IGRT技术在肺癌SBRT治疗靶区位置误差测定中的应用

王昌民， 胡伟刚， 彭佳元， 蔡旭伟， 傅小龙，许 青*

1.复旦大学附属肿瘤医院放疗科，复旦大学上海医学院肿瘤学系，上海 200032 2.上海交通大学附属胸科医院放疗科，上海 200030

技术与方法

IGRT技术在肺癌SBRT治疗靶区位置误差测定中的应用

王昌民1， 胡伟刚1， 彭佳元1， 蔡旭伟2， 傅小龙2，许 青1*

1.复旦大学附属肿瘤医院放疗科，复旦大学上海医学院肿瘤学系，上海 200032 2.上海交通大学附属胸科医院放疗科，上海 200030

目的：探讨图像引导放射治疗(image guided radiation therapy，IGRT)技术在测定并校正肺部恶性肿瘤体部立体定向放射治疗(stereotactic body radiation therapy,SBRT)过程中靶区位置误差的意义。方法：选择复旦大学附属肿瘤医院收治的14例肺部恶性肿瘤并接受SBRT的患者。每次治疗前后均进行千伏级锥形束CT (kV-CBCT)扫描，与计划CT图像进行在线配准，校正误差后进行治疗。治疗后再次进行CBCT扫描并配准。分别记录治疗前后靶区位置误差。根据临床靶区(CTV)-计划靶区(PTV)外放公式MPTV(外放)=2.5Σ+0.7σ计算PTV外扩大小。结果：治疗前靶区位置左右、头脚、腹背方向误差最大值分别为10.0 mm、16.9 mm、8.7 mm，误差平均值分别为(2.4±2.8) mm、(3.4±4.6) mm、(2.9±3.4) mm。在线校正并治疗后，靶区位置左右、头脚、腹背方向的误差最大值分别为7.6 mm、4.6 mm、7.0 mm，误差平均值分别为(2.1±2.0) mm、(1.5±1.6) mm、(1.7±2.0) mm。无图像引导PTV外扩大小为左右7.96 mm、头脚11.72 mm、腹背9.63 mm，有图像引导并在线校正PTV外扩大小为左右6.65 mm、头脚4.87 mm、腹背5.65 mm。结论：IGRT技术可即时校正SBRT治疗前由摆位引起的靶区位置误差，并测定治疗过程中的靶区位置移动，能提高治疗精度，并有助于PTV外扩的制定。

图像引导放射治疗；体部立体定向放射治疗；误差；计划靶区

在男性癌症患者中，肺癌的发病率和死亡率最高；在女性癌症患者中，肺癌发病率占第4位、死亡率占第2位。在所有癌症患者中，肺癌发病率和死亡率分别占13%和18%[1]。大多肺癌患者因为其他疾病或身体状况较差，围手术期发生并发症的风险较大，肿瘤标准切除后长期功能障碍发生率较高，这类患者不能进行手术切除[2]。对于大多数无法接受手术或不愿接受手术治疗的患者，放射治疗是重要的局部治疗手段[3]。体部立体定向放射治疗(stereotactic body radiation therapy,SBRT)因可以缩短放疗疗程、提高放疗生物学效应，目前正被越来越广泛地应用于临床[4]。肿瘤放射治疗中，不论是根治还是姑息放疗，在给予肿瘤区域足够治疗剂量的同时，应尽量减少周围正常组织和器官受到的照射剂量，以提高肿瘤的局部控制率，并减少正常组织的放射并发症。SBRT能对体部肿瘤进行精确放射治疗，具有大分割、短疗程、单次治疗剂量大的特点[5]。

SBRT的治疗精度较高，但是摆位误差和治疗过程中的体位移动仍难以避免。图像引导放疗(image guided radiation therapy，IGRT)技术将放射治疗机和成像设备结合，在治疗过程中采集有关的图像信息，确定治疗靶区和主要器官的位置、运动，并在需要时进行位置和剂量分布的校正，以减少放疗靶区摆位误差[6]；而且有助于分析治疗过程中靶区位置的移动趋势，为计划靶区(PTV)外扩大小的制定提供参考，从而提高SBRT的治疗精度，并更好地保护周围正常组织[7]。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择复旦大学附属肿瘤医院放疗科2014年1月至7月收治的经病理学确诊的肺部原发恶性肿瘤患者14例。14例患者因其他疾病不能手术或不愿接受手术治疗，而在我院接受SBRT。其中，男性10例，女性4例；年龄36～85岁，平均年龄(66.7±12.2)岁；放疗次数为4～6次。

1.2 CT模拟定位和计划设计 患者在平静呼吸状态下采用荷兰Philips CT模拟机(85 cm孔径模拟CT)进行扫描定位，电压120 kV、准直0.75 mm、螺距 0.982、层厚3 mm、间隔3 mm、视野(FOV)500 mm，矩阵512×512。将获得的定位CT图像上传至pinnacle放疗计划系统，用于治疗计划的制定，同时上传至X线容积成像(X-ray volume imaging，XVI)系统用于图像配准。

