胸部腫瘤螺旋斷層放療系統(tǒng)setup功能位置矯正與誤差來源分析

徐士飛，馮 歡，劉海洋，胡 杰，馬 露

1. 武漢大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院（武漢 430071）

2. 武漢大學(xué)中南醫(yī)院腫瘤放化療科（武漢 430071）

螺旋斷層放療（helical tomotherapy，HT）系統(tǒng)采用二進(jìn)制多葉準(zhǔn)直器、機(jī)架以及治療床持續(xù)移動的獨(dú)特設(shè)計，能夠輸出適形的劑量分布，因而被用于全腦全脊髓與單中心多靶區(qū)腦部轉(zhuǎn)移瘤等復(fù)雜疾病的治療。該治療系統(tǒng)的一個顯著特點(diǎn)是參照紅色激光系統(tǒng)在虛擬等中心擺位，在機(jī)架孔內(nèi)的治療等中心放射治療。兩中心相距700 mm，隨著床進(jìn)，患者、治療床、固定系統(tǒng)等重量超過床板支撐，引起治療床沉降，導(dǎo)致位置的不確定性增加[1-4]。目前矯正位置的不確定性主要通過圖像引導(dǎo)放射治療（image-guided radiation therapy，IGRT）技術(shù)移動治療床矯正位置誤差[5-6]。但實(shí)際上，環(huán)形機(jī)架上控制面板setup功能鍵，能夠矯正位置誤差，在此本文對setup功能在放療過程中矯正位置誤差的作用進(jìn)行評估，并對位置誤差來源進(jìn)行分析。

1 資料與方法

1.1 研究對象

回顧性收集2019年1月至2019年5月武漢大學(xué)中南醫(yī)院腫瘤放化療科收治的胸部腫瘤患者的圖像配準(zhǔn)信息與相關(guān)病歷資料。納入標(biāo)準(zhǔn)：①患者年齡≤90歲；②采用一體化固定架、胸腹熱塑膜和船型定位頭枕固定的患者；③均采用HT系統(tǒng)實(shí)施調(diào)強(qiáng)放射治療的患者；④非同步放化療的患者；⑤無多個靶區(qū)聯(lián)合放療患者；⑥采用CT定位的患者。排除標(biāo)準(zhǔn)：①立體定向放療患者；②首次放療后修改放療計劃的患者；③在線放療復(fù)位患者。本研究均獲患者知情同意。

1.2 放療定位和圖像配準(zhǔn)

放射治療定位階段，患者體位固定后參照定位室內(nèi)三維激光系統(tǒng)，畫出熱塑膜和身體表面“+”字線，作為放療復(fù)位參考標(biāo)記。采用模擬定位CT機(jī)（Sensation Open，西門子，德國）掃描千伏級計算機(jī)斷層掃描（kilo-voltage computed tomography，KVCT）圖像，并傳輸至HT系統(tǒng)計劃工作站。根據(jù)患者診斷影像（CT、MRI、PETCT等），亞專科腫瘤醫(yī)生在KVCT圖像上勾畫靶區(qū)和危機(jī)器官，醫(yī)學(xué)物理師設(shè)計和優(yōu)化放療計劃，制定IGRT放射治療程序。

首次放療前，根據(jù)治療室內(nèi)三維激光系統(tǒng)和熱塑膜表面“+”字標(biāo)記線，準(zhǔn)確復(fù)位患者體位。掃描兆伏級計算機(jī)斷層掃描（mega-voltage computed tomography，MVCT）圖像與KVCT圖像配準(zhǔn)并記錄位置誤差，為首次復(fù)位誤差。第二次放療前，采用環(huán)形機(jī)架上控制面板setup功能復(fù)位患者體位，再次掃描MVCT圖像，與計劃圖像配準(zhǔn)并記錄位置誤差，為setup復(fù)位誤差。兩次患者靶區(qū)位置驗(yàn)證均采用3.5 MV束源拍攝MVCT圖像，靶區(qū)配準(zhǔn)方法均采用先自動再手動配準(zhǔn)。

1.3 研究指標(biāo)

