六維顱骨追蹤技術在頭部腫瘤放射治療過程中體位誤差的研究*

牛保龍 鞠忠建* 戴相昆 潘隆盛 王金媛

六維顱骨追蹤技術在頭部腫瘤放射治療過程中體位誤差的研究*

牛保龍①鞠忠建①*戴相昆①潘隆盛①王金媛①

目的：利用六維顱骨追蹤(6D-skull)技術，研究頭部腫瘤患者在放射治療過程中的體位誤差及位移量，為臨床放射治療靶區精確勾畫提供參考。方法：隨機選擇15例行立體定向放射治療(SRT)頭部腫瘤患者，均采用6D-skull技術。治療中每隔40 s采集一次正交圖像，與數字重建圖像(DRR)配準記錄體位誤差值。分析放射治療執行前體位誤差、治療中采樣點體位誤差及體位位移量數據統計，由公式M=2.5Σ+0.7δ計算計劃靶區(PTV)外擴間距。結果：放射治療可執行前左右(X)、頭腳(Y)、垂直(Z)線性體位誤差分別為(-0.098±0.590)mm、(0.278±0.637)mm、(-0.071±0.679)mm，PTV外擴間距分別為0.168 mm、1.141 mm、0.298 mm。間隔40 s采樣點誤差分別為(-0.032±0.550)mm、(0.350±0.636)mm、(-0.058±0.821)mm，PTV外擴間距分別為0.305 mm、1.320 mm、0.430 mm。位移量計算d=d1-d0誤差分別為(-0.015±0.550)mm、(-0.061±0.645)mm、(0.003±0.657)mm，PTV外擴間距分別為0.338 mm、0.299 mm、0.467 mm。3個線性方向、3個旋轉角度的6個分組之間直線相關性分析L-R與DOWN-UP(r＝0.023，P＞0.05)，Y軸與Z軸(r=0.513，P＜0.05)，8組兩兩直線正相關，7組負相關。三類線性數據中，Y軸變化較大，PTV外擴基本在1.6 mm之內。結論：利用射波刀6D-skull技術對患者頭部腫瘤放射治療過程中體位誤差分析，能夠較好的監測并修正頭頸部腫瘤治療前與治療中的體位誤差，實現對顱內腫瘤精確性放射治療，同時也提供對臨床顱內腫瘤PTV外放相應數據的參考。

六維顱骨追蹤；頭部腫瘤；圖像引導；擺位誤差；立體定向放射治療；射波刀

牛保龍,男,(1982- ),本科學歷，主管技師。解放軍總醫院放療科，從事放射治療工作。

近年來，立體定向放射治療(stereotactic radiotherapy，SRT)成為研究熱點，尤其是立體定向放射外科系統(CyberKnife，CK)的出現和應用，極大的推進了SRT技術的發展。CK與傳統伽馬刀相比實現了頭部腫瘤無創傷的SRT，且在治療過程中能夠實時地對患者進行拍片驗證及修正，提高了治療精確度和可靠性。在臨床放射治療中，六維顱骨追蹤(six dimensional-skull tracking，6D-skull)技術要求在0.95 mm之內[1]。然而，在日常放射治療擺位過程中發現，擺位誤差在圖像引導下可以得到較好的糾正，但不能完全符合定位初始體位，尤其是在治療過程中存在患者體位微小移動等情況。由于立體定向放射治療技術等劑量線跌落陡峭、適形度高，如果實際位置與預想的位置相差較大，最終追蹤精度可能達不到要求，從而影響患者的治療效果。因此，本研究擬通過6D-skull技術對頭部腫瘤靶區實施追蹤并研究患者治療過程中體位精度的變化及相互關系。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2015年1-12月解放軍總醫院收治的15例頭部腫瘤患者，其中男性11例，女性4例；中位年齡59歲；其中10例患者為惡性腫瘤，5例患者為良性腫瘤，身體狀態良好。平均治療時間為27 min。采用卡氏功能狀態評分(Karnofsky，KPS)標準測評，均＞70分，能夠接受臨床正常放射治療過程。

1.2 儀器設備

使用CyberKnife直線加速器(美國Accuray公司，第4代)進行放射治療。

1.3 定位圖像獲取及靶區勾畫

15例患者統一采用頭頸肩低溫熱塑膜+頭頸肩板進行體位固定，根據臨床要求確定定位中心十字線標記，獲取X射線計算機斷層成像(X-ray computed tomography，CT)和磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)頭部定位圖像，掃描層厚1.5 mm。在MIM Software(version6.6)系統融合兩種圖像，勾畫腫瘤臨床靶區及危機器官。

