補償角度算法糾正放射治療擺位旋轉誤差

王彬冰 單國平

補償角度算法糾正放射治療擺位旋轉誤差

王彬冰①單國平①

目的：闡述一種在未配備六維治療床的直線加速器上，使用旋轉誤差補償角度消除患者旋轉誤差的方法。方法：使用錐形束CT(CBCT)獲得患者每次六維擺位誤差，在剛體假設下，根據擺位誤差定義加速器坐標系和患者坐標系的變換矩陣。使用2個獨立矢量描述加速器機架角、治療床轉角和準直器轉角3個變量，對這2個矢量作坐標變換后，即可得到加速器旋轉誤差補償角度。結果：使用加速器旋轉誤差補償角度，能完全糾正治療過程中的擺位旋轉誤差，糾正旋轉誤差耗時少，可以加入圖像引導放射治療(IGRT)的日常操作流程中。結論：用旋轉誤差補償角度替代六維治療床，糾正擺位旋轉誤差的方法簡單可行，可以使未配備六維治療床的加速器具備糾正擺位旋轉誤差的能力。

擺位旋轉誤差；六維治療床；旋轉誤差補償角度算法；圖像引導放射治療

[First-author’s address] Department of Medical Physics, Zhejiang Tumor Hospital, Hangzhou 310000, China.

擺位誤差和器官運動是腫瘤放射治療過程中不確定性的主要因素。近年來，隨著圖像引導放射治療(image guidance radiotherapy，IGRT)的發展以及錐形束CT(cone beam CT，CBCT)和圖像配準軟件的應用，放射治療中的擺位誤差已能被精確測量，從傳統的三維平移誤差精確到三維平移誤差加三維旋轉誤差[1-4]。雖然平移誤差可以簡單地通過移動普通治療床即可消除，但目前主流的加速器治療機上都未配備糾正旋轉誤差的特殊治療床，如Elekta的六維機械治療床HexaPod。本研究通過矩陣變換，計算出無六維床下采用機架和治療床的旋轉誤差等效補償角度。

1 設備與方法

1.1 擺位誤差數據獲取

采用熱塑型體罩固定患者體位，在患者體表勾畫定位標記，使用美國Philips大孔徑CT模擬機行CT模擬定位掃描，掃描層厚5 mm；該CT圖像作為圖像融合配準的參考圖像。患者每次治療前調整體位，使治療室激光燈系統和患者體表標記重合；在Elekta加速器X射線容積影像(X-ray volume imaging，XVI)系統行KV-CBCT掃描并作擺位分析。先將獲取的圖像與參考CT圖像依據骨性或軟組織自動配準，再由臨床醫生和物理師根據電腦配準結果進行手動調整，并最后得到患者X(左右)、Y(頭腳)、Z(前后)3個方向上的平移誤差和U(繞X軸旋轉)、V(繞Y軸旋轉)及W(繞Z軸旋轉)方向上的旋轉誤差。

1.2 擺位誤差的矩陣描述

將患者的擺位誤差考慮為剛體問題，定義加速器坐標系為全局坐標系，定義患者坐標系為局部坐標系。患者的擺位平移、旋轉誤差即為這兩個坐標系間的平移、旋轉變換。若每次患者治療時無擺位誤差，則加速器坐標系和患者坐標系完全重合。三維坐標變換矩陣T可依據沿X，Y，Z方向上的旋轉角度θx，θy，θz獲得，即為公式1、公式2：

1.3 加速器治療機械參數的矢量描述

使用2個獨立矢量即可以描述加速器機架角、治療床轉角和準直器轉角3個變量。定義描述機架角、治療床轉角的矢量為VG,T，定義描述準直器轉角的矢量為VC。

在全局坐標系下VG,T隨坐標旋轉，a角即為加速器機架角度，b角即為治療床旋轉角度。在球坐標下對變換獲得的矢量作還原即得到旋轉誤差補償角度(如圖1所示)。

圖1 矢量VG,T隨坐標旋轉后示意圖

1.4 代碼

VXL即計算機視覺研究和實現庫集(the visionsomething-libraries)，其中包含豐富的計算機圖形處理實現函數，而研究所涉及的操作均在該函數庫的基礎上完成。

2 結果

選取1例腹部腫瘤病例，在Elekta的XVI系統上使用CBCT做擺位前掃描，使用Grey Value(T+R)與CT模擬定位獲得的計劃圖像配準，從XVI系統上讀取平移誤差(0.09，-0.28，-0.07)和旋轉誤差(2.7o、-3.6o和1.4o)。

在Oncentra計劃系統使用調強放射治療計劃測試算法。治療計劃使用5野共面布野方式，在多葉準直器(multi-leaf collimator, MLC)的Elekta Precise直線加速器上進行照射，射線能量10 MV。旋轉誤差為(2.7o，-3.6o，1.4o)情況下的加速器初始角度和考慮擺位旋轉誤差后的補償角度見表1。

表1 在旋轉誤差下加速器初始角度和考慮擺位旋轉誤差后的補償角度(o)

