Optical Surface Monitoring系統跟蹤運動靶區的位置精度和劑量精度驗證

靳懷志，石俊田，戴振暉，王學濤

1.廣州中醫藥大學第二附屬醫院放射治療區，廣東廣州510006；2.中山大學孫逸仙紀念醫院放療專科，廣東廣州510120

前言

隨著放射治療［1-2］技術的發展，調強放療（Intensity-Modulated Radiation Therapy,IMRT）［3］和立體定向放療（Stereotactia Body Radiotherapy,SBRT）［4］應用越來越廣泛，治療的精度要求也就越來越高。圖像引導放射治療（Image Guide Radiation Therapy,IGRT）可以大大提高擺位和治療的精度，從而減小病人腫瘤靶區的邊界，降低副反應［5-6］。雖然MV或kV[包括錐形束CT（Cone Beam Computed Tomography,CBCT）]影像可以在治療前確認患者擺位，但在治療過程中腫瘤并非靜態，會受到呼吸或臟器運動的影響產生移動，有時患者感覺體位不舒服或因治療時間較長無法堅持不動以及咳嗽等原因會產生一些移動。針對當前這些問題，瓦里安公司推出一種基于光學原理的腫瘤運動管理技術，即體表監視系統（Optical Surface Monitoring System,OSMS）光學體表監視系統，該系統可以在放療過程實時監測體表運動信息。

本研究測試了廣州中醫藥大學第二附屬醫院引進的EDGE 直線加速器［7］搭載的OSMS 系統［8-10］，分析OSMS 系統對運動靶區的幾何測量精度和對運動靶區跟蹤照射的劑量獲益，為放射治療提供質量保證（Quality Assurance,QA）［11］、質量控制（Quality Control,QC）的依據，為精確開展光學表面跟蹤放療提供技術保障。

1 材料與方法

1.1 儀器設備

美國瓦里安醫療系統公司的Edge直線加速器配備OSMS、CBCT、Perfect Pitch 六維治療床。OSMS系統在治療床周圍天花板上安裝了3臺攝像機，共計6 個攝像頭，如圖1所示。利用光學成像技術和上萬個幾何節點重建出感興趣區附近的3D體表圖像，體表每個點都有相對于治療等中心點的位置數據，通過實時獲取治療中的體表圖像，并與CT模擬生成的參考體表圖像進行配準，從而獲得實時位置誤差信息。Edge 加速器的治療床為Perfect Pitch 六維治療床，六維床的平移精度是0.1 mm，旋轉精度是0.1°［12］。

圖1 OSMS系統組成Fig.1 Composition of optical surface monitoring system(OSMS)

劑量測量工具：IBA 二維空氣電離室矩陣MatriXX 系統［13］，包括硬件MatriXX 探測平板和OmniPro I'mRT 驗證軟件，分別用于射野二維劑量分布的測量和數據的gamma分析。

呼吸運動平臺：本中心自主研發的呼吸運動平臺可以設置不同振幅和周期，搭載MatriXX實現一維線性周期往復運動，本研究呼吸運動平臺設置周期為3 s、振幅為8 mm。

1.2 幾何精度測量

將腹部模體置于治療床上按照激光線精確擺位，擺正模體上3個面的鉛點位于激光線的中心。主動移動治療床，預設位移分別在6 個方向上進行：上下、左右、前后、旋轉、前傾、滾動。上下、左右、前后每個方向上的預設位移均為-3、-2、-1、-0.2、-0.1、0.1、0.2、1、2和3 cm；旋轉，前傾，滾動每個方向上預設角度均為-2°、-1°、-0.5°、-0.3°、-0.2°、-0.1°、0.1°、0.2°、0.3°、0.5°、1°和2°。治療床的移動過程中，僅在1個方向按預設位移移動治療床，保持其他5個方向治療床位置不動，分別用OSMS和CBCT測量模體的偏移數值，測量值與預設值差異反映出OSMS 和CBCT 上下、左右、前后方向在±3 cm內，旋轉、前傾、滾動方向在±2°內位置偏移的探測精準度［14-15］。

1.3 劑量精度測量

將模擬呼吸運動平臺按與治療床平行的方向放置于治療床上，并在平臺上平鋪兩塊（30×30×3）cm3的固體水，MatriXX 放置在固體水上［16］，源到測量平面距離為100 cm，測量深度6 cm，如圖2所示。gamma 分析標準：3 mm/3%［17］。設置OSMS 的跟蹤閾值，打開模擬呼吸運動平臺的開關，當模體移動的范圍超出閾值時機器停止出束，模體回歸閾值內時繼續出束。

