺位用的ROI，手動(dòng)調(diào)整患者3 個(gè)旋轉(zhuǎn)方向誤差在±2°以內(nèi)，移動(dòng)治療床使3 個(gè)平移方向誤差在±2 cm 以內(nèi)，利用MOVE COUCH 功能使患者體位移動(dòng)到OSMS實(shí)時(shí)匹配的正確位置，此時(shí)六維監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均接近于0。擺位時(shí)間定義為從患者接觸治療床到CBCT掃描前或加速器出束前（當(dāng)次治療不做CBCT掃描）的時(shí)間。CBCT掃描前記錄擺位時(shí)間，行CBCT 掃描配準(zhǔn)，記錄配準(zhǔn)誤差數(shù)據(jù)，出束時(shí)切換到監(jiān)控的ROI 實(shí)施治療監(jiān)控。無CBCT 掃描的治療分次則在加速器出束前記錄擺位時(shí)間。

圖2 擺位用ROI（a）和治療監(jiān)控用ROI（b）Fig.2 Region of interest for setup(a)and monitoring(b)

體表標(biāo)記組患者均以體表標(biāo)記引導(dǎo)擺位，記錄擺位時(shí)間。CBCT 配準(zhǔn)與OSMS 組相同，均采用軟組織配準(zhǔn)后治療師手動(dòng)手術(shù)夾配準(zhǔn)。兩組患者前3 次治療均行CBCT 掃描配準(zhǔn)，后每周至少一次CBCT 掃描配準(zhǔn)并記錄配準(zhǔn)誤差數(shù)據(jù)。

1.5 數(shù)據(jù)收集

兩組患者CBCT 與模擬定位CT 配準(zhǔn)各得到75組誤差數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括左右（x）、頭腳（y）、前后（z）方向的平移誤差和Rx、Ry、Rz 方向旋轉(zhuǎn)誤差。共記錄445次擺位時(shí)間，其中OSMS組224次，體表標(biāo)記組221次。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用SPSS 25.0 軟件對(duì)參數(shù)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。分別對(duì)兩組患者的CBCT 配準(zhǔn)誤差數(shù)據(jù)和擺位時(shí)間數(shù)據(jù)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 擺位誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3、圖4為平移誤差分布散點(diǎn)圖，圖5、圖6為旋轉(zhuǎn)誤差分布散點(diǎn)圖。OSMS 組x、y、z 方向平移誤差絕對(duì)值≤0.3 cm 分別為94%、97%、97%，體表標(biāo)記組為91%、63%、60%；OSMS 組Rx、Ry、Rz 方向旋轉(zhuǎn)誤差絕對(duì)值≤1°分別為88%、78%、82%，體表標(biāo)記組為74%、53%、67%。

圖3 體表標(biāo)記擺位x、y、z方向平移誤差分布散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of translational error distribution in x,y and z directions in body surface marker group

圖4 OSMS自動(dòng)擺位x、y、z方向平移誤差分布散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plot of translational error distribution in x,y and z directions in OSMS group

表1 為兩組乳腺癌患者在x、y、z 方向平移誤差和Rx、Ry、Rz 方向旋轉(zhuǎn)誤差，兩種擺位方法在y 和z方向平移誤差以及Rx、Ry、Rz 方向旋轉(zhuǎn)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），而在x 方向平移誤差無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。

2.2 擺位時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果

兩組患者擺位時(shí)間分別為：OSMS組（130±27）s；體表標(biāo)記組（202±31）s，兩組患者擺位時(shí)間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.01）。

圖5 體表標(biāo)記擺位Rx、Ry、Rz方向旋轉(zhuǎn)誤差分布散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plot of rotation error distribution in Rx,Ry and Rz directions in body surface markers group

圖6 OSMS自動(dòng)擺位Rx、Ry、Rz方向旋轉(zhuǎn)誤差分布散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plot of rotation error distribution in Rx,Ry and Rz directions in OSMS group

