直線加速器機(jī)載千伏級扇形束CT和兆伏級錐形束CT系統(tǒng)在放療擺位誤差中的應(yīng)用

周勇，江澤瑩，蘇寶鋒，周劍烽，王騫，王安婷，劉靜嫻，薛琰，馮惠儀，吳小亮，肖明星，譚文勇

0 引言

圖像引導(dǎo)放射治療（image guided radiation therapy, IGRT）已經(jīng)成為惡性腫瘤治療的重要手段之一，機(jī)載先進(jìn)影像可以減小、校正患者的擺位誤差，提高患者放療的準(zhǔn)確性[1-2]。目前基于三維IGRT已經(jīng)成為主流，按能量可分為千伏級（kilovolt, kV）和兆伏級（megavolt, MV）[3]，根據(jù)CT成像原理可分錐形束CT（cone beam CT, CBCT）和扇形束CT（fan beam CT, FBCT），F(xiàn)BCT的圖像質(zhì)量優(yōu)于CBCT。一體化直線加速器機(jī)載的圖像引導(dǎo)系統(tǒng)如聯(lián)影直線加速器uRT 506c、CT-on-rail機(jī)載kV-FBCT[1]。雖然這種機(jī)載FBCT在線掃描時具有與診斷CT相似的圖像質(zhì)量[4-5]，但kV-FBCT的中心與直線加速器治療中心相距超過1米，導(dǎo)致采集kV影像時和放療的時間之間有一定時間間隔，從而導(dǎo)致潛在的誤差。因此，非等中心的kV影像清晰度是否能有效減低擺位誤差、治療計(jì)劃體積（planning target volume, PTV）邊界仍需要深入探索。南方醫(yī)科大學(xué)深圳醫(yī)院在2022年6月安裝聯(lián)影一體式直線加速器uRT-linac 506c并在腫瘤科開始投入使用，現(xiàn)回顧性分析該機(jī)器所配置的kVFBCT和MV-CBCT校位數(shù)據(jù)，分析不同部位腫瘤患者在PTV各個方向的擺位誤差和外放邊界。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

收集2022年6月—2022年9月間在南方醫(yī)科大學(xué)深圳醫(yī)院腫瘤科行放射治療的所有患者73例，剔除完成放射治療≤3次的患者1例及照射上肢患者2例，共入組患者70例。其中男性36例、女性34例；年齡29～86歲，中位年齡58歲。根據(jù)照射部位不同將患者分為5個亞組：頭頸組14例，胸部組（除乳腺）11例，乳腺組23例，上腹部組9例及盆腔組13例；行根治性放療和輔助及新輔助放療者33例，共計(jì)901例次，劑量范圍：36～69.96 Gy，中位劑量60 Gy。姑息放療37例，共計(jì)604例次，劑量范圍：20～50 Gy，中位劑量30 Gy。所有患者均已簽署知情同意書，該研究獲得南方醫(yī)科大學(xué)深圳醫(yī)院倫理委員會的批準(zhǔn)（NYSZYYEC20220029）。

1.2 體位固定及CT掃描

頭頸組統(tǒng)一采用頭頸肩面罩固定，仰臥位；其他組均為真空墊固定，仰臥位，肝臟腫瘤放療需行腹部氣囊加壓固定，因患者不配合可以不做強(qiáng)制要求；盆腔組需適當(dāng)充盈膀胱，排空直腸。模擬掃描CT為聯(lián)影uCT-710，60排，孔徑70 cm，掃描層厚：頭頸部2 mm，胸腹部3 mm，電壓均為120 kV；管電流：頭頸部285 mAs，其余部位150 mAs。直線加速器機(jī)載kV-FBCT為24排16層診斷級立體等像素CT，孔徑70 cm，掃描條件如下：電壓均為120 kV；管電流：頭頸部為20 mAs，胸腹部75 mAs；MV-CBCT掃描條件如下：1.5 MV-X線，頭頸部直線加速器機(jī)器跳數(shù)為7.2，其余部位總跳數(shù)為9。

1.3 圖像采集及配準(zhǔn)

