三維床與六維床對(duì)肺癌圖像引導(dǎo)放療擺位誤差校正能力的比較

張丙新,石祥禮,梁廣立

(天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院/國(guó)家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/天津市“腫瘤防治”

21世紀(jì)以來,圖像引導(dǎo)放療(image guided radiotherapy,IGRT)開啟了腫瘤精準(zhǔn)放療的新時(shí)代,IGRT可進(jìn)一步提高患者的放療精度,減小其CTV基礎(chǔ)上的PTV外放值,以達(dá)到降低患者放療副反應(yīng)的目的[1-3]。IGRT放療精度的提高主要通過兩步實(shí)現(xiàn)：(1)擺位誤差的計(jì)算,圖像引導(dǎo)設(shè)備采集患者治療前的三維或二維圖像,與患者定位CT或DRR圖像進(jìn)行配準(zhǔn),計(jì)算患者的六維擺位誤差,即三維平移誤差[左右(x)、頭肢(y)、腹背(z)]和三維旋轉(zhuǎn)誤差[繞x(Rx)、繞y(Ry)、繞z(Rz)]；(2)擺位誤差的校正,IGRT對(duì)患者擺位誤差的校正需通過加速器治療床的位移來實(shí)現(xiàn),治療床的誤差校正能力直接影響著擺位誤差的校正精度,進(jìn)而影響患者PTV外放值的大小。

目前,腫瘤IGRT中的圖像引導(dǎo)設(shè)備均可以檢測(cè)患者的六維擺位誤差,而實(shí)際臨床應(yīng)用中的治療床則主要為三維床和六維床兩種,三維床主要用于x、y、z三維平移誤差的校正,六維床則可進(jìn)行x、y、z和Rx、Ry、Rz六維平移和旋轉(zhuǎn)誤差的校正。盡管腫瘤IGRT在臨床中的應(yīng)用日益廣泛,三維床以其實(shí)用、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)仍是臨床應(yīng)用最廣泛的治療床[4-5],而六維床則主要裝備于較為先進(jìn)的放療系統(tǒng)中,如Cyber Knife[6]、質(zhì)子重離子放療系統(tǒng)[7]、瓦里安和醫(yī)科達(dá)較先進(jìn)的IGRT系統(tǒng)等[8]。為比較三維床和六維床對(duì)患者擺位誤差的校正能力,以及對(duì)患者PTV外放值的影響,本研究利用同一治療床的三維和六維模式對(duì)中心型肺癌患者的擺位誤差進(jìn)行了校正比較,現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集2020年1-12月在天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院進(jìn)行錐形束CT(CBCT)圖像引導(dǎo)下調(diào)強(qiáng)放療的中心型肺癌患者40例,隨機(jī)分為試驗(yàn)組和對(duì)照組各20例,試驗(yàn)組：男15例,女5例,平均年齡(46.8±8.3)歲；對(duì)照組：男14例,女6例,平均年齡(47.2±5.5)歲,兩組患者一般資料比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),具有可比性。所有患者均行1次/周的CBCT圖像引導(dǎo),放射劑量42～56 Gy,單次劑量2 Gy,每周5次；所有患者均了解并簽署了圖像引導(dǎo)放療相關(guān)知情同意書。

1.2 設(shè)備

恒溫水浴箱,胸部翼型定位板,胸部熱塑體膜,CT模擬機(jī),Pinnacle v9.8計(jì)劃系統(tǒng),瓦里安Vital Beam直線加速器。

1.3 定位與計(jì)劃

患者均采用仰臥位,胸部熱塑體膜聯(lián)合翼型定位板固定,CT模擬機(jī)進(jìn)行掃描,層厚3 mm,512×512像素重建,掃描完成后,將患者的CT掃描圖像傳送至治療計(jì)劃系統(tǒng)。臨床醫(yī)生根據(jù)ICRU 50號(hào)及62號(hào)建議進(jìn)行腫瘤靶區(qū)和危及器官的勾畫,物理師根據(jù)醫(yī)生的靶區(qū)劑量和危及器官限量要求設(shè)計(jì)和優(yōu)化治療計(jì)劃。治療計(jì)劃經(jīng)臨床醫(yī)生和物理師確認(rèn)后,患者于模擬機(jī)下進(jìn)行復(fù)位,確認(rèn)或重新標(biāo)記腫瘤靶區(qū)。治療計(jì)劃傳送至加速器治療系統(tǒng),患者開始治療程序。