位置誤差研究指標(biāo)包括左右、上下、前后方向平移誤差和Roll旋轉(zhuǎn)誤差。根據(jù)國際電工委員會（The International Electrotechnical Commission，IEC）規(guī)定：左右、上下、前后方向平移誤差是指沿著X、Y、Z軸移動的線性誤差值，Roll旋轉(zhuǎn)誤差是指沿著Y軸旋轉(zhuǎn)的角度誤差值（圖1）。誤差的可能來源指標(biāo)包括年齡、性別、體質(zhì)量指數(shù)（BMI）、分次劑量、治療次數(shù)和腫瘤診斷類型。其中，治療次數(shù)僅代表首次復(fù)位和setup功能復(fù)位兩次分次放療，不代表后續(xù)的分次放療。

圖1 位置誤差坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖Figure 1. The chart for the coordinate system of setup errors

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

采用IBM SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，計量資料經(jīng)正態(tài)性檢驗(yàn)，符合正態(tài)分布的采用均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差表示（±SD），計數(shù)資料采用例數(shù)和百分?jǐn)?shù)表示。采用配對樣本t檢驗(yàn)分析兩次復(fù)位配準(zhǔn)后位置誤差間差異。根據(jù)誤差可能的來源指標(biāo)，構(gòu)建重復(fù)測量混合線性回歸模型，分析胸部腫瘤放療位置誤差的來源。檢驗(yàn)水準(zhǔn)取α=0.05，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般情況

共納入36例胸部腫瘤患者，其中男性26例（72.22%）、女性10例（27.78%），平均年齡（60.17±10.10）歲，肺癌患者21例（58.33%）、其他腫瘤患者15例（41.67%），患者放療處方劑量為 24 ～60 Gy/10～27 F，詳見表 1。

表1 36例患者基本特征Table 1. Basic characteristics of 36 patients

2.2 兩次復(fù)位位置誤差比較

首次復(fù)位和setup功能復(fù)位患者圖像配準(zhǔn)后，左右、上下、前后方向平移誤差詳見表2，Roll旋轉(zhuǎn)誤差分別為（0.05°±0.93°）和（-0.01°±0.65°）。除左右位置外，setup功能復(fù)位后誤差均值總體上均小于首次復(fù)位，尤其在前后方向上，setup功能復(fù)位后誤差顯著小于首次復(fù)位（P＜0.001），差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

表2 36例患者兩次復(fù)位位置誤差比較Table 2. Comparison of localization errors for 36 patients

2.3 位置誤差來源分析

多因素分析發(fā)現(xiàn)，BMI對胸部腫瘤患者前后方向平移誤差和Roll旋轉(zhuǎn)誤差有影響，回歸系數(shù)β分別為0.191（P=0.001）和0.034（P=0.040），表示BMI每增加1 kg/m2，前后方向平移誤差增大0.191 mm，而Roll旋轉(zhuǎn)誤差增大0.034°。治療次數(shù)和分次劑量對前后方向平移誤差存在影響，回歸系數(shù)β分別為-4.158（P＜0.001）和0.189（P=0.024），表示放療次數(shù)每增多一次，前后方向平移誤差減少4.158 mm，即setup復(fù)位能夠減少靶區(qū)前后方向位置變異，而分次劑量每增加1 Gy，前后方向平移誤差增加0.189 mm（表3）。

表3 36例患者位置誤差來源分析Table 3. Analysis of localization error sources for 36 patients

3 討論

放療位置誤差常引起腫瘤放射治療劑量的改變，導(dǎo)致腫瘤控制概率下降和放療副反應(yīng)增加，因此矯正位置誤差是保證精準(zhǔn)放療的關(guān)鍵。位置誤差可能受到設(shè)備品牌、常規(guī)維護(hù)、使用頻率以及受試者年齡、性別、BMI、分次劑量、治療次數(shù)和腫瘤位置等因素影響。目前，HT系統(tǒng)放療的位置誤差主要通過每日IGRT技術(shù)進(jìn)行矯正，有研究報道盡管每日IGRT可提高位置精準(zhǔn)性、降低靶區(qū)邊界和減少放療副反應(yīng)[7-9]，但頻繁地掃描位置驗(yàn)證圖像不僅增加臨床工作負(fù)荷、延長工作時間，而且增加患者醫(yī)療費(fèi)用，違背價值醫(yī)療的宗旨。而HT系統(tǒng)的setup功能原理簡單，即將分次放療治療床的位置自動移動到目標(biāo)計劃位置或配準(zhǔn)后治療床位置。根據(jù)實(shí)際使用情況，該功能可簡化放射治療師復(fù)位程序，減少操作時間，提高工作效率。因此明確誤差來源，正確應(yīng)用setup功能矯正位置誤差將成為腫瘤治療過程中日常操作的重要組成部分。