圖像采集基于聯(lián)影直線加速器uRT-linac 506c機(jī)載的圖像引導(dǎo)系統(tǒng)，患者常規(guī)擺位后放療前行kV-FBCT或MV-CBCT掃描，與計(jì)劃CT圖像配準(zhǔn)，由加速器自帶軟件完成周圍骨組織和PTV配準(zhǔn)，技師和醫(yī)師共同確認(rèn)配準(zhǔn)后分別記錄配準(zhǔn)中心點(diǎn)在患者左右（left-right, LR)、前后（anteriorposterior, AP）和頭腳（superior-inferior, SI）方向的位移。共采集配準(zhǔn)圖像1 130例次，行kB-FBCT掃描1 025例次，MV-CBCT掃描105例次。其中頭頸組195例次，掃描配準(zhǔn)圖像為4～33例次，中位值為11例次；胸部組168例次，掃描配準(zhǔn)圖像為6～23例次，中位值為15例次；乳腺組431人次，掃描配準(zhǔn)圖像為10～27例次，中位值為20例次；上腹部組128例次，掃描配準(zhǔn)圖像為4～22例次，中位值為15例次，盆腔組208例次，掃描配準(zhǔn)圖像為6～30例次，中位值為14例次。

1.4 擺位誤差數(shù)據(jù)分析及計(jì)算

記錄擺位誤差LR、AP、SI三個方向的數(shù)值，在LR、AP和SI方向上均可獲得不同的位移數(shù)值。在同一個方向上，對某一個患者的多次位移數(shù)值可計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation, SD），當(dāng)有n例患者時，則可計(jì)算n個SD。計(jì)算n例患者在單一方向上所有位移的平均值即為絕對位移偏差；根據(jù)n個SD值再計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差即為系統(tǒng)誤差（Σ），n例患者SD的均方根（）即為隨機(jī)誤差（б）。根據(jù)PTV邊界公式（2.5Σ+0.7б）可計(jì)算患者在該方向上所需要的PTV外放邊界[6-7]。

1.5 三維位移的分析及計(jì)算

三維位移為同一個患者當(dāng)次治療時左右、前后和頭腳方向位移時三維空間歐幾里得距離()。根據(jù)公式分別計(jì)算kV-FBCT和MVCBCT掃描患者三維位移[7-8]。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

用微軟Excel軟件計(jì)算擺位誤差及估計(jì)PTV邊界。用SPSS20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Mann-Whitney U 檢驗(yàn)分析kV-FBCT與MV-CBCT圖像引導(dǎo)在不同部位中三維位移差異，雙側(cè)以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

70例患者在治療過程中進(jìn)行擺位驗(yàn)證，采集kV-FBCT和MV-CBCT掃描圖像共1 130例次，產(chǎn)生1 130組三維方向上的擺位誤差數(shù)據(jù)。各組在三維方向上產(chǎn)生的平均位移及根據(jù)平均位移得出每組對應(yīng)的系統(tǒng)誤差及隨機(jī)誤差，各組平均位移：左右方向波動在-0.3～1.0 mm之間，前后方向波動在-0.5～0.5 mm之間，頭腳方向波動在-1.2～1.0 mm之間，其中各組頭腳方向位移變化最明顯。各組系統(tǒng)誤差：左右方向?yàn)?.5～1.9 mm，前后方向?yàn)?.5～1.5 mm，頭腳方向?yàn)?.9～1.4 mm，隨機(jī)誤差：左右方向?yàn)?.2～2.8 mm，前后方向?yàn)?.9～2.3 mm，頭腳方向?yàn)?.8～3.1 mm，見表1。

表1 70例患者kV-FBCT和MV-CBCT引導(dǎo)所得的不同解剖部位的三維方向擺位誤差值 (mm)Table 1 Set-up errors indifferent anatomical sites of 70 patients with kV-FBCT and MV-CBCT guidance (mm)

2.2 PTV外放邊界及三維位移

根據(jù)推薦外擴(kuò)PTV邊界公式得出各組三維外放邊界及三維位移，頭頸組三維方向外放邊界在1.9～3.1 mm，乳腺組在4.6～5.1 mm，上腹部組在3.0～5.5 mm，盆腔組在3.5～6.8 mm，見表2。70例患者共記錄到1 130例次位移偏差，各組患者3D位移散點(diǎn)圖，見圖1。頭頸組3D平均位移為2.4±1.0 mm，乳腺組為4.1±2.0 mm，盆腔組為4.6±2.1 mm，各組3D位移箱式圖見圖2、表2。

圖1 70例患者不同解剖部位3D位移散點(diǎn)圖Figure 1 3D displacements in different anatomical sites of 70 patients

圖2 各組三維方向平均位移的箱式圖Figure 2 Box plot of 3D mean displacement of each group

表2 70例患者kV-FBCT和MV-CBCT測得的不同解剖部位各方向外擴(kuò)邊界及三維位移值 (mm)Table 2 Estimated PTV margin and 3D displacements of the different anatomical sites in 70 patients from kV-FBCT and MV-CBCT in each direction (mm)