1.4 治療實施

根據臨床放射治療處方劑量，在Multi plan System(Ver4.02)計劃系統上設計放射治療物理計劃，采用6D-skull方式。治療過程中通過實時正交X射線平片圖像與對應數字重建圖像(digital reconstructedly radiograph，DRR)進行對比，計算3個線性方向與3個旋轉方向體位誤差，并經過機械臂調整加速器的照射位置予以糾正[2]。

治療過程中每隔40 s采集一幅正交圖像進行配準，并記錄其體位誤差。如果數值在機械臂校準范圍內，六維方向分別為10 mm、10 mm、10 mm，1°、1°、3°，其自動完成該誤差校準再行治療。如果超出其規定范圍則無法實現自動校準并自動終止治療，采用人工調整治療床后糾正其誤差，達到臨床要求再行治療。

1.5 數據記錄標準及統計方法

采用機器自動獲取誤差數據及標定的方向取值正負號(見表1)。

表1 各方向及正負號規定

1.6 統計學方法

采用SPSS18.0軟件統計分析和Bivariate相關分析方法，計量資料結果以均值±標準差(x-±s)表示，以P＜0.05為差異有統計學意義。系統誤差(∑)以體位誤差的平均值表示，隨機誤差(δ)以標準差表示。根據公式M=2.5∑+0.7δ計算外放范圍(M)[3-4]。

表2 圖像配準調整后可執行放射治療的體位誤差分析(分次)

2 結果

2.1 分次之間治療前體位誤差分析

所有患者總共進行45次治療，記錄圖像配準調整后可執行放射治療的體位誤差45次數據，即機器系統默認誤差值范圍內即可執行治療，其數據符合正態分布要求。X軸、Y軸和Z軸3個方向線性體位誤差(均數±標準差)分別為(-0.098±0.590)mm、(0.278±0.637) mm和(-0.071±0.679)mm；L-R、DOWN-UP和CW-CCW的3個方向旋轉體位誤差(均數±標準差)分別為(-0.078±0.480)°、(0.000±0.535)°和(-0.162±1.208)°。根據公式M=2.5∑+0.7δ計算射波刀治療頭顱腫瘤PTV外放間距X軸、Y軸和Z軸分別為0.168 mm、1.141 mm和0.298 mm，見表2。

2.2 治療過程中每40 s間隔采集圖像配準誤差分析

15例患者進行45次放射治療，每隔40 s治療實時采集數據1335組，其數據符合正態分布要求。X軸、Y軸和Z軸3個方向線性體位誤差分別為(-0.032±0.550)mm、(0.350±0.636)mm和(-0.058±0.821) mm。L-R、DOWN-UP和CW-CCW的3個方向旋轉體位誤差(x-±s)分別為(-0.063±0.441)°、(0.023±0.476)°和(-0.113±1.307)°。根據公式M=2.5∑+0.7δ計算射波刀治療頭顱腫瘤外放邊界X軸、Y軸和Z軸分別為0.305 mm、1.320 mm和0.430 mm，見表3。

各時刻點線性體位與旋轉體位誤差三維空間散點圖如圖1所示。

圖1 體位誤差三維空間散點圖

2.3 治療中體位位移量分析

15例患者在每次治療時設定顱骨影像追蹤每隔40 s采集一幅正交圖像進行配準，獲取所有患者圖像配準誤差。以可執行放射治療體位誤差為基礎d0，每隔40 s采集圖像配準誤差為實時d1。計算間隔40 s時刻處相對位移量，即d=d1-d0，絕對值位移量為︱d︱，總計得出1290組數據，其數據符合正態分布要求。X軸、Y軸和Z軸3個方向線性體位位移量(x-±s)分別為(-0.015±0.550)mm、(-0.061±0.645) mm和(0.003±0.657)mm，L-R、DOWN-UP和CW-CCW的3個方向旋轉體位位移量(x-±s)分別為(-0.032±0.362)°、(-0.026±0.482)°和(-0.048±0.807)°。根據公式M=2.5∑+0.7δ計算射波刀治療頭顱腫瘤外放邊界邊界X軸、Y軸和Z軸分別為0.338 mm、0.299 mm和0.467 mm，見表4。

上述三類數據總結分析見表5。

表3 15例患者治療過程中40 s時間間隔采集圖像配準體位誤差分析(±s)

表3 15例患者治療過程中40 s時間間隔采集圖像配準體位誤差分析(±s)