圖2 OSMS跟蹤MatriXX測量動態劑量Fig.2 Measurement of dynamic dose by tracking MatriXX with OSMS

1.3.1 模體計劃測試 Plan1：Gantry 0°，照射野跳數200 MU，照射野分別為調強野和直徑為10 cm 圓環野。獲取模擬呼吸過程中在OSMS監測閾值為2、3、5 mm 時MatriXX 測量的相對劑量。Plan2：Gantry 0°，照射野跳數200 MU，照射野分別為調強野和直徑為10 cm 圓環野，獲取呼吸運動平臺在靜止條件下MatriXX 測量的相對劑量。Plan3：Gantry 0°，照射野跳數200 MU，照射野分別為調強野和直徑為10 cm圓環野，獲取呼吸運動平臺在運動無OSMS監測條件下MatriXX 測量的相對劑量。重復執行3 個計劃10次，將Plan1、Plan2和Plan3在不同閾值測量的劑量分布與計劃劑量分布進行對比，計算gamma通過率。

1.3.2 乳腺治療計劃測試 Plan1：Gantry 0°，使用Varian Eclipse 8.6 治療計劃系統進行20 例乳腺癌驗證計劃設計。獲取模擬呼吸過程中乳腺癌驗證計劃在OSMS監測閾值為2、3、5 mm時MatriXX測量的相對劑量。Plan2：Gantry 0°，重復執行上文所提的20例驗證計劃，獲取呼吸運動平臺在靜止條件下MatriXX測量的相對劑量。Plan3：Gantry 0°，重復執行上文所提的20 例驗證計劃，獲取呼吸運動平臺在運動無OSMS 監測條件下MatriXX 測量的相對劑量。重復執行3個計劃各10次，對比分析Plan1、Plan2和Plan3在不同OSMS 監測閾值條件下的劑量分布、計算gamma通過率。

2 結果

2.1 OSMS評估

對比OSMS 與CBCT 在相同方向相同預設位移的條件下兩系統探測床值的差異（OSMS床值-CBCT床值）。OSMS 和CBCT 在6 個方向上的預設位移在表1中概括為大預設位移和小預設位移。發現OSMS 擺位與CBCT 擺位的符合度達到亞毫米級。粗略擺位的預設位移小于1 cm 和1°時，二者最大平移距離差為0.6 mm，最大旋轉角度差為0.2°。粗略擺位的預設位移大于1 cm 和1°時，二者最大平移距離差為1.1 mm，最大旋轉角度差為0.3°。

表1 OSMS與CBCT定位在6個方向上探測床值的差異Tab.1 Differences between OSMS and CBCT positionings in 6 directions

2.2 評價OSMS相對CBCT的患者定位

當OSMS 使用自身采集重建的圖像作為參考圖像進行配準時，在治療床的移動過程中，僅在1 個方向按預設位移移動治療床，保持其他5個方向的值位于零位。OSMS對預設偏移的探測準確度見表2。

表2 單方向偏移的探測準確度（±s）Tab.2 Detection accuracy of single-direction deviation(Mean±SD)

表2 單方向偏移的探測準確度（±s）Tab.2 Detection accuracy of single-direction deviation(Mean±SD)

偏差上下偏差/cm左右偏差/cm前后偏差/cm旋轉偏差/°前傾偏差/°滾動偏差/°上下位移0.00±0.01 0.00±0.01 0.01±0.01 0.02±0.02 0.03±0.02-0.03±0.06前后位移-0.01±0.02 0.00±0.01 0.01±0.01 0.02±0.03-0.02±0.03-0.03±0.07左右位移-0.01±0.01 0.00±0.01 0.01±0.01 0.03±0.04 0.01±0.03 0.02±0.07旋轉位移-0.01±0.02 0.00±0.01 0.01±0.01 0.02±0.02 0.01±0.02 0.02±0.04前傾位移-0.01±0.01 0.00±0.01 0.01±0.02 0.01±0.03 0.01±0.03 0.02±0.03滾動位移0.00±0.01 0.00±0.01 0.01±0.01 0.02±0.02 0.01±0.02 0.01±0.03

結果發現當施加線性位移時，治療床轉動誤差主要是滾動，其次是前傾；在施加有意轉動位移的情況下，旋轉偏差較小。所有方向的線性位移相似，使等中心位置保持在0.4 mm以內。所有預定義的隨機位移在每個方向執行15次的偏差值為線性在0.1～0.3 mm以內，旋轉方向在0.1°～0.11°以內。

