頭頸放療中Catalyst 系統(tǒng)監(jiān)測擺位誤差的參數(shù)依賴性分析*

彭海燕，毛開金，何 陽，羅煥麗，靳 富

(重慶大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院/重慶市腫瘤研究所/重慶市腫瘤醫(yī)院放療科 400030)

零輻射光學(xué)引導(dǎo)放療已成功應(yīng)用于臨床[1-2]。Catalyst系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光原理，可實(shí)時(shí)跟蹤患者體表輪廓并與參考影像配準(zhǔn)，獲取患者六維方向的亞毫米偏差并及時(shí)反饋，通過不同顏色光指導(dǎo)治療師快速糾正擺位誤差。在患者治療期間還可驅(qū)動呼吸門控開關(guān)[3-4]。

近年來Catalyst系統(tǒng)內(nèi)置算法逐漸升級，在原有剛性算法下新增一套彈性算法。彈性算法可在配準(zhǔn)計(jì)算中優(yōu)化權(quán)重比，理論上針對形變位移更具有優(yōu)勢，誤差計(jì)算準(zhǔn)確率更高?；谀[瘤患者，前期研究發(fā)現(xiàn)[7-10]，Catalyst系統(tǒng)易受患者的年齡、BMI、膀胱容積及皮膚狀態(tài)的影響[5-6]；而基于Catalyst系統(tǒng)本身，有學(xué)者針對模體展開研究[11]，發(fā)現(xiàn)彈性算法與剛性算法在非形變位移中基本無差異，而在形變位移中差別較大。

Catalyst系統(tǒng)在頭頸部腫瘤患者放療中的應(yīng)用目前已有深入研究[12-13]，在頭頸放療過程中，形變位移和非形變位移均存在。但Catalyst系統(tǒng)內(nèi)由不同參考影像、不同算法、不同感興趣區(qū)(ROI)導(dǎo)致的頭頸患者的擺位誤差差異鮮有報(bào)道，故本研究旨在探討Catalyst系統(tǒng)采用不同配準(zhǔn)算法、參考影像、ROI對不同年齡、性別的頭頸部腫瘤患者的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2019-2020年收治的頭頸部腫瘤患者33例，均為鼻咽癌，其中男18例，年齡27～69歲，中位年齡53歲，女15例，年齡33～84歲，中位年齡54歲。所有患者均由資深物理師在Varian Eclipse三維治療計(jì)劃系統(tǒng)中制訂計(jì)劃，9野調(diào)強(qiáng)放療(IMRT)，劑量50 Gy分25次實(shí)施，治療計(jì)劃由Varian IX直線加速器傳輸。

1.2 擺位固定和影像配準(zhǔn)

用Daily QA3和Daily Check phantom分別對加速器和Catalyst系統(tǒng)進(jìn)行晨檢。33例頭頸部腫瘤患者均采用頭頸肩熱塑膜仰臥位固定體位。首次擺位流程：基于激光與膜上標(biāo)記擺位后，采用瓦里安機(jī)載錐形束CT(CBCT)影像系統(tǒng)驗(yàn)證，平移擺位誤差均≤3 mm，移床糾正誤差；應(yīng)用Catalyst系統(tǒng)進(jìn)行頭頸部參考影像的采集，先采集有膜圖像并拍照，隨后囑患者保持不動，一位治療師監(jiān)督，另一位治療師取膜迅速采集無膜圖像并拍照，完畢后迅速扣膜，再次采集有膜圖像驗(yàn)證，并再次行CBCT驗(yàn)證。第2次CBCT在左右(LR)、頭腳(SI)、腹背(AP)的偏差均≤1 mm認(rèn)為是有效數(shù)據(jù)，否則舍棄，2次拍照圖像分別為有膜、無膜的參考影像(有膜ImagCat、無膜ImagCat)。以后每次擺位流程：常規(guī)擺位后，應(yīng)用Catalyst系統(tǒng)分別采集患者無膜、有膜的實(shí)時(shí)影像并配準(zhǔn)，治療師依據(jù)投射至患者體表的不同顏色光進(jìn)行局部校準(zhǔn)，采集無膜影像后迅速扣膜，再采集有膜影像驗(yàn)證無誤，每周進(jìn)行1次CBCT驗(yàn)證。CBCT曝光條件為75 kV，200 mA，25 ms，影像匹配均為骨性配準(zhǔn)。Catalyst系統(tǒng)增益與積分時(shí)間參數(shù)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)：獲取的表面影像呈灰白色且剛好出現(xiàn)紅色曝光點(diǎn)。在Catalyst系統(tǒng)軟件后臺進(jìn)行參考影像(定位CT：ImagCT，體表光學(xué)：有膜ImagCat、無膜ImagCat)、配準(zhǔn)算法(彈性：Algoela、剛性：Algorig)、ROI(頭+頸：ROIHN、頭：ROIH、頸：ROIN)的更改并計(jì)算相應(yīng)的擺位誤差。記錄患者性別、年齡，CBCT擺位誤差(SECBCT)及Catalyst系統(tǒng)在3個(gè)平移方向下(LR、SI、AP)及3個(gè)對應(yīng)旋轉(zhuǎn)方向[左右旋轉(zhuǎn)(Roll)、頭腳旋轉(zhuǎn)(Rot)、腹背旋轉(zhuǎn)(Pitch)]的擺位誤差(SECat)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié) 果