3 討論

光 學(xué) 表 面 引 導(dǎo) 放 療（Surface Guided Radiotherapy,SGRT）被越來越多地應(yīng)用于乳腺癌放療，使用非電離光學(xué)裝置，通過匹配患者實(shí)時(shí)表面和參考表面，提供六維位置校正，并可監(jiān)測(cè)治療中的局部運(yùn)動(dòng)。CBCT 是放射治療圖像引導(dǎo)和位置驗(yàn)證金標(biāo)準(zhǔn)，雖然軟組織圖像不如骨性結(jié)構(gòu)清晰，但本研究?jī)山M患者均采用軟組織自動(dòng)配準(zhǔn)后治療師手動(dòng)手術(shù)夾配準(zhǔn)方式，通過留置于手術(shù)腔壁的鈦夾配準(zhǔn)，保證了靶區(qū)位置的準(zhǔn)確性。對(duì)兩組患者CBCT 配準(zhǔn)誤差值進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，OSMS 自動(dòng)擺位相較于體表標(biāo)記擺位，在y、z 方向的平移誤差和Rx、Ry、Rz 方向旋轉(zhuǎn)誤差均有明顯的改善，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）。x 方向平移誤差雖然無統(tǒng)計(jì)差異（P＞0.05），但兩者誤差數(shù)據(jù)均較小，體表標(biāo)記組稍大，說明在x 平移方向上，兩種方法均有較好的重復(fù)性，但OSMS 自動(dòng)擺位仍占優(yōu)。原因可能是真空墊體位固定方法能使得x方向平移誤差較小，兩種擺位方法無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

傳統(tǒng)體表標(biāo)記擺位方法簡(jiǎn)單、方便，但乳腺為非剛性組織，治療分次間可能存在形變或位移，體表標(biāo)記擺位較難糾正這種影響。OSMS采用3D 光學(xué)表面定位和追蹤技術(shù)，隨機(jī)投射近紅外散斑點(diǎn)于皮膚表面，攝像機(jī)快速獲取體表輪廓信息，形成雙眼立體視覺，利用該視覺數(shù)據(jù)及三角測(cè)量法在患者體表實(shí)現(xiàn)高精度的3D輪廓重建，并實(shí)時(shí)與參考輪廓匹配，能較好地消除乳腺形變或位移影響。ROI 勾畫范圍大小會(huì)影響OSMS系統(tǒng)刷新率及監(jiān)測(cè)精度，小的ROI有更好的精度和更高的刷新率［3］。本研究以小ROI 引導(dǎo)擺位，保證擺位精度，而為了避免機(jī)架或kV射線源及探測(cè)板對(duì)攝像單元遮擋影響監(jiān)控，將監(jiān)控ROI范圍擴(kuò)大到對(duì)側(cè)乳腺（圖2），治療監(jiān)控時(shí)需注意OSMS 系統(tǒng)的刷新率，乳腺治療要求刷新率≥3幀/s。

表1 兩組乳腺癌患者CBCT配準(zhǔn)平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差（±s）Tab.1 Translational errors and rotation errors by CBCT registration in two groups of breast cancer patients(Mean±SD)

表1 兩組乳腺癌患者CBCT配準(zhǔn)平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差（±s）Tab.1 Translational errors and rotation errors by CBCT registration in two groups of breast cancer patients(Mean±SD)

***：與體表標(biāo)志組相比，P＜0.01

方向x/Rx y/Ry z/Rz平移誤差/cm OSMS自動(dòng)擺位0.12±0.11 0.12±0.09***0.13±0.08***體表標(biāo)記擺位0.15±0.11 0.22±0.16 0.25±0.16旋轉(zhuǎn)誤差/°OSMS自動(dòng)擺位0.33±0.43***0.56±0.50***0.50±0.52***體表標(biāo)記擺位0.66±0.72 0.99±0.69 0.78±0.56