3 討論

擺位誤差對放射治療的成敗有重要影響，在IGRT以及圖像配準軟件的幫助下，可根據患者CT掃描圖像中骨或軟組織的相對位置確定擺位誤差，而非單純參照體表標志，該方法極大提高了治療精確度。圖像配準軟件通常給出6個自由度，即沿X、Y、Z三個直角坐標軸方向的平移自由度和圍繞這三個坐標軸的旋轉自由度，取代了單純參照體表標志獲得的三個自由度(平移自由度)。圖像引導技術的應用，使消除旋轉誤差的必要性越來越受到研究者的關注。Guckenberger等[5]認為，旋轉誤差可以對劑量學結果產生較大影響。Hanley等[6]報道，＞2o的旋轉誤差會對圖像配準的結果產生影響并進而影響到劑量學結果。Kim等[7]的研究結果顯示，對于鼻咽部腫瘤，未校正的擺位誤差會使脊髓在治療過程中增加6.4%的劑量，腮腺劑量則增加2.7%。Laursen等[8]認為5 mm的CTV到PTV邊界可以抵消旋轉誤差對靶區的影響，但對于包含腹主動脈旁的靶區，需要特別留意旋轉誤差，必要時需要重新制訂治療計劃。大量的研究結果表明，旋轉誤差會對放射治療的劑量學結果產生嚴重的影響，應該受到足夠的重視[9-13]。

本研究闡述了一種在直線加速器上使用旋轉誤差補償角度消除患者旋轉誤差的方法，根據CBCT影像和CT模擬影像配準的結果，獲得患者六維擺位誤差。在剛體假設下，擺位誤差直接反映了患者在治療時坐標系與CT模擬定位掃描時坐標系的偏差[14-15]。根據已知的擺位誤差對患者坐標系作三維坐標變換后，患者的體位便與CT模擬定位掃描時的參考圖像體位一致。同樣的，根據已知的擺位誤差對加速器坐標系作相同變換，即獲得加速器旋轉誤差補償角度。

使用補償角度方法消除患者旋轉誤差，不僅可以節省設備開銷，與使用六維治療床相比，還具有以下兩點優勢：①六維治療床由于受到機械設計的影響，只能糾正3個旋轉方向上，分別＜3o的旋轉誤差，而使用補償角度方法則不受這些影響，可以糾正較大角度旋轉誤差；②六維治療床在糾正擺位旋轉誤差時會產生的傾斜床面，可能導致患者在治療中產生滑動位移，從而帶來其他的治療誤差。對于體型較大的患者或治療時間較長的患者，治療中位移不可忽略。而使用補償角度不會帶來床面的傾斜，患者在治療中體位相對固定，不會引入該類誤差。在實際操作過程中，獲得六維擺位誤差后即可計算補償角度，耗時少，而且僅需一次擺位，可以加入IGRT的日常操作流程中，具有很強的臨床可操作性。

補償角度方法消除患者旋轉誤差存在一定的局限性。①這種方法只能運用在固定野照射技術中，如大部分的三維適形放射治療或調強放射治療。對于一些特殊的照射技術，如旋轉調強治療(在治療過程中，加速器治療機架角連續轉動)，則不能使用補償角度方法消除患者旋轉誤差；②補償角度方法還受制于某些加速器治療機的機械參數限制，如對于Varian直線加速器，其準直器的旋轉角度為195o～360o或0o～165o，治療床的旋轉角度為260o～360o或0o～100o，超出此范圍的補償角度將無法執行且被用于臨床實施。此外，在使用補償角度方法消除患者旋轉誤差之前，還需要注意實施的補償角度是否會對治療床上的患者存在碰撞的可能性，如果存在此類角度應該避免實施。

4 結語

補償角度方法具有很強的實際可操作性，適合于未配備六維治療床的醫院，糾正放射治療擺位中存在的旋轉誤差，為不具備六維治療床設備條件的醫院提供了一種實施精確的放射治療手段。

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Using compensate angles to correct rotation set-up errors in radiotherapy

WANG Bin-bing,SHAN Guo-ping
China Medical Equipment,2015,12(6):28-30.

Objective: The purpose of this paper is to introduce a method of using compensate angles to eliminate rotation set-up errors without six-degree of freedom couch. Methods: To detect six-degree of freedom set-up errors, cone-beam computed tomography (CBCT) scans were acquired. These set-up errors were defined as a matrix to transform from accelerator coordinate system to patient coordinate system. Two independent vectors were defined to describe angles of gantry, collimator and couch in accelerator machine. Transformation of vectors were determined by transformation matrix and re-calculated back to the machine angles. Results: It was found that compensate angles can fully corrected the rotation angles in set-up with limited time consuming. It is feasible to implement compensate angles in routinely radiation procedure. Conclusion: With this method, it is possible to implement the complete corrections of set-up errors in radiotherapy without six-degree of freedom couch and it is convenient in operation as well.

Rotation set-up errors; Six-degree of freedom couch; Compensate angles algorithm; Image guidance radiotherapy

王彬冰,男,(1980- ),碩士，工程師。浙江省腫瘤醫院物理室，從事放射物理研究工作。

1672-8270(2015)06-0028-03

R815

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.06.009

2014-10-10

①浙江省腫瘤醫院物理室 浙江 杭州 310000