2.1 CBCT與Catalyst系統(tǒng)在頭頸放療中的擺位差異

33例患者(共計(jì)262組數(shù)據(jù))的擺位誤差見表1，Varian Ⅳ直線加速器常規(guī)行CBCT驗(yàn)證時(shí)只考慮三維平移誤差。差異性分析可見：SECBCT與患者有膜狀態(tài)下的SEcat(有膜SEcat)；無膜狀態(tài)下的SEcat(無膜SEcat)在平移方向均存在一定差異(P<0.05)，無膜SEcat與CBCT更接近。

2.2 頭頸放療中Catalyst系統(tǒng)監(jiān)測在不同參考影像、配準(zhǔn)算法下的擺位誤差比較

以ImagCT和ImagCat為參考的SEcat比較：在LR方向上，>45～60歲的男性患者、>60歲的女性患者有膜SEcat和無膜SEcat，≤45歲的患者無膜SEcat，>60歲的男性患者有膜SEcat差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。在Algoela下，除SI方向外，≤45歲的男性患者無膜SEcat差異也無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

以ImagCat為參考，Algoela與Algorig的2種配準(zhǔn)算法的SEcat比較，見圖1：紅色為女性，黑色為男性，P值越小，兩者差異性越大。LR、SI、AP方向上的SEcat分析顯示：≤60歲的男性患者Algoela與Algorig的有膜SEcat和無膜SEcat差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，>60歲時(shí)在SI方向開始出現(xiàn)較小差異：Algoela與Algorig的有膜SEcat分別為(0.22 ±1.43)、(-0.27 ±0.51)mm，無膜SEcat分別為(0.72±2.76)、(1.24 ±2.93)mm。女性患者在LR方向上，Algorig和Algoela的有膜SEcat和無膜SEcat差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

黑色為男性，紅色為女性。a：P 0.05～0.01；b:P 0.01～0.001。

2.3 頭頸放療中Catalyst監(jiān)測在不同ROI下的擺位誤差比較

在Catalyst系統(tǒng)軟件后臺進(jìn)行每分次實(shí)時(shí)影像的截取，在不改變圖像質(zhì)量的前提下分別截至頭部和頸部并保存。在軟件后臺同一參考影像下更替ROI下(ROIHN、ROIH、ROIN)的不同實(shí)時(shí)影像并計(jì)算相應(yīng)的擺位誤差。因后臺不能進(jìn)行參考影像的截取，參考影像仍為頭頸部輪廓。本研究發(fā)現(xiàn)在Algorig下實(shí)時(shí)影像更替為ROIH、ROIN后Catalyst配準(zhǔn)擺位誤差出現(xiàn)異常(>100 mm)，而選擇Algoela進(jìn)行Catalyst配準(zhǔn)卻無異常發(fā)生。因此，本研究在不同ROI下(ROIHN、ROIH、ROIN)的SEcat僅納入Algoela分析。研究發(fā)現(xiàn)在ROIHN、ROIH、ROIN下，因參考的選取不同而配準(zhǔn)得到的SEcat差異較大，僅有少數(shù)情況差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，其中包括：(1)分別以ImagCT、有膜ImagCat、無膜ImagCat為參考對比分析時(shí)，≤45歲、>60歲的男性患者在LR方向的有膜SEcat監(jiān)測，≤45歲的男性、>60歲的女性患者在Rot和Pitch方向的無膜SEcat監(jiān)測；(2)分別以有膜、無膜ImagCat為參考對比分析時(shí)，男性患者≤45歲在SI方向、>45～60歲在AP和Roll方向、>45歲在Pitch方向，女性患者≤45歲在Roll方向、>45歲在SI方向的有膜SEcat和無膜SEcat。見表2。

