机载千伏级CBCT监测鼻咽癌IMRT摆位误差的分析

王树超 张军宁 邰国梅 彭 钦 查燕燕 任 朋 刘凯丽

鼻咽癌IMRT通过产生高度适合靶区形状的剂量分布，解决了静止靶区的剂量适形问题，但是由于放疗是以分次照射方式进行的，即使很好的体位固定也难以保证治疗体位的重复性，在患者接受分次治疗过程中仍存在摆位误差，即实际治疗位置与参考位置的差异。而较小摆位误差亦可导致靶区剂量不足或正常组织剂量增加，本实验利用机载KV-CBCT实时监测早期鼻咽癌患者调强放疗摆位误差的变化，在此基础上分析体重指数、体重变化对摆位误差的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集2009年4月至2010年2月在苏州大学附属第一医院就诊的早期初治鼻咽癌患者15例，所有患者均经病理检查证实为低分化鳞癌，年龄≤65岁，其中男性11例，女性4例，卡氏评分(karnofsky performance status，KPS)≥80。患者放疗前未接受过任何抗肿瘤治疗、无远处转移。所有患者放疗前辅助检查与处理：血常规、肝肾功能、胸部正侧位片、腹部B超、鼻咽部和颈部增强CT和MIR扫描、放疗前口腔病处理。患者按1992年福州分期标准Ⅰ期4例(26.67%)，Ⅱ期11例(73.33%)。

1.2 方法

1.2.1 固定体位和CT扫描 患者取仰卧位，双手置于体侧，在模拟定位机下采用头颈肩热塑面罩固定于碳素纤维底板上。为避免头颈肩膜变形引起摆位误差，采取上午制模，下午行CT扫描，并记录扫描参数。为减小系统误差，通常在CT模拟扫描时确定治疗中心点，通过在热塑膜上标记与激光灯重合的“+”字线，建立三维参考系，通常选择第4、5颈椎下缘作为中心平面。扫描范围上界达头顶，下界达锁骨头下2 cm。鼻咽及颈部拟治疗区域以层间距0.3 cm薄层扫描，其余区域层间距0.5 cm扫描。将CT图像经网络传输至CMS XIO治疗计划系统进行患者信息及坐标系登记，在工作站进行数据重建并确认。

1.2.2 勾画靶区和危及器官 根据ICRU50号和ICRU62号报告的定义勾画靶区及危及器官[1,2]。

1.2.3 制定计划 在CMS XIO治疗计划系统(treatment planning system，TPS)里为每位患者制定逆向IMRT计划，采用9个基本野方案。按上海肿瘤医院内部资料给予处方剂量和靶区剂量的上下限、危及器官的剂量上限，利用逆向设计软件自动计算照射子野数、剂量权重，通过剂量体积直方(dose volume histogram，DVH)图评定计划并进行优化。

1.2.4 获取X线容积影像 待副主任以上职称的主管医师确认后，将治疗计划传输至治疗中心工作站，同时将患者的计划CT图像一并传至治疗中心工作站。第一次及以后疗程中每周测量一次摆位误差时，要求物理师及副主任以上职称的主管医师参加摆位，按治疗计划提供的等中心标记摆位，并用加速器机载KV-CBCT 进行扫描，获取X线容积影像(XVI)，使用full fan滤线器，重建矩阵512×512，重建层厚0.3 cm；根据医科达IGRT协作组的标准设置扫描参数(preset)：Head and neck half-cw/cc (100kv，36.1mAs,S20过滤板)，结合模拟定位CT的扫描参数进行扫描。机架从22°到-178°逆时针行200°范围的弧形扫描。

1.2.5 测定摆位误差 OBI系统将扫描部位的容积图像重建为CT 断层图像，并与治疗计划CT 图像进行3D/3D 自动和(或)手动匹配，获得患者在左右、头脚、腹背方向及水平面旋转的摆位偏差数值。CBCT配准区域(Clipbox)选取范围采用医科达IGRT协作组的标准，上界到眉弓，下界到第5颈椎下缘，左右界到两侧耳内缘，前界到鼻尖，后界到枕骨后缘。配准方法：因为头颈部固定良好，变异较小，多采用在自动匹配的基础上进行手工匹配方法，重点考虑PTV和颈椎中等区域，选择骨匹配为主的方式进行匹配[3]。匹配完成后计算机即可自动得出摆位误差。

1.2.6 纠正摆位误差及实施治疗 通过制导移动治疗床,自动纠正线性误差和旋转误差后开始放射治疗。若误差≥0.5 cm,寻找原因，并按纠正后的，进行KV-CBCT扫描，以获得从未纠正位置情况下，患者的摆位误差。激光灯标志“+”进行放疗。但保留原始计划标志点，以后每周仍按原始计划标志点摆位。

