基于六維擺位誤差的鼻咽癌調強放療全過程劑量評估

方衛寧，柏朋剛（通信作者)，陳榕欽，錢杰偉，陳景強，黃星武，傅萬凱，全科潤，林發生，陳濟鴻

1 福建省腫瘤醫院·福建省醫科大學附屬福建省腫瘤醫院放療中心 （福建福州 350014）；2 南華大學核科學技術學院 （湖南衡陽 421001）；3 福建省衛生職業技術學院醫學技術系（福建福州 350101）

現代放射治療技術已經發展到三精治療的階段，即精確勾畫、精確設計、精確擺位[1]。隨著計算機技術和影像診斷技術的不斷進步，臨床腫瘤醫師可以根據多組影像數據來進行腫瘤靶區的精確勾畫[2]；同時，隨著治療計劃系統的廣泛應用及其算法的不斷改進，精確治療的設計也已經可以基本解決；而因為主觀因素較多，精確擺位一直是臨床上比較難解決的問題[3]。其中鼻咽癌因其對于放射治療的敏感性，是最適合放射治療的腫瘤之一[4]。鼻咽部附近有多個危及器官，如脊髓、腦干、腮腺、視神經、視交叉、下頜骨、垂體、甲狀腺等，對于擺位誤差極度敏感。鼻咽部又是腫瘤治療中剛性很好的部位之一，因此利用六維擺位誤差對鼻咽癌進行模擬評估有著重要的臨床意義[5]。本研究基于福建省腫瘤醫院的首次擺位的數據庫，提取放射治療過程中的隨機擺位誤差。根據Yue等[6]提出的一種通過調整機架、準直器、治療床角度以及等中心平移的方法實現六維擺位誤差校正，并設計程序和評估軟件對放射治療過程的劑量進行計算和評估，以期為評估擺位誤差對于鼻咽癌患者實際劑量的影響提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018年9月在福建省腫瘤醫院行調強放射治療的鼻咽癌患者5例，其中女2例，男3例；年齡37～50歲，中位年齡46歲；病理分期，Ⅰ期1例，Ⅱ期2例，Ⅲ期1例，Ⅳ期1例。

1.2 計劃設計方法

患者采用仰臥位，平躺，用頭枕加熱塑膜固定，行Philips大孔徑螺旋定位CT掃描，掃描范圍從頭頂至鎖骨頭上沿，掃描層厚3 mm。將掃描圖像傳輸至Pinnacle3（9.2版本）治療計劃系統（treatment planning system，TPS），臨床醫師結合磁共振圖像進行腫瘤靶區和器官的勾畫（參照福建省腫瘤醫院靶區勾畫標準[7]），勾畫完成后，交于物理師進行調強計劃設計。

5例患者均使用靜態調強技術（intensity-modulated radiotherapy，IMRT）進行計劃設計，分次為33次。射野機架角度設定為206°、260°、310°、0°、52°、104°、156°。計劃設計完成后，經1位臨床主任醫師評估審核，合格后，將其傳輸至MOSAIQ系統，驅動加速器（AxesseTM，Elekta公司）進行治療。計劃評估的感興趣區域包括：鼻咽部腫瘤靶區（GTV_T_P，CTV1_P，CTV2_P），頸部相關靶區（GTV_NL_P，GVT_NR_P，CTV_NL_P，CTV_NR_P），靶區均評估95%體積的劑量（D95%）；左腮腺（PG_L）、右腮腺（PG_R）均評估50%體積的劑量（D50%）；腦干（Stem）、脊髓（Cord）、右眼球（Eye-Right）、左眼球（Eye-Left）、右視神經（ON_R）、左視神經（ON_L）、視交叉（Chi）、垂體（Pit）、左晶狀體（Lens_L）、右晶狀體（Lens_R）均評估0.1%體積的劑量（D0.1%）。

1.3 擺位誤差數據庫

采集2013年12月至2015年3月初診在福建省腫瘤醫院進行放射治療的636例鼻咽癌患者的擺位誤差組成鼻咽癌首次擺位誤差數據庫。誤差采集方法：患者在初次治療時使用加速器XVI軟件，利用CBCT進行定位掃描，與計劃系統設計時的圖像進行骨性配準，獲取6個維度的擺位誤差。擺位誤差包括3個平移和3個軸的旋轉。

1.4 六維矯正和劑量合成方法

為每例患者隨機在擺位誤差數據庫中提取33組擺位誤差，利用自編程序實現在Yue等[6]提出的六維擺位誤差校正方法，在計劃系統中模擬治療時加入誤差后患者治療的單次劑量，然后傳輸CT及RT文件中的感興趣區、劑量、計劃數據至自編軟件中?；贛atlab平臺的自編軟件放射治療醫師助手（radiation oncology assistant，ROA）實現劑量的多次疊加計算，合成出1～33次的經過擺位誤差校正的實際劑量。

1.5 臨床評價

比較分次未修正誤差劑量和誤差校正后的劑量，誤差劑量=修正劑量-未修正劑量。正值表示誤差修正后劑量比計劃劑量增加，負值為誤差修正后比計劃劑量減少；分析總劑量差異和治療分次中的劑量差異。

2 結果

2.1 理想治療計劃和誤差校正后的治療計劃的劑量評估

圖1為5例理想的治療計劃劑量評估結果，其中1～19的感興趣區分別為GTV_T_P、CTV1_P、CTV2_P、 GTV_NL_P、GVT_NR_P、CTV_NL_P、CTV_NR_P、Stem、Cord、PG_L、PG_R、Eye-Right、Eye-Left、ON_R、ON_L、Chi、Pit、Lens_L、Lens_R。圖2中的順序與圖1相同。