Bert等［4］報(bào)告了乳腺癌術(shù)后體表標(biāo)記和SGRT方法皮膚表面誤差分別為（3.7±4.9）mm和（1.6±2.4）mm。Chang 等［5］報(bào)道，體表標(biāo)記和SGRT 兩種擺位方法基于手術(shù)夾配準(zhǔn)擺位誤差在前后、頭腳、左右方向分別為（3.9±3.7）、（1.9±2.2）、（4.6±3.9）mm 和（1.8±1.9）、（4.3±4.5）和（1.8±2.1）mm。Kost 等［6］的回顧性研究中，SGRT讓所有患者的平均誤差從3.1 mm降至3.0 mm，最大誤差從6.1 mm 降至5.5 mm。Kügele等［7］比較了切線或局部治療乳腺癌患者使用或不使用SGRT 的擺位精確性，在切線治療中，SGRT 方法和體表標(biāo)記法3個(gè)平移方向誤差≤4 mm 分別為95%和84%；而在局部治療中則分別為70%和54%。本中心嚴(yán)格執(zhí)行放射治療流程管理和質(zhì)量控制，體表標(biāo)記組誤差略好于上述研究，而SGRT 實(shí)時(shí)體表輪廓配準(zhǔn)及六維自動(dòng)移床功能最大程度地減少了人為誤差，因此OSMS組結(jié)果更為理想。

在擺位時(shí)間方面，Kost 等［6］的研究顯示，體表標(biāo)記擺位時(shí)間為4.67 min，而SGRT 為5.02 min，略有增加。Jimenez 等［8］的結(jié)果則是體表標(biāo)記+SGRT 為8.03 min，單純SGRT 為6.83 min。Pazos 等［9］認(rèn)為兩種方法擺位時(shí)間沒差異。國內(nèi)放射治療中心患者數(shù)量普遍多于國外，工作習(xí)慣的原因，擺位更為快速。本研究體表標(biāo)記組擺位時(shí)間小于4 min，OSMS 5.1之前的版本不具備3個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的自動(dòng)移床擺位功能，仍需治療師手動(dòng)糾正，5.1版本加入自動(dòng)擺位功能，一鍵修正六維誤差，相較于手動(dòng)修正，擺位時(shí)間進(jìn)一步減少。

本研究結(jié)果顯示，在乳腺放療中，SGRT 提供了極高的擺位精度，為減少或取代圖像引導(dǎo)放療（Image Guided Radiotherapy，IGRT）提供一種可能。CBCT 每次產(chǎn)生0.01～1 mGy 的額外輻射劑量［10］，而電子射野影像系統(tǒng)（Electronic Portal Imaging Detector，EPID）是CBCT 的2～10倍［11］，額外的輻射會(huì)導(dǎo)致二次腫瘤的發(fā)生。SGRT 則沒有這方面的擔(dān)憂，它不導(dǎo)致額外的輻射。IGRT會(huì)增加患者總的治療時(shí)間，Ma等［12］指出，CBCT 掃描、圖像重建、匹配和誤差校正的整個(gè)過程大約需要5 min，而OSMS 的定位時(shí)間不超過20 s。本研究運(yùn)用OSMS 的自動(dòng)擺位功能，總的擺位時(shí)間縮短到2 min 左右，這將減少患者總的治療時(shí)間從而提高患者舒適度，且能提高放療中心工作效率。

大部分患者對(duì)體表標(biāo)記審美不滿［13］，少數(shù)患者對(duì)有色墨水過敏［14］，永久或激光紋身會(huì)讓患者產(chǎn)生疼痛，且永久標(biāo)記會(huì)不斷提醒自己腫瘤患者的身份。我們的結(jié)果表明，在乳腺治療中，SGRT 可替代傳統(tǒng)體表標(biāo)記擺位，運(yùn)用OSMS自動(dòng)擺位功能可提供更高的治療精度、更短的擺位時(shí)間，且能改善患者的生活質(zhì)量。但SGRT 對(duì)擺位的改善能否轉(zhuǎn)化成腫瘤劑量的優(yōu)勢(shì)和更好的臨床結(jié)果還需更進(jìn)一步的研究。

綜上所述，OSMS 作為定位工具，不產(chǎn)生額外輻射，治療過程中監(jiān)控，保證治療安全，相較于體表標(biāo)記擺位，利用OSMS自動(dòng)擺位功能可明顯提高擺位精度，減少擺位時(shí)間，具有較好的臨床應(yīng)用價(jià)值。