1.2.7 评价体重指数对摆位误差影响 体重指数(body mass index，BMI)是目前国际上常用的衡量人体胖瘦程度指标，能间接表示皮下脂肪厚度。18～25是正常，理想体重指数是18.5～22.9，当BMI≥25时认为超重。根据放疗前不同体重指数，将患者分为BMI<25组和BMI≥25组,观察超重对首次摆位误差的绝对值、整个放疗过程中的系统摆位误差及随机摆位误差的影响。

1.3 统计学方法

本实验采用SPSS 13.0统计软件进行统计学分析，两样本均数的比较按照方差是否齐性选用t检验，两变量之间的相关性采用直线回归的相关性分析，不同变量对样本的影响采用逐步回归方法分析，P<0.05有统计学意义。

2 结果

2.1 误差数据分析

采用Rosenthal等[4]推荐的方法，将系统误差与随机误差分开研究。系统误差为所有分次摆位误差的平均值，反映实际治疗和模拟定位间差异；随机误差为所有分次摆位误差的标准差，反映分次放疗之间差异。本研究建立以计划中心点为中心的三维坐标系分析摆位误差，分别X轴表示左右方向，Y轴表示头脚方向,Z轴表示腹背方向，实际摆位中心点在坐标系中往背部、往患者左侧、往头部移位为正，水平面沿顺时针方向旋转矢量值为正。所有测量样本中摆位中心点平均位置在腹背、头脚、左右方向的坐标为(-0.1833 cm,-0.0322 cm,0.0967 cm)；95%的可信区间分别为[-0.2117 cm，-0.1549 cm]，[-0.0768 cm,0.0124 cm]，[0.0563 cm,0.1371 cm]；水平面旋转的均值为-0.8333°,95%的可信区间[-1.0987°,-0.5687°]。对第1次到第6次的摆位误差数据分别进行矢量位移分析，结果发现摆位中心点在腹背方向上随疗程进行向腹侧移位；在头脚方向上向脚侧移位；在左右方向上向左侧移位；在旋转方向上向逆时针方向移位，见图1。

图1 各个方向摆位误差描述性统计量

2.2 BMI对首次摆位误差绝对值的影响

本研究发现，首次摆位误差绝对值的平均值在腹背、头脚、左右方向及水平面旋转方向，BMI≥25组分别为BMI<25组的93.33%、110.00%、200.00%、223.90%(P值分别为0.956、0.579、0.039和0.022)。故BMI≥25患者在左右方向及水平面旋转首次摆位误差绝对值较BMI<25患者明显增大，见图2。

图2 BMI<25组和BMI≥25组患者首次摆位误差绝对值的比较

2.3 BMI对系统摆位误差和随机摆位误差的影响

BMI<25组的系统摆位误差在左右方向和水平面旋转方向小于BMI≥25组(P<0.05)。故BMI≥25患者在左右方向及水平面旋转的系统误差较BMI<25患者明显(图3)。BMI<25组在腹背、头脚、左右方向和水平面旋转的随机摆位误差与BMI≥25组无明显差别(P>0.05)，体重指数对随机摆位误差无明显影响,见图4。

图3 BMI<25组和BMI≥25组患者系统误差比较

图4 BMI<25组和BMI≥25组患者随机误差比较

2.4 体重变化对摆位误差的影响

在放疗疗程中，大多数患者有体重下降情况。将每次KV-CBCT扫描前测定的体重与放疗前体重相比较，得到体重减少率。从放疗开始到放疗结束，所有测量次数中平均体重减少率为4.25%，95%的可信区间为[3.355%，5.155%]，最大值13.33%，最小值-2.17%。将测得的摆位误差按体重减少率分6组，其中小于0.00%组：16次；0.00%～2.00%组：13次；2.00%～4.25%组：15次；4.25%～6.00%组：8次；6.00%～10.00%组：13次；大于10.00%组：10次。计算每组体重减少率和各个方向摆位误差的平均值，数据分析发现，腹背方向及旋转的摆位误差与体重下降率呈相关性(P值均小于0.05，|r|分别为0.420和0.437)；左右方向及头脚方向摆位误差与其无明显相关性(P值分别为0.106和 0.104，|r|分别为0.188和0.189)。说明放疗过程中体重下降会明显引起实际摆位中心点沿腹背方向往腹侧移位及水平面逆时针旋转，且当体重减少达7.10%，摆位中心点向腹侧偏移可达0.2 cm，见图5,6。