本研究通過比較兩次復(fù)位圖像配準(zhǔn)后發(fā)現(xiàn)，setup功能能夠有效降低因治療床自然沉降引起的前后方向平移誤差。多因素研究發(fā)現(xiàn)BMI對前后方向平移誤差和Roll旋轉(zhuǎn)誤差存在影響，可能與分次放療皮下脂肪受壓程度不同和體重增加導(dǎo)致治療床沉降有關(guān)[10]。Lee等的研究也發(fā)現(xiàn)，BMI與前后方向、Roll位置誤差有相關(guān)性[11]。李興德等開展的一項關(guān)于瓦里安加速器位置誤差來源的研究，指出BMI 可影響胸部腫瘤左右、上下和前后方向位置誤差[12]。這些研究結(jié)果均提示了以治療床的移動來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位治療時，BMI可能是導(dǎo)致位置誤差來源的影響因素。因此，胸部腫瘤放射治療時，應(yīng)重視較高BMI腫瘤患者的靶區(qū)位置精準(zhǔn)性，達(dá)到精準(zhǔn)放療的目的。另外，通過分析BMI和Roll旋轉(zhuǎn)誤差的回歸系數(shù)，BMI實(shí)際對放射治療靶區(qū)旋轉(zhuǎn)變異的影響有限，且Roll旋轉(zhuǎn)誤差可以通過HT系統(tǒng)環(huán)形機(jī)架的旋轉(zhuǎn)自行矯正，所以BMI對靶區(qū)Roll旋轉(zhuǎn)變異臨床意義有限。

本研究還發(fā)現(xiàn)，前后方向平移誤差更易受到分次劑量的影響。分次處方劑量是依據(jù)靶區(qū)面積、腫瘤深度、照射技術(shù)等制定的，以達(dá)到腫瘤的生物學(xué)效應(yīng)，從而控制或治愈腫瘤，防止腫瘤復(fù)發(fā)。分次劑量影響靶區(qū)前后方向位置變化的可能原因是分次處方劑量越大，靶區(qū)的面積也越大，容易發(fā)生靶區(qū)的幾何變異。另外，性別和臨床診斷對胸部腫瘤前后方向平移誤差的影響接近統(tǒng)計學(xué)意義，可能與樣本量較少有關(guān)。本研究建議，將setup功能應(yīng)用到臨床放射治療工作中時，應(yīng)矯正位置誤差和減少放射治療時間，以提高放射治療位置精準(zhǔn)性和工作效率，同時減少放療前拍攝驗(yàn)證圖像頻率，降低其輻射劑量對人體的輻射反應(yīng)。另外，建議在臨床放射治療過程中，不僅要密切關(guān)注BMI、分次劑量和不同復(fù)位方法，還要考慮患者性別和臨床診斷對胸部腫瘤位置誤差的影響。

本研究存在一定的局限性。不同配準(zhǔn)方法、配準(zhǔn)范圍大小（獨(dú)立靶區(qū)配準(zhǔn)和整體配準(zhǔn)），均可影響系統(tǒng)的擺位精度[13]。本研究中未納入這兩種因素進(jìn)行探討，影響HT放療擺位誤差的因素分析不全面。此外，鑒于當(dāng)前腫瘤醫(yī)生根據(jù)診斷影像和臨床經(jīng)驗(yàn)手動勾畫靶區(qū)被視為金標(biāo)準(zhǔn)，因此本研究仍由腫瘤醫(yī)生在KVCT圖像上手動勾畫靶區(qū)并與患者M(jìn)VCT圖像配準(zhǔn)，這可能導(dǎo)致結(jié)果存在一定誤差，未來仍需進(jìn)一步研究以提高手動勾畫方法的精準(zhǔn)性。

綜上所述，setup功能能夠矯正胸部腫瘤位置誤差，尤其是前后方向平移誤差。BMI、分次劑量和不同復(fù)位方法影響胸部腫瘤放療前后方向位置精準(zhǔn)性。