位置參數數據組均數±標準差中位數最小值最大值95%參考值范圍X軸(mm)1335-0.032±0.5500.000-2.5001.900-1.11～1.05 Y軸(mm)13350.350±0.6360.300-2.0003.000-0.90～1.60 Z軸(mm)1335-0.058±0.8210.000-4.2003.0001.67～1.55 L-R(°)1335-0.063±0.441-0.100-1.0001.000-0.93～0.80 DOWN-UP(°)13350.023±0.4760.000-1.0001.000-0.91～0.96 CW-CCW(°)1335-0.113±1.307-0.200-3.0003.000-2.68～2.45

表4 15例患者治療過程中體位位移量分析(±s)

表4 15例患者治療過程中體位位移量分析(±s)

位置參數數據組均數±標準差中位數最小值最大值95%參考值范圍X軸(mm)1290-0.015±0.5500.000-3.1002.000-1.09～1.06 Y軸(mm)1290-0.061±0.645-0.100-1.9004.400-1.33～1.20 Z軸(mm)12900.003±0.657-0.100-1.5003.1001.28～1.29 L-R(°) 1290-0.032±0.3620.000-1.3001.800-0.74～0.68 DOWN-UP(°) 1290-0.026±0.4820.000-1.9001.500-0.97～0.92 CW-CCW(°) 1290-0.048±0.8070.000-3.0003.000-1.63～1.53

表5 三類數據分析總結(±s)

表5 三類數據分析總結(±s)

2.4 治療中6個方向組體位誤差數據分析

15例患者從開始可以執行放射治療體位誤差值及在放射治療過程中每隔40 s采集一次體位誤差值過程。獲得6個分組總數據，每組1335個數據，即3個線性方向X軸、Y軸及Z軸，3個旋轉方向L-R、DOWN-UP及CW-CCW。分別做兩兩直線相關性分析。結果顯示，除L-R與DOWN-UP不具有直線相關性(r=0.023，P＞0.05)，其余兩兩直線相關性分析具有統計學顯著意義。Y軸與Z軸具有較強正相關性(r=0.513，P＜0.01)，其余存在較弱正負相關性。8組正相關，7組負相關，1組無意義，見表6。

3 討論

近年來，CyberKnife在SRT中的廣泛應用，其突出特點是治療的精準性以及劑量分布高度集中適形，能保證在患者治療過程中精準可靠[5-6]。精確放射治療的關鍵是治療計劃能否精準實施，其關鍵在于患者每次的治療體位是否精準，治療位置準確度將直接影響著患者的治療效果。相關研究表明，在放射治療物理計劃執行過程中，與機器系統等誤差相比，患者的擺位誤差對劑量分布影響更明顯[7]。在治療過程中，每次患者治療的擺位位置均有所變化，可能會導致部分靶區不能得到足夠的劑量，靶區臨近的正常組織、器官受到錯誤的照射[8-9]。臨床研究發現，3%～5%的劑量誤差就會造成腫瘤放射治療的有效率下降，同時正常組織并發癥發生率增加，并且高劑量區可能偏移至危及器官區域，造成嚴重并發癥[10-11]。影像引導技術在放射治療中的應用使得患者擺位誤差得到糾正，提高了放射治療的精確度，目前大部分影像引導技術只能解決治療前的體位誤差，但是對治療過程中體位變化無能為力。隨著SRT技術的開展，使得患者放射治療時間增長，其過程中的體位變化差異及時糾正將非常必要。

在本研究中，15例頭部腫瘤患者的KPS評分均＞70分，其身體狀況及自我意識控制處于良好狀態，具備較好的單次長時間放射治療的依從性，從而為精準放射治療奠定了良好基礎。在體位誤差數據分析中，本研究提取擺位誤差調整后可執行放射治療時的體位誤差及40 s時間間隔點體位誤差綜合分析。有關研究文獻報道，旋轉對靶區劑量改變很小，可以忽略，由此造成的影響也很小，因此本研究不包括旋轉誤差[12-13]。本研究在三類體位誤差與體位位移量分析中顯示，Y軸變化較大，X軸與Z軸變化相對平穩。95%參考值范圍都基本符合靶區臨床外放1.6 mm形成PTV要求。通過上述數據綜合考慮，引起Y軸方向變化較大原因為頭肩膜具固定中下頜口部活動引起的模具空隙及輔助頭肩板頭枕的符合度存在個體差異較大等因素。由于頭頸肩熱塑膜固定方式的廣泛采用，研究發現這種固定裝置可極大減少擺位誤差，基本符合SRT治療要求[14]。在治療過程中患者存在不自主的運動，其范圍通過數據分析基本可控，但本研究選取患者處于較好的KPS評分，因此存在一定的局限性認識，不除外在較低評分發生較大范圍的體位位移量。但采用6D-skull技術，只要其3個線性方向體位誤差范圍均在機器允許10 mm之內，3個旋轉方向體位誤差分別在1°、1°和3°之內，都可以通過機械臂自動調整其體位誤差。射波刀機械臂重復定位精度為0.2 mm[15-16]。因此，機械臂對靶區定位誤差的修正與其重復定位精度無太大關系。因此，CyberKnife在頭部腫瘤患者治療中有比較好的優勢。

