回顧性分析Catalyst HD引導(dǎo)雙面膜固定擺位方法在頭部腫瘤放療中的可行性

郭騰，楊敬賢，王佳琦,2，康加阜，王振飛，盛鵬飛，于松茂，岳海振

1. 北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所 放療科 惡性腫瘤發(fā)病機制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點實驗室，北京 100142；2. 齊魯醫(yī)藥學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，山東 淄博 255300

引言

放療是頭部惡性腫瘤的主要治療方法之一[1]，治療端的擺位精度和擺位重復(fù)性對放療精度和療效至關(guān)重要[2]。放療體位和靶區(qū)空間位置的重復(fù)性和誤差一直是大家關(guān)注的重點，圖像引導(dǎo)放射治療（Image Guided Radiotherapy，IGRT）技術(shù)的應(yīng)用在一定程度上解決了此問題，采用電子射野影像系統(tǒng)（Electronic Portal Imaging Device，EPID）、錐形束 CT有助于修正擺位誤差，是當(dāng)前頭部腫瘤放射治療位置驗證的有效方法，可保證放療體位和靶區(qū)空間位置精度[3-7]。

圖像引導(dǎo)放療技術(shù)中錐形束CT（Cone Beam CT，CBCT）掃描后重建的三維立體圖形，可以實時在線修正患者的擺位誤差，由于其考慮了真實的解剖結(jié)構(gòu)(例如骨與軟組織)，理論上是一種可以真實反映擺位誤差的技術(shù)，是判斷擺位誤差和內(nèi)部器官運動的金標(biāo)準(zhǔn)[8]，現(xiàn)已被廣泛使用。但在放療過程中，CBCT驗證時會增加患者額外輻射劑量和腫瘤復(fù)發(fā)風(fēng)險[9-10]。

近年來，光學(xué)體表監(jiān)測系統(tǒng)也已逐漸成熟并應(yīng)用于臨床[11-12]，已逐步用于輔助分次間擺位評估和監(jiān)測分次內(nèi)患者運動幅度[13-14]。光學(xué)體表監(jiān)測系統(tǒng)在擺位中具有大范圍監(jiān)測、實時動態(tài)誤差反饋、不依賴于標(biāo)記線、無創(chuàng)、無輻射等優(yōu)勢[15-17]。本文以頭部腫瘤放療為例，以CBCT為金標(biāo)準(zhǔn)，對光學(xué)表面成像系統(tǒng)Catalyst HD的穩(wěn)定性和精確性進行研究探討，旨在評價該技術(shù)應(yīng)用中，本中心摸索的擺位流程和閾值等參數(shù)設(shè)置的可行性，為其他放療中心相似技術(shù)的應(yīng)用與研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 病歷選取與參數(shù)設(shè)置

隨機選取2020年2月至10月在我院放療的頭部腫瘤患者60例，其中男性39 例、女性21例，均已簽署知情同意書。患者年齡在18～78歲，平均年齡（57.93±10.52）歲，中位年齡61歲。入組條件：患者意識較清醒，依從性較好，可自主活動，發(fā)型固定。放療處方劑量均為CTV 30 Gy/10次。

本研究所選患者均采用雙面膜（Double Shell Positioning System，DSPS）和Or fit碳纖維治療床板固定，在西門子大孔徑CT（SOMATOM）完成定位，掃描范圍為頭頂至鎖骨下緣，層厚為3 mm；分別在美國Varian公司Eclipse治療計劃系統(tǒng)（版本號15.5）和Edge 型號加速器（配置六維床）上完成方案設(shè)計與治療，并采用C-Rad 公司OSI系統(tǒng)（Catalyst HD）進行在線校位和治療過程中的位置監(jiān)測。

Catalyst HD重要參數(shù)設(shè)置如下：三相機表面影像獲取的增益均設(shè)定為200%，時間為6000 μs，體表范圍為臉的全部及耳中線前部，參考圖像和實時圖像的Average time為3 s，非常規(guī)患者需針對其膚色進行優(yōu)化調(diào)整。為確保系統(tǒng)精度，當(dāng)天治療前對系統(tǒng)進行日檢并滿足精度要求，系統(tǒng)偏差不補償[18]。

1.2 擺位流程

首次治療獲取參考床值，利用CBCT圖像和定位CT圖像配準(zhǔn)獲取六個維度擺位誤差，以Catalyst HD圖像作為參考圖像，后續(xù)治療根據(jù)首次復(fù)位床值自動到位。通過Catalyst HD引導(dǎo)擺位，調(diào)整患者位置使x、y、z軸向誤差在±2 mm以內(nèi)；使Rtn、Pithch和Roll旋轉(zhuǎn)角度在±1°以內(nèi)。掃描條件為 100 kV、150 mAs，將CBCT圖像與CT定位圖像進行骨性的三維配準(zhǔn)，獲取3個平移方向（x、y、z軸向）和3個旋轉(zhuǎn)方向（Rtn、Pitch、Roll）共6個維度的配準(zhǔn)誤差。配準(zhǔn)誤差即為擺位誤差，其所有取值均取絕對值，不考慮方向問題[18]。

1.3 統(tǒng)計方法

利用GraphPad Prism8.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析CBCT數(shù)據(jù)和光學(xué)體表引導(dǎo)放療系統(tǒng)Catalyst HD數(shù)據(jù)的相關(guān)性，P＜0.05為有統(tǒng)計學(xué)意義，并繪制線性回歸圖。計數(shù)資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。對兩組數(shù)據(jù)六個方向的誤差數(shù)據(jù)進行均值分析和F檢驗，方差齊（P＞0.05）進行獨立樣本t檢驗，方差不齊（P＜0.05）行校正t檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 Catalyst HD與CBCT擺位誤差相關(guān)性分析