2.3 OSMS下劑量差異測量

在呼吸運動平臺運動過程中，分別對OSMS跟蹤與不跟蹤時MatriXX 測量的兩組照射野劑量與計劃劑量相比較，通過比較10組測量結果發現：在OSMS閾值為2、3、5 mm時：調強野獲取的劑量分布圖像與計劃劑量分布相對比，gamma 通過率分別為（98.2±0.3）%、（96.4±0.4）%、（93.1±0.3）%；圓環野獲取的劑量分布圖像與計劃劑量分布相對比，gamma通過率分別為（97.5±0.4）%、（96.6±0.5）%、（94.0±0.5）%。而無OSMS 跟蹤時，10 組調強野與圓環野獲取的劑量分布分別與計劃劑量分布相對比，gamma通過率為（68.4±3.6）%、（70.1±2.9）%。以其中一組測量結果為例，對比調強野與圓環野在OSMS閾值為2 mm和無OSMS 監控下照射野劑量分布圖，如圖3與圖4所示。圖3為調強野在OSMS閾值為2 mm與無OSMS監控時測量劑量對比；圖4為圓環野在OSMS閾值為2 mm與無OSMS監控時測量劑量對比。在該組測量中，在OSMS閾值為2 mm監控下調強野和圓環野的gamma 通過率分別為98.0%和97.4%，但是無OSMS監控的情況下gamma通過率分別為66.7%和70.1%。

圖3 調強野劑量分布Fig.3 Intensity-modulated field dose distribution

圖4 圓環射野劑量分布Fig.4 Torus radiation field dose distribution

對20例乳腺調強計劃按照相同閾值統一計算分析，結果見表3。可以發現呼吸運動平臺運動中OSMS系統在閾值為2、3、5 mm時相對無OSMS監控下的gamma分別提高了43.5%、40.5%、22.0%；OSMS系統在閾值為2、3、5 mm 時相對靜態條件下gamma通過率偏差分別為0.4%、2.5%、15.1%；而無OSMS監控相對靜態條件下gamma 通過率偏差為30.1%。呼吸運動平臺在運動過程中，OSMS的閾值越小gamma通過率越大，更加接近平臺靜止下的gamma值，對提高靶區劑量的作用越明顯，相對劑量分布與計劃劑量的一致性也就越好，即為OSMS對在放射治療過程中提高靶區劑量具有明顯意義。但在本試驗中沒有發現與射野的形狀以及照射的方式具有相關性。

3 討論

通過本文的研究，發現OSMS 和CBCT在6 個方向上具有良好一致性，最大線性距離為0.4 mm，小于在這兩個系統的固有精度校準。OSMS 系統監測下的照射野gamma通過率顯著好于無OSMS系統監測下照射野gamma 通過率，且閾值越小對于跟蹤運動靶區提高靶區劑量精度的效果越明顯［18］。Hou等［19］對OSMS的研究結果表明光學表面成像（OSI）技術已經具備0.1 mm 的位移變化實時探測能力，對頭部運動監測非常有用。0SMS 完全可以應用到實際的治療過程中，提高放療的治療精度使病人受益。

表3 OSMS不同閾值條件下的乳腺驗證計劃Gamma通過率（%,±s）Tab.3 Gamma passing rates of breast verification plans under different thresholds(%,Mean±SD)

表3 OSMS不同閾值條件下的乳腺驗證計劃Gamma通過率（%,±s）Tab.3 Gamma passing rates of breast verification plans under different thresholds(%,Mean±SD)

閾值/mm 無OSMS監控模體靜止2 3 5 OSMS監控97.9±1.3 95.8±2.2 83.2±4.7 68.2±7.5 98.3±0.9

目前工作的主要局限在于它只關注于模體測量，在研究安裝在EDGE直線加速器上的OSMS準確性這一初步階段中，還未對病人進行研究，在實驗中，只對系統本身進行評估。OSMS系統對模體表面位置監測精度高，可以應用到實際放射治療的輔助擺位。Pan等［20］將OSMS用于腦轉移瘤治療，他們的臨床結論是：體表影像引導放射外科治療（SIG-RS）能夠達到了帶頭架Stereotactic Radiosurgery System（SRS）的臨床精度表現，但通過免除頭架、免除面罩以及更快的治療提高了患者舒適度和依從性。使用OSMS 門控技術跟蹤運動靶區可以提高靶區的劑量精度，而且對患者不產生任何電離輻射，適用于分次間的輔助擺位和分次內的靶區跟蹤，有力地保障SRS/SBRT 技術的安全應用。因此對于立體定向治療，可以建議患者通過OSMS 預先定位，將皮膚表面與計劃CT 中的身體輪廓相匹配，再根據CBCT 匹配進行最終移位。