2.3 kV-FBCT和MV-CBCT三維位移結(jié)果

經(jīng)兩種不同機(jī)載圖像引導(dǎo)系統(tǒng)分析擺位誤差，計(jì)算得出kV-FBCT （非等中心IGRT）和MVCBCT（等中心IGRT）組所有患者三維位移中位值分別為4.1 mm和3.4 mm，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.212），見圖3、表3。在不同部位的腫瘤IGRT中，乳腺癌的FBCT引導(dǎo)所導(dǎo)致的三維位移明顯大于MV-CBCT，而在頭頸部、胸腹部及盆腔腫瘤中兩者的三維位移的差異未達(dá)到有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的水平。

圖3 kV-FBCT和MV-CBCT組所有患者三維位移箱式圖Figure 3 The box plot of 3D displacement of all patients in kVFBCT and MV-CBCT groups

表3 不同圖像引導(dǎo)方式的三維位移值 (mm)Table 3 3D displacement values by different image-guiding methods (mm)

3 討論

本研究提示在直線加速器上加載具有診斷級清晰圖像的FBCT可進(jìn)行IGRT，除了提供高清晰的CT影像外，其擺位誤差也令人滿意。與等中心的MV-CBCT校正體位相比，非等中心的FBCT可帶來潛在誤差，本研究提示用FBCT進(jìn)行IGRT需要在PTV邊界可能額外增加1 mm的邊界來補(bǔ)償其不確定性，但仍需深入研究。

目前臨床上應(yīng)用最廣泛的IGRT是CBCT，但它在圖像質(zhì)量、均勻性和解剖準(zhǔn)確性等方面與FBCT相比均存在明顯劣勢[9]，因此有文獻(xiàn)表明FBCT更適合用于體內(nèi)成像，同時與kV-CBCT相比，F(xiàn)BCT在掃描中患者實(shí)際接受的輻射劑量更低[9]。與MVCBCT圖像相比，kV-FBCT掃描圖像更清晰[9]，可更好地有效降低治療時的體位誤差，發(fā)現(xiàn)治療期間腫瘤和正常組織的變化，從而為自適應(yīng)放療提供強(qiáng)有力的臨床保證。理論上講kV-FBCT圖像清晰度提高可能會有效減少治療擺位誤差，而在本研究中暫未觀察到這種結(jié)果，反而kV-FBCT三維位移比MV-CBCT大0.7 mm（4.1 mmvs.3.4 mm），盡管兩種CT的三維位移在數(shù)值上無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但在臨床實(shí)踐中尤其在使用立體定向放射外科治療技術(shù)時，0.7 mm誤差也需要引起臨床醫(yī)師的足夠重視。在亞組分析中發(fā)現(xiàn)乳腺組23例患者，其中有52%（12例）患者擺位驗(yàn)證交替使用了這兩種技術(shù)，分別配準(zhǔn)并采集圖像為355例次和74例次，kV-FBCT三維位移大于MV-CBCT，可能是機(jī)載的kV-FBCT與MV射線并非同一個等中心，兩者相距1 m以上，在從FBCT圖像獲取實(shí)施放射治療的過程中有一定的時間與距離差，從而導(dǎo)致潛在的不確定性。提示如果采用FBCT進(jìn)行IGRT，需要額外增加1 mm的PTV邊界，從而導(dǎo)致更多的正常組織接受不必要的高劑量照射。

對于頭頸部腫瘤來說，從每周1次的電子射野影像驗(yàn)證系統(tǒng)到每周1次的MV-CBCT驗(yàn)證，圖像引導(dǎo)系統(tǒng)清晰度的提高能夠更加精確的糾正擺位誤差，可以使臨床靶區(qū)外放邊界從5 mm縮小到現(xiàn)在公認(rèn)的3 mm[10]。本研究中頭頸組14例患者每周至少3次以上kV-FBCT掃描，提示三維外放邊界范圍為1.9～3.1 mm，多次FBCT引導(dǎo)的前提下左右和前后方向僅需要外放2 mm就可能滿足臨床需要。Tan等[11]也同樣認(rèn)為在鼻咽癌放射治療中2 mm的外擴(kuò)邊界足夠覆蓋>95%的幾何范圍，甚至認(rèn)為如果在放療的第3周行自適應(yīng)放療更改放療計(jì)劃，1 mm的外擴(kuò)邊界也是足夠的，因此縮小外放邊界可能更加精確地保護(hù)周圍危及器官減輕放療反應(yīng)，而臨床上我們通常采用的PTV均勻外放邊界并非最佳，個體化的PTV可能更加合理，但需要進(jìn)一步探索[12]。本研究也發(fā)現(xiàn)圖像引導(dǎo)下乳腺組三維平均位移僅為2.4 mm，在左右、前后及頭腳方向PTV外放邊界分別為4.6、4.9及5.1 mm，系統(tǒng)誤差為1.2～1.5 mm，與Donovan等[13]研究結(jié)果一致。