以有膜ImagCat、無膜ImagCat為參考的擺位誤差，即有膜SEcat、無膜SEcat與年齡的相關(guān)性見表3：>45～60歲的男性患者在SI方向，不同ROI分析下的無膜SEcat與年齡均呈正相關(guān)(r=0.421、0.414、0.409)?！?5歲的女性患者在SI方向，無膜SEcat與年齡均呈負(fù)相關(guān)(r=-0.321、-0.537、-0.601)，>60歲的女性患者在LR方向，有膜SEcat與年齡均呈顯著正相關(guān)(r=0.557、0.679、0.637)。見表3。采用ROIHN、ROIH、ROIN分析的無膜SEcat差異見表4：除ROIHN與ROIN在LR方向上的無膜SEcat基本無差異外，其他無膜SEcat在各方向、各年齡段均存在一定差異(P<0.05)。

表1 CBCT與Catalyst引導(dǎo)頭頸部腫瘤患者的擺位誤差分布

表2 分別在ROIHN、ROIH、ROIN下采用不同參考影像的擺位誤差(P值)

方向年齡ImagCTvs. 無膜ImagCat女ROIHNROIHROINImagCat有膜 vs. 無膜ImagCat男ROIHNROIHROIN女ROIHNROIHROINLR≤45歲0.305 0.001 <0.001 <0.001 0.057 <0.001 0.025 <0.001 <0.001 >45～60歲<0.001 0.105 <0.001 0.049 0.027 0.040 <0.001 0.006 0.001 >60歲0.414 0.005 0.676 0.265 0.116 0.021 0.017 0.002 0.001

續(xù)表2 分別在ROIHN、ROIH、ROIN下采用不同參考參考影像的擺位誤差(P值)

表3 Catalyst在ROIHN、ROIH、ROIN下有膜、無膜擺位誤差與年齡的相關(guān)性(r值)

表4 在ROIHN、ROIH、ROIN下的Catalyst無膜擺位誤差 (P值)

3 討 論

Catalyst表面光學(xué)成像系統(tǒng)通過投射不同顏色的光指導(dǎo)治療師糾正患者的擺位誤差，應(yīng)用結(jié)構(gòu)光原理進(jìn)行參考影像和實(shí)時(shí)影像的配準(zhǔn)。CBCT與Catalyst引導(dǎo)頭頸放療擺位存在較好的相關(guān)性[14]，鼻咽癌體外誤差與體內(nèi)誤差間也具有良好的一致性[15]，本研究中無膜SEcat與SECBCT稍有差異，主要是因?yàn)镃BCT未配準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)方向的擺位誤差。而Catalyst系統(tǒng)進(jìn)行了六維方向擺位誤差的配準(zhǔn)，是否考慮旋轉(zhuǎn)本身存在一定差異[16]。本研究旨在探討針對不同年齡、性別的頭頸部腫瘤患者，Catalyst系統(tǒng)采用不同配準(zhǔn)算法、參考影像、ROI計(jì)算的擺位誤差差異。

Catalyst系統(tǒng)采用不同參考影像引導(dǎo)頭頸擺位，差異性分析發(fā)現(xiàn)：ImagCT與有膜ImagCat差異較無膜ImagCat更大。≤45歲的患者在Catalyst無膜監(jiān)測下，ImagCT替代無膜ImagCat僅LR方向應(yīng)用Algoela、Algorig2種算法配準(zhǔn)的無膜SEcat無差異。CT為斷層掃描，由DICOM影像中提取圖像邊緣輪廓，再基于體素的等值面法實(shí)現(xiàn)三維重建[17]，掃描參數(shù)的選取和掃描時(shí)體素位置的不同對三維重建輪廓及放射治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS)自動勾畫有較大影響[18]，由此導(dǎo)致ImagCT和ImagCat存在一定差異。有研究報(bào)道由于鼻和前額的輪廓差異，光學(xué)監(jiān)測鼻部動度更加精準(zhǔn)[19]；≤45歲的患者頭頸部輪廓明顯，LR方向移動會引起較大輪廓曲率改變，Catalyst系統(tǒng)在2種算法下對此信息的捕捉均較敏感，故采用ImagCT和ImagCat在LR方向基本無差異。