1.4 放療實(shí)施

由兩名治療師對(duì)患者進(jìn)行精確擺位,擺位完成后,進(jìn)行CBCT掃描以觀察患者的實(shí)際擺位誤差大小。CBCT選擇低劑量胸部模式(low dose thorax),掃描范圍178o～182o,層厚3 mm,512×512像素重建,CBCT重建三維圖像與CT定位圖像進(jìn)行灰度配準(zhǔn),采用自動(dòng)配準(zhǔn)加人工檢驗(yàn)的方式,得到x、y、z三維平移和Rx、Ry、Rz三維旋轉(zhuǎn)擺位誤差。對(duì)照組采用三維床模式進(jìn)行三維平移誤差的校正,試驗(yàn)組采用六維床模式進(jìn)行六維平移和旋轉(zhuǎn)誤差的校正,擺位誤差校正完成后,再次進(jìn)行CBCT掃描,以觀察患者六維擺位誤差校正前后的變化情況,之后開始實(shí)施治療。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié) 果

兩組患者分別進(jìn)行擺位誤差校正前后的CBCT掃描各103次和105次。三維床校正前后對(duì)照組x、y、z三維平移誤差和Rx、Ry、Rz三維旋轉(zhuǎn)誤差的分布范圍分別為(-3.9～5.1)/(-1.7～1.7)、(-5.1～4.7)/(-2.1～1.7)、(-4.3～5.1)/(-1.9～2.0)mm和(-3.0～3.3)/(-3.0～3.4)、(-3.2～3.0)/(-3.6～2.8)、(-1.8～2.9)/(-1.6～2.9)mm；三維床校正前后x、y、z平移誤差差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.001、0.013、0.000),而校正前后Rx、Ry、Rz旋轉(zhuǎn)誤差差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.064、0.209、0.140),見表1。試驗(yàn)組x、y、z三維平移誤差和Rx、Ry、Rz三維旋轉(zhuǎn)誤差經(jīng)六維床校正前后的分布范圍分別為(-3.6～5.0)/(-1.0～1.1)、(-5.2～5.1)/(-1.3～0.9)、(-4.6～4.9)/(-1.1～0.9) mm和(-3.0～3.4)/(-0.9～1.5)(-3.2～3.1)/(-0.9～0.8)、(-1.6～2.9)/(-1.3～0.9)mm；六維床校正前后x、y、z、Rx、Ry、Rz六維方向擺位誤差差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000、0.002、0.000、0.000、0.020、0.001),見表2。

校正前,對(duì)照組和試驗(yàn)組患者的x、y、z三維平移和Rx、Ry、Rz三維旋轉(zhuǎn)誤差之間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.599、0.576、0.688、0.498、0.348、0.841)；經(jīng)三維和六維兩種治療床的校正以后,兩組患者六維方向的擺位誤差差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.014、0.007、0.023、0.000、0.011、0.012),見表3、4。

表1 三維床對(duì)擺位誤差的校正精度分析

表2 六維床對(duì)擺位誤差的校正精度分析

表3 兩組患者校正前的擺位誤差比較

表4 兩組患者校正后的擺位誤差比較

3 討 論

肺癌是發(fā)病率和病死率最高的腫瘤之一,放射治療在肺癌的根治性、姑息性、輔助性治療中發(fā)揮著重要作用。特別是隨著IGRT技術(shù)的廣泛應(yīng)用,調(diào)強(qiáng)放療、立體定向放療、質(zhì)子重離子等精確放療技術(shù)的高劑量梯度分布優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮,在保證腫瘤治愈率的前提下,可有效減小腫瘤周邊組織的照射劑量,降低患者的放療副反應(yīng)。IGRT可利用三維或二維圖像引導(dǎo)系統(tǒng)獲取和計(jì)算患者的擺位誤差,用三維或六維治療床來校正和減小擺位誤差；相關(guān)研究[9-12]表明,不同圖像引導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)患者擺位誤差的計(jì)算具有較好的一致性,而不同治療床對(duì)擺位誤差的校正精度則直接影響著患者PTV外放值的大小和腫瘤周邊組織的照射劑量；受人體非剛性組織特點(diǎn)和治療床校正精度的影響,腫瘤患者的擺位誤差即使經(jīng)治療床在線校正后,仍無法消除,而是以剩余誤差的形式存在。

張大偉等[13]研究顯示,經(jīng)三維床校正后,頭頸部腫瘤患者腹背、頭腳、左右方向上的剩余誤差分別為(-0.14±0.51)、(0.19±0.75)、(0.20±0.58)mm；腹盆部腫瘤患者的剩余誤差分別為(0.34±1.61)、(-0.32±1.52)、(-0.28±1.75)mm。本研究顯示,三維床可以有效校正患者x、y、z方向的三維平移誤差(P=0.001、0.013、0.000),剩余誤差分別為(-0.11±0.62)、(0.39±0.85)、(0.14±0.78)mm；同時(shí),平移誤差的校正對(duì)旋轉(zhuǎn)誤差的影響較小,患者的旋轉(zhuǎn)擺位誤差在三維床校正前后差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.064、0.209、0.140)。