在3個旋轉方向體位誤差中考慮頭部近圓形結構存在較大角度變化，其中CW-CCW方向配準體位誤差均接近±3°，L-R與DOWN-UP方向也均接近±1°。通過其相應三維散點圖發現3個旋轉方向體位誤差變化較為散亂，這可能與6D-skull技術中正交X射線平片圖像局限性有關，有待后續臨床進一步研究。在數據相關性分析中Y軸與Z軸正相關性緊密，與其Y軸方向變化有比較大關系，即Y軸、Z軸變化互相影響。其他兩兩相關性較弱，這可能與頭部近圓形剛性體有關系，需要臨床進一步驗證試驗。

表6 15例患者放射治療過程中6組數據相關性分析總述

4 結語

6D-skull技術在頭部腫瘤SRT治療中，對患者體位變化能起到較好修正作用，并能驗證患者在長時間的治療過程中的動度變化問題，進一步為臨床醫生提供頭部腫瘤靶區勾畫及外放范圍的依據。

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A study of position errors in radiotherapy of brain tumor with Cyberknife 6D skull tracking technology/

NIU Bao-long, JU Zhong-jian, DAI Xiang-kun, et al//
China Medical Equipment,2017,14(3):32-36.

Objective: To study position errors and placement distance of brain tumor patients in radiotherapy by using Cyberknife 6D skull tracking technology, so as to provide the reference for accurate delineation in clinical radiotherapy target area. Methods: All 15 brain tumor patients with stereotactic radiotherapy (SRT) as random selection were used Cyberknife 6D skull tracking technology. The orthogonal images (one image per 40s) were registered and compared with DDR and then the position errors were recorded. To analyze the position errors pre-radiotherapy, the position errors of sample point during treatment and position displacement, and then calculate the extended separation distance of PTV by the formula: M=2.5Σ+0.7δ. Results: In pre-radiotherapy, the linear position errors on left-right (LR), down-up (DOWNUP) and rotation(CW-CCW) were (-0.098±0.590) mm, (0.278±0.637) mm and (-0.071±0.679) mm, and the extended separation distance of PTV were 0.168mm, 1.141mm and 0.298mm, respectively. The sampling point errors which were 40 seconds interval during the whole radiotherapy were X(-0.032±0.550) mm, Y(0.350±0.636) mm and Z(-0.058±0.821) mm, respectively; and the extended separation distance of PTV were 0.305mm, 1.320mm and 0.430 mm, respectively. The position displacement errors of three directions were X(-0.015±0.550)mm, Y(-0.061±0.645)mm and Z(0.003±0.657); and compared with them, the extended separation distance of PTV were 0.338 mm, 0.299 mm and 0.467mm. In the linear correlation analysis of six groups for position error (included three linear directions and three rotation angle directions), the correlation indexes of DOWN-UP and Y-axis and X-axis were r=0.023 (P＞0.05) and r=0.513 (P＜0.05), respectively; there were 8 groups positive correlation and 7 groups negative correlation. In the three types of linear data, the change of Y-axis was obvious and its extended separation distance of PTV was within 1.6mm. Conclusion: The analysis of position error by using CyberKnife 6D skull tracking technology which used on brain tumor radiotherapy can effectively monitor and correct the position errors before or during the treatment, and achieve accurate radiotherapy on brain tumors, at the same time, it also provides a reference for corresponding data of clinical intracranial tumors outside PTV.

Six dimensional-skull tracking; Brain tumor; Image guided; Position error; Stereotactic radiotherapy; Cyberknife

1672-8270(2017)03-0032-05

R739.91

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.03.008

2016-11-08

解放軍總醫院轉化醫學基金(105059)“新型追蹤標記物在立體定向放療中的研發與應用”

①解放軍總醫院放療科 北京 100853

*通訊作者：15801234725@163.com

[First-author’s address] Department of Radiotherapy, Peoples Liberation Army General Hospital, Beijing 100853, China.