擺位誤差最小化、放療期間的有效運(yùn)動管理、統(tǒng)一的靶區(qū)定義及最佳的PTV邊界為放療流程所關(guān)注的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。很多學(xué)者利用各種先進(jìn)的圖像引導(dǎo)系統(tǒng)來確定CTV與PTV邊界的關(guān)系[14-15]，本研究發(fā)現(xiàn)頭頸組的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差均較小，三個方向均<2 mm，而且在頭頸組和乳腺組中各方向外擴(kuò)邊界與三維外擴(kuò)邊界值近似，說明在某些部位采用某一固定數(shù)值外放成PTV邊界可能是合理的，而且提示頭頸組不需要每次照射前均行FBCT檢驗(yàn)，這樣使得臨床操作簡便，提高效率。但在上腹部組和盆腔組中由于各方向外擴(kuò)與三維外擴(kuò)邊界值差異明顯，需個體化三維方向而非均勻外放似乎更符合臨床特點(diǎn)。

臨床所需PTV的大小主要參照治療單位各自的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的大小，并有數(shù)個不同的PTV計(jì)算公式[6]。也有劑量覆蓋統(tǒng)計(jì)模型、腫瘤控制概率與正常組織并發(fā)癥概率模型等[14]，然而，這些模型的臨床可靠性需要深入驗(yàn)證。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，近年來開發(fā)了多種指標(biāo)用于預(yù)測放療期間腫瘤和正常組織的變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)PTV的個體化和可視化。本團(tuán)隊(duì)近年來所研發(fā)的一系列預(yù)測方法及模型，如基于三維影像的形狀統(tǒng)計(jì)模型[11]、基于形變配準(zhǔn)用于預(yù)測放療期間的解剖變化從而實(shí)現(xiàn)在治療設(shè)計(jì)中盡量減小PTV[16-18]。也有基于大數(shù)據(jù)、人工智能等機(jī)器學(xué)習(xí)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、支持向量機(jī)模型等，所有這些均仍需進(jìn)一步臨床驗(yàn)證[19-20]。

使用不同的圖像引導(dǎo)系統(tǒng)來決定外放邊界遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以滿足目前精準(zhǔn)放療的臨床需求，將不同的運(yùn)動管理技術(shù)，器官形變特點(diǎn)與放療具體部位相結(jié)合才能更加準(zhǔn)確地確定PTV[21]，本研究僅行圖像引導(dǎo)系統(tǒng)來推測腫瘤外放邊界有一定的局限性。腹部和盆腔由于臟器充盈程度的不同和器官在體內(nèi)的相對運(yùn)動可能造成較大誤差，即使是同一部位也可以由于固定方式不同限制了運(yùn)動幅度而導(dǎo)致擺位誤差的變化。本研究中得出上腹部組（9例）和盆腔組（13例）三維位移相同（均為4.6 mm），可能是由于上腹部組行kV-FBCT8例和MV-CBCT1例，樣本量偏少導(dǎo)致，臨床實(shí)踐中擴(kuò)大樣本量可能會得出不同的結(jié)果，但在各組患者中三維位移變化總體趨勢均符合臨床實(shí)踐。本研究中絕大多數(shù)配準(zhǔn)圖像均采用kB-FBCT（占90%），MV-CBCT掃描數(shù)量不夠，MV-CBCT初步使用臨床經(jīng)驗(yàn)有待提升。

綜上所述，直線加速機(jī)載的kV-FBCT能取得和模擬CT相似質(zhì)量的圖像，最大的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得患者治療前實(shí)時的三維清晰圖像，更準(zhǔn)確地反映患者真實(shí)的空間體位，為更精準(zhǔn)的自適應(yīng)放療創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件，在校驗(yàn)擺位誤差方面可獲得與MV-CBCT相似的可定量的擺位誤差數(shù)據(jù)，均可為實(shí)施精準(zhǔn)放療提供參考。但非等中心的FBCT引導(dǎo)可能導(dǎo)致潛在的誤差，需要在臨床上特別關(guān)注并深入研究。

利益沖突聲明：

所有作者均聲明不存在利益沖突。