六維床伴隨著IGRT的發(fā)展開始應(yīng)用于臨床放療,六維床雖然可以同時(shí)校正患者的平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差,但也有一定的剩余誤差存在。鐘偉偉等[14]利用六維床對(duì)顱內(nèi)腫瘤立體定向放療患者的擺位誤差進(jìn)行校正后,3個(gè)平移方向x、y、z的剩余誤差分別為(0.020±0.016)、(0.012±0.012)、(0.014±0.011)cm,3個(gè)旋轉(zhuǎn)方向Rx、Ry、Rz的剩余誤差分別為(0.080±0.080)°、(0.076±0.075)°、(0.076±0.075)°；姜樹坤等[15]利用六維床對(duì)直腸癌術(shù)前放療患者的擺位誤差進(jìn)行校后,x、y、z方向的剩余誤差分別為(0.01±0.09)、(-0.01±0.05)和(-0.03±0.08)cm,Rx、Ry、Rz方向的剩余誤差分別為(-0.16±0.40)°、(0.36±0.31)°和(-0.01±0.25)°。與三維床對(duì)患者擺位誤差的校正能力相比較,六維床對(duì)旋轉(zhuǎn)誤差的校正則可能有助于線性誤差校正精度的進(jìn)一步提高。本研究顯示,兩組患者校正前的擺位誤差差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.599、0.576、0.688、0.498、0.348、0.841),經(jīng)三維床和六維床校正后,兩組患者x、y、z、Rx、Ry、Rz六維方向的擺位誤差差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000、0.002、0.000、0.000、0.020、0.001)。試驗(yàn)組患者不僅旋轉(zhuǎn)誤差的剩余誤差明顯小于對(duì)照組,而且平移誤差的剩余誤差也小于對(duì)照組。此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于：CBCT圖像與CT圖像間的配準(zhǔn)是對(duì)配準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)的腫瘤及周邊組織進(jìn)行的相似性配準(zhǔn)。申紅峰等[16]、黃家文等[17]研究指出腫瘤放療患者的三維旋轉(zhuǎn)誤差與三維平移誤差存在不同程度的相關(guān)性,三維床雖然可以校正患者的線性誤差,但無法有效校正旋轉(zhuǎn)誤差,旋轉(zhuǎn)誤差的存在,影響線性誤差的進(jìn)一步校正；而六維床則可以同時(shí)校正患者的線性誤差和旋轉(zhuǎn)誤差,旋轉(zhuǎn)誤差的校正則有助于線性誤差的進(jìn)一步減小。因此,在對(duì)IGRT患者的擺位誤差進(jìn)行校正時(shí),六維床的校正精度要高于三維床。

腫瘤患者的常規(guī)放療中,患者的擺位誤差直接影響其PTV外放值的大小,對(duì)于行IGRT的腫瘤患者而言,其PTV外放值的大小則主要受患者剩余誤差的影響。本研究中,利用三維床進(jìn)行對(duì)照組患者的擺位誤差校正后,患者x、y、z方向的剩余誤差分別為(-1.7～1.7)、(-2.1～1.7)、(-1.9～2.0)mm,其PTV外放值可設(shè)置為1.7、2.1、2.0 mm；利用六維床進(jìn)行試驗(yàn)組患者的擺位誤差校正后,不僅Rx、Ry、Rz方向的旋轉(zhuǎn)誤差得到有效校正,其x、y、z方向的剩余誤差也小于對(duì)照組,分別為(-1.0～1.1)、(-1.3～0.9)、(-1.1～0.9)mm,其PTV外放值設(shè)置為1.1、1.3、1.1 mm即可,說明六維床可提供比三維床更小的PTV外放值,較小的PTV外放值為更進(jìn)一步降低患者的放療副反應(yīng)提供了可能。

綜上所述,在腫瘤的IGRT中,圖像引導(dǎo)設(shè)備可以精確檢測(cè)患者的實(shí)際擺位誤差,而患者擺位誤差校正則是由治療床來完成；與傳統(tǒng)的三維治療床相比,六維治療床具有更高的擺位誤差的校正精度,可更有效地減小患者的PTV外放值,進(jìn)而更有效地降低患者的放療副反應(yīng)。因此,在腫瘤的IGRT中,應(yīng)優(yōu)先選擇六維治療床進(jìn)行患者擺位誤差的校正。