图5 腹背、头脚、左右方向误差均值随体重减少率的变化情况

图6 旋转误差均值随体重减少率的变化情况

3 讨论

摆位误差是实际治疗位置和治疗参考位置即定位CT位置的差异。摆位误差包括系统误差和随机误差[5]。系统误差通常产生于治疗计划准备期间，主要由于在放射治疗机上不能完全重复治疗计划所需的位置，造成实际治疗的平均位置和计划需要的位置之间的差异，可采取相应质量控制和质量保证措施纠正使之减小。随机误差通常产生于治疗计划执行期间，主要因患者体位变化及器官运动造成分次治疗之间重复性的差异引起。这两者对剂量分布具有不同的影响，因为系统误差存在于治疗全程，引起等剂量线整体偏离靶区；而随机误差具有偶然性，可使得高剂量区范围缩小和边缘变得模糊。通过影像学介入在影像引导下放疗设备使实时测定、纠正摆位误差成为可能，并可在此基础上推算系统误差和随机误差[6]，同时可分析其形成相关因素，以减小对放疗的影响。目前测量、纠正放疗摆位误差的方法有以下几种，①射野验证片或DRR片只能依靠二维重建，利用骨性标志进行比较；②EPID虽具有实时优势，但患者吸收剂量高，图像清晰分辨较低，不能进行旋转误差的纠正；③治疗疗程中利用CT模拟机测量缺乏实时性，不能得到因治疗室与模拟CT室的差异引起的误差；④机载MV-CBCT利用加速器的高能X线实时成像，对软组织分辨率差；⑤机载KV-CBCT不仅可以实时形成骨和软组织分辨率均很高的三维容积图像，而且图像与计划CT图像成像条件更为接近，可以通过自动或加手动方式与计划CT图像在线匹配，进行靶区和周围器官的大小、形状、位置匹配；精准纠正放疗体位改变引起线性和旋转误差，监测和通过相应措施纠正治疗过程中肿瘤或正常组织变形所带来的剂量学变化。相比较而言，机载KV-CBCT具有较好的精确性。

本研究发现患者机体本身有多种因素会影响摆位时体位的重复性，如皮下脂肪层的厚度、肌肉张力和重力作用以及患者体位的舒适性，自我控制能力等[6]。BMI是1个能间接表示皮下脂肪厚度客观指标。本研究结果发现:①BMI≥25患者左右方向及旋转的摆位误差的绝对值较BMI<25患者明显偏大；②其左右方向和旋转的系统摆位误差较明显。Yan等[7]提出的自适应放疗( adaptive radiation therapy)即在每个患者整个放疗过程的早期用影像工具测量每日的摆位误差,对摆位误差进行统计分析,决定是否需要修改放疗计划。如果需要则进行相应修改,而后按修改好的计划继续治疗。我们发现BMI≥25患者首次摆位误差幅度在左右方向及水平面旋转方向较BMI<25患者明显偏大，有必要结合实际摆位情况，调整原来依赖群体性数据制定的计划，即自适应放疗，获得个体化的治疗计划。 鼻咽癌放射治疗的疗程长，大多数为40～50天，疗程中绝大数患者可因疾病本身和治疗反应等原因出现体重的变化。潘才佳[8]通过EPID研究体重变化对摆位误差的影响，发现体重减轻5 kg以上可导致面罩松动，引起摆位误差加大。我们每周行CBCT测量摆位误差同时监测体重的变化，在此基础上研究摆位误差与体重变化的关系，本研究结果显示：患者体重减轻会引起摆位中心点向腹侧移位和水平面呈逆时针方向旋转，BMI≥25鼻咽癌调强放疗患者有必要进行自适应放疗,且体重下降超7.10%，中心点往腹侧移位可达0.2 cm。因此鼻咽癌IMRT中应定期测量体重，对体重减轻超过7.10%患者，可通过KV-CBCT等图像引导放疗设备测量摆位误差，若位置偏移明显，予以重新制模固定体位；必要时每次分次放疗前进行KV-CBCT扫描纠正误差。

[1] ICRU Report 50：Prescribing,recording,and reporting photon beam therapy〔S〕.Bethesda,MD：International Commission on Radiation Units and Measurements,1993：1～72.

[2] ICRU Report 62：Prescribing,recording,and reporting photon beam therapy (supplement to ICRU Report 50)〔S〕.Bethesda,MD:International Commission on Radiation Units and Measurements,1999.

[3] Lee N,Xia P,Quivey JM,et al.Intensity-modulated radiotherapy in the treatment of nasopharyngeal carcinoma：an update of the UCSF experience〔J〕.Int J Radiat Oncol Biol Phys,2002,53(1):12.

[4] Gierga DP,Chen GTY,Kung JH,et al.Quantification of respiration-induced abdominal tumor motion and its impact on IMRT dose distributions〔J〕.Int J Radiat Oncol Biol Phys,2004,58(5):1584.

[5] Samuelsson A,Mercke C,Johansson KA.Systematic set-up errors for IMRT in the head and neck region：Effect on dose distribution〔J〕.Radiatherapy and Onco1ogy,2003,66(3):303.

[6] Kutcher GJ,Mageras GS,Leibel SA.Control,correction,and modeling of setup errors and organ motion〔J〕.Semin Radiat Oncol,1995,5(2):134.

[7] Yan J,Wong F,ViCINⅠ J,et al.Adaptive modification of treatment planning to minimize the deleterious effects of treatment setup errors〔J〕.Int J Radia Oncol Biol Phys,1997,38(1):197.

[8] 潘才佳.应用电子射野装置实时纠正鼻咽癌调强放疗摆位误差的研究〔J〕.中华放射肿瘤学杂志，2009，18(5)：341.