為探索兩種校位方式的一致性，本研究對60例患者治療過程中使用CBCT校位方式的分次治療中六個維度擺位誤差共180例，與當(dāng)次治療Catalyst HD擺位誤差進行相關(guān)性分析，六個方向R值和P值分別為：x（r=0.5776，P＜0.001）、y（r=0.5523，P＜0.001）、z（r=0.3602，P＜0.001）、Rtn（r=0.2699，P=0.006）、Pitch（r=0.1335，P=0.1789）、Roll（r=0.3615，P＜0.001）。結(jié)果表明六個維度的擺位誤差均為正相關(guān)，其中x和y方向為中等程度相關(guān)，其他四個維度相關(guān)性較弱。

2.2 Catalyst HD與CBCT引導(dǎo)頻次擺位誤差統(tǒng)計分析

對兩組擺位誤差數(shù)據(jù)進行F檢驗，結(jié)果顯示x、z、Pitch和Roll方向方差不齊（P＜0.05），進行校正t檢驗；y和Rtn方向方差齊（P＞0.05），行獨立樣本t檢驗，統(tǒng)計量t1和P1值如表1所示。

表1 CBCT與Catalyst HD六個維度的擺位誤差統(tǒng)計分析

2.3 Catalyst HD擺位數(shù)據(jù)CBCT與非CBCT引導(dǎo)分次對比分析

對非CBCT引導(dǎo)頻次的Catalyst HD擺位數(shù)據(jù)進行F檢驗，z、Rtn、Pitch和Roll方向方差不齊（P＜0.05），對上述四個方向進行校正t檢驗，對方差齊（P＞0.05）的x和y方向進行行獨立樣本t檢驗，統(tǒng)計分析結(jié)果t2和P2詳見表1。結(jié)果顯示除Rtn方向外，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，上述誤差分布情況與統(tǒng)計結(jié)果詳見圖2。

圖1 CBCT與Catalyst HD誤差對比箱圖

圖2 CBCT驗證時與非CBCT驗證時Catalyst HD六方向誤差對比箱圖

3 討論

頭部腫瘤放療時，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微小的擺位誤差可能導(dǎo)致靶區(qū)及其周圍危及器官的較大的劑量影響，因此擺位精度和可重復(fù)性對放療精度影響較大[19-20]，基于CBCT的影像引導(dǎo)放療技術(shù)可有效保證擺位精度[21]。出于減輕患者經(jīng)濟負擔(dān)和額外無法評估的輻射損傷的原因，放療臨床一般采用每周一次CBCT引導(dǎo)的方式[22]，無法實現(xiàn)每個分次的在線校位。隨著光學(xué)體表監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)，很大程度上解決了上述難題。

光學(xué)體表監(jiān)測技術(shù)在應(yīng)用之初，普遍在首次治療完成CBCT與CT圖像配準(zhǔn)后，記錄該時刻床值作為參考床值，以后分次治療時直接通過自動移床的方式進行擺位，很大程度上提高了擺位效率；另一方面，可以判斷光學(xué)體表監(jiān)測系統(tǒng)的引導(dǎo)精度，通過設(shè)置相應(yīng)閾值，實現(xiàn)以后治療分次擺位依據(jù)和治療過程中的位置監(jiān)控。結(jié)果顯示，Catalyst HD相對CBCT的擺位誤差在三個線性方向的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差相對較大，而三個旋轉(zhuǎn)方向相對較小，提示同樣條件下，Catalyst HD系統(tǒng)在平移方向的閾值可適當(dāng)放寬，旋轉(zhuǎn)方向可相對減少。兩種擺位系統(tǒng)在六個維度的擺位誤差之間存在弱相關(guān)關(guān)系，提示兩種原理不同的技術(shù)在對各個方向誤差的探測能力和敏感度方面，存在差異。

本研究以CBCT引導(dǎo)的治療分次擺位數(shù)據(jù)為參考，非CBCT分次治療時利用光學(xué)體表引導(dǎo)擺位，患者總體六維方向擺位誤差基本都在2 mm/2°以內(nèi)，符合臨床要求，六維方向相關(guān)性呈中等相關(guān)或弱相關(guān)，可能存在以下問題需要進一步改進：① 反射光束可能存在系統(tǒng)或偶然誤差無法消除，導(dǎo)致位移存在一些偏差；② 病例選取數(shù)據(jù)量有限，今后可增加不同腫瘤的相關(guān)數(shù)據(jù)；③ 部分患者在放療期間同步化療，體重變化較大，膚色改變，對皮膚表面信息造成一定影響；④ 患者首次治療由于緊張、不適應(yīng)、呼吸幅度頻率改變等因素，在去掉面罩獲取體表信息時可能出現(xiàn)偏差；⑤ 首次治療后行光學(xué)體表引導(dǎo)擺位并再次行CBCT記錄并修正擺位誤差，對光學(xué)體表系統(tǒng)引導(dǎo)放療擺位的精度是否有所幫助還需進一步驗證，要考慮CBCT劑量對患者的影響。

綜上所述，光學(xué)體表引導(dǎo)擺位方法擺位精度較高，與CBCT校位方式一致性較好，可保證非CBCT校位分次中患者的體位一致性，是一種有效的低成本圖像引導(dǎo)工具。可作為日常快速輔助患者擺位的有效手段，降低正常器官的輻射劑量，提高工作效率。