以ImagCat為參考，Catalyst系統(tǒng)采用不同算法進(jìn)行擺位誤差的配準(zhǔn)，差異性分析發(fā)現(xiàn)：應(yīng)用Algorig和Algoela的有膜SEcat及無膜SEcat，平移方向上，男性患者除>60歲時(shí)SI方向存在差異，其他均無差異，女性患者LR方向無差異，而SI方向差異最大；男性在Pitch方向無膜SEcat差異最大。因治療師行頭頸擺位時(shí)，患者很易下巴過揚(yáng)或過低，老年患者因不易配合，導(dǎo)致SI方向和Pitch方向易出現(xiàn)形變位移。PALLOTTA等[11]基于模體的研究報(bào)道，Algorig和Algoela下的無膜SEcat非形變位移基本無差異；形變位移中Algoela的無膜SEcat在LR、SI和Pitch方向監(jiān)測更準(zhǔn)確：LR方向誤差可由1.9 mm降低至1.1 mm，SI由1.1 mm降低至0.6 mm，Pitch由0.8°降低至0.4°。由此，本研究建議將彈性算法(Algoela)設(shè)置為默認(rèn)算法，更能準(zhǔn)確監(jiān)測偏差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)放療。

以ImagCat為參考，采用Algoela進(jìn)行擺位誤差的配準(zhǔn)，在不同ROI下分別分析參考影像間的差異和患者年齡對擺位誤差的影響，發(fā)現(xiàn)采用不同ROI分析的結(jié)果中規(guī)律一致(均無差異)的情況較少。有學(xué)者應(yīng)用AlignRT光學(xué)系統(tǒng)對頭頸部模體的2個(gè)ROI進(jìn)行監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)[19]，以鼻為ROI，監(jiān)測精度可達(dá)(0.3±0.2)mm，而以前額為ROI，對LR、SI、AP 3個(gè)方向的監(jiān)測均出現(xiàn)更大偏差，其中SI方向偏差最大，可達(dá)(0.8±0.5)mm，由此說明ROI的選擇對光學(xué)監(jiān)測的影響較大，與本次應(yīng)用Catalyst系統(tǒng)基于頭頸部腫瘤患者的研究結(jié)果一致。本研究針對ROIHN、ROIH、ROIN進(jìn)一步詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)僅在Rot和Pitch方向，≤45歲的男性患者及>60歲的女性患者對ROI及參考影像的依賴較小，這可能是由于青年男性患者面部脂肪少，輪廓明顯，而女性患者面部脂肪多，隨年齡增加面部脂肪量下降，老年時(shí)面部輪廓明顯[20]，故在不同參考影像下的光學(xué)監(jiān)測差異較小；同時(shí)常規(guī)擺位時(shí)膜具可控制頭頸旋轉(zhuǎn)在較小的范圍，因頭部旋轉(zhuǎn)會牽引頸部旋轉(zhuǎn)，故在不同ROI下Rot和Pitch方向的旋轉(zhuǎn)基本無差異。>45～60歲的男性患者在SI方向，不同ROI分析下的無膜SEcat與年齡均呈正相關(guān)，有學(xué)者也報(bào)道隨年齡增加，皮膚彈性變?nèi)?，頭頸部無膜SEcat增大，與男性患者年齡呈正相關(guān)[8]。ZHAO等[21]將面部和頸部分別行AlignRT光學(xué)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)頸部的動度較頭部更大，由此說明頭頸整體的監(jiān)測結(jié)果中，頸部對擺位誤差的貢獻(xiàn)更大，本研究將ROIHN、ROIH、ROIN的擺位誤差進(jìn)行比較也發(fā)現(xiàn)，ROIHN與ROIN的在LR、SI、AP方向上的無膜SEcat基本無差異，而ROIH與上述差異較大。由此，采用Catalyst系統(tǒng)引導(dǎo)頭頸擺位時(shí)，根據(jù)患者靶區(qū)位置選擇ROI，更能提高監(jiān)測精度。

綜上所述，光學(xué)表面成像系統(tǒng)引導(dǎo)頭頸放療擺位具有一定的臨床價(jià)值[22-23]，Catalyst系統(tǒng)目前應(yīng)用廣泛[24-26]。經(jīng)論證，本研究建議應(yīng)用Catalyst系統(tǒng)引導(dǎo)頭頸擺位時(shí)，以ImagCat為參考(CBCT、kV-kV等驗(yàn)證)，在Algoela下，選擇靶區(qū)所在的特定ROI(頭、頸等)，并充分暴露體表，可更精確地指導(dǎo)治療師擺位。