圖 1 未校正治療計劃劑量

圖 2 誤差校正后實際劑量

2.2 理想計劃與校正后的計劃劑量差異

圖3 為5例患者各個靶區的誤差校正后劑量與理想治療計劃劑量差值。除了第5例患者的GTV_NR_P誤差達到-71 cGy以外，其他患者和靶區誤差劑量均＜50 cGy。圖4為危及器官的誤差劑量，其中腦干（最大254 cGy）、脊髓（最大346 cGy）、腮腺（最大102 cGy）、晶狀體均有劑量增加，其余器官有正有負，即結束時的劑量可能增加也可能減少。

圖3 理想計劃與誤差校正后的靶區劑量差異

圖4 理想計劃與誤差校正后的危及器官劑量差異

2.3 代表性感興趣區治療分次劑量誤差

圖5 為治療分次中靶區及代表性危及器官劑量隨著誤差的加入與計劃劑量的偏離。鼻咽部的靶區在加入誤差后劑量有增加也有減少，如GTV_T_P、CTV2_P；頸部的靶區在加入誤差后劑量均減少，如GTV_NL_P、CTV_NL_P；危及器官中腦干、脊髓、腮腺在加入誤差后，劑量均增加。

圖5 治療過程中主要感興趣區的分次誤差劑量

3 討論

目前，隨著醫學和計算技術的飛速發展，臨床已經可以設計出非常精確的放射治療計劃。而治療擺位是一個半人工的過程，雖然憑借CBCT等圖像監測技術可以進一步提高患者的擺位精確性，但是多次CBCT會增加患者的受照射劑量，對于危及器官有一定的損害。如果能將擺位誤差控制在一定的限值內，就無需每次進行CBCT的擺位掃描和體位驗證。如何在患者的治療過程中正確評估擺位誤差對于劑量學的影響，一直是醫學物理師不懈的努力方向。本研究使用了福建省腫瘤醫院鼻咽癌首次擺位誤差數據庫，同時利用Yue等[6]的方法自編程實現模擬擺位誤差，對于其方法的準確性，本研究小組在2018年使用ArcCHECK系統進行該方法的程序測試驗證，并證明其方法準確性很高[8]。

針對于腫瘤靶區，如圖3及圖5所示，除1例患者的CTV_NR_P達到-70 cGy以外，其余靶區誤差劑量均＜±50 cGy，這僅為原發腫瘤劑量（7 000 cGy）的0.71%，頸部最小劑量（5 000 cGy左右）的1%，對于靶區治療的可能影響較小。而鼻咽部的3個靶區GTV_T_P、CTV1_P、CTV2_P的誤差劑量有正有負，雖然越向空間的外圍誤差劑量有些許增大趨勢（圖3）；而對于頸部的幾個靶區，其誤差劑量機會均為負數，其原因主要是由于加入了旋轉誤差。福建省腫瘤醫院的治療計劃中心通常情況下是選在靠近鼻咽部的靶區內部，旋轉對于鼻咽部靶區影響較小，但是對于頸部遠端的影響有放大作用。這和基于van Herk等[9]的研究對于擺位誤差的控制和評估有不同之處，該方法把靶區考慮為球形，治療中心則定在球形的中心處，同時該方法僅考慮了平移方向上的誤差，因此，在未來的研究中應充分考慮中心點相對于靶區的位置和靶區的形狀。

針對危及器官，本研究發現腦干、脊髓、腮腺幾乎都是劑量增加（圖4），其中誤差劑量最大為腦干254 cGy、脊髓346 cGy、腮腺102 cGy；對于腦干5 000 cGy 劑量限值，有3%左右的差異；對于脊髓4 500 cGy的劑量限值，有7.7%左右劑量增加；對于腮腺3 000 cGy的劑量限值，有3.4%的劑量差異。這些誤差比例遠大于靶區的劑量誤差比例，因此，需要臨床重點關注?？刂茢[位誤差對于這些危及器官有著重要的意義。這也與van Herk等[9]僅考慮平移誤差的結果不同。

治療分次中，鼻咽部靶區的變化（GTV_T_P、CTV2_P）有正有負；而頸部靶區（GTV_NL_P、CTV_NL_P）誤差劑量數值為負，并幾乎一直在下降；危及器官中，腦干和脊髓幾乎都是劑量增加；右腮腺均在增加，左腮腺有3例增加，1例減少，1例來回變化（圖5）。腮腺劑量的變化是一個復雜的過程，在進一步的研究中需要仔細分析和探討。

關于數據庫的選取，本研究使用的是以往首次擺位時采集的CBCT圖像配準結果。本研究小組的以往研究發現，隨著放射治療的進行，治療過程中后續擺位誤差會越來越小，并達到一個較小的穩定值[10]。這主要有幾個方面原因：一是技師對于患者體位的熟練程度越來越高；二是隨著放射治療的進行，患者的緊張情緒得到緩解，其治療依從性越來越高，因此后續的擺位誤差比首次擺位誤差要小。而本研究中采用的是患者首次擺位誤差來模擬擺位，對于劑量學改變可能偏大；在未來可能采集患者每次的實際擺位誤差，可精確評估誤差對于患者劑量的影響；另外，本研究選取的患者僅5例，在未來的研究中需要增加患者數進行更深入的研究。

綜上所述，隨機性擺位誤差對于腫瘤靶區劑量學的影響較?。ɑ荆肌?0 cGy），但對于危及器官劑量學有較大影響，特別是腦干、脊髓、腮腺有大的劑量改變（100～350 cGy），因此應該嚴格控制擺位誤差，充分評估主要危及器官的劑量學變化。