1.3 体位固定和摆位 所有患者均采用定制的真空体膜固定，仰卧位，双手抱肘置于额前。每次治疗由一名医师和两名技术员共同完成，由两名技术员在患者平静呼吸状态下进行同中心摆位，在医师指导下采用非共面调强适形放疗技术进行治疗。

1.4 图像获取及校对 采用瑞典Elekta公司Synergy 1372医用直线加速器(配备有KV-CBCT和XVI)，在治疗过程中实时获取靶区和重要器官的图像数据，并在线校正误差，实现基于KV-CBCT的IGRT。本研究中每次摆位完成后采用360°标准旋转模式进行CBCT扫描，利用XVI系统获取数据，并分析、重建，获得横断面、矢状面及冠状面CT图像；用软件自带的自动配准功能，采用灰度配准方式进行配准比对，获取治疗前靶区位置误差数据，进行移床校正(因加速器未带旋转轴向调整功能，故不能调整旋转误差)，然后进行治疗。治疗结束后再进行CBCT扫描，获取治疗后的靶区位置误差。

1.5 数据分析 所有患者共进行了120次CBCT扫描，获得120组数据。误差数据包括沿左右、头脚、腹背3个方向的平移误差和绕3个轴线的旋转角度误差，因本研究中设备不具备校正旋转角度误差的功能，故主要研究平移方向误差。采集并计算每次治疗中每例患者的治疗前和治疗后左右、头脚、腹背3个方向的靶区位置平移误差，得出平移误差总体的均数(Σ)和标准差(σ)，根据van Herk[8]提出的临床靶区(CTV)-计划靶区(PTV)外放公式MPTV(外放)=2.5Σ+0.7σ计算所需的PTV外扩值。

2 结 果

2.1 典型病例每次治疗误差分析 示例病例每次治疗前靶区位置左右、头脚、腹背方向的误差平均值分别为(2.6±1.9)mm、(6.3±1.0)mm、(1.5±2.1)mm，可见头脚方向误差较大(图1)；头脚方向误差均发生在向头方向。治疗后靶区位置左右、头脚、腹背方向的误差平均值分别为(1.0±1.4)mm、(2.3±0.1)mm、(2.0±0.8)mm(图2)，较治疗前误差小。

图1 示例病例治疗前靶区位置误差

图2 示例病例治疗后靶区位置误差

2.2 在线配比示例 每次治疗前和治疗后进行CBCT扫描后，将获取的冠状面、矢状面、横断面图像与CT上传的模拟图像进行自动配比，得出靶区位置误差。CBCT扫描所获取的图像与参考图像的匹配较好，误差小(图3)。靶区误差较大的比对示例见图4，该例头脚方向误差值较大(8.4 mm)，对靶区剂量分布影响较大。

图3 靶区误差较小的配比示例A：左右方向；B：头脚方向；C：腹背方向；D: 配准范围

图4 靶区误差较大的配比示例A：左右方向；B：头脚方向；C：腹背方向；D: 配准范围

2.3 所有病例治疗前靶区位置误差分析 对获得的所有病例的治疗前靶区位置误差进行分析，发现治疗前靶区位置左右、头脚、腹背方向误差最大值分别为10.0 mm、16.9 mm、8.7 mm，头脚方向较其他两个方向靶区位置误差大；左右、头脚、腹背方向误差平均值分别为(2.4±2.8)mm、(3.4±4.6)mm、(2.9±3.4)mm。治疗前靶区位置误差分布见图5，基本呈正态分布(图6)。

图5 所有病例治疗前靶区位置误差分布

图6 所有病例治疗前靶区位置误差离散度分布

2.4 所有病例治疗后靶区位置误差分析 对获得的所有患者的治疗后靶区位置误差数据进行分析，左右、头脚、腹背方向误差最大值分别为7.6 mm、4.6 mm、7.0 mm，左右方向误差较其他两个方向大；左右、头脚、腹背方向误差平均值分别为(2.1±2.0)mm、(1.5±1.6)mm、(1.7±2.0)mm。另外发现有2例患者治疗后部分误差值仍较大。治疗后靶区位置误差分布见图7～图8。治疗后靶区位置误差明显小于治疗前。治疗后靶区位置误差离散度分布见图8，基本呈正态分布。

图7 所有病例治疗后靶区位置误差分布

2.5 PTV外扩大小的计算 对获得的所有患者的治疗前和治疗后误差分别进行分析。由治疗前靶区位置误差计算得出，不使用CBCT校正(无图像引导)放疗所需要的PTV外扩大小为左右7.96 mm、头脚11.72 mm、腹背9.63 mm。由治疗后靶区位置误差计算得出，使用CBCT校正(有图像引导)后再治疗所需要的PTV外扩大小为左右6.65 mm、头脚4.87 mm、腹背5.65 mm。

图8 所有病例治疗后靶区位置误差离散度分布

3 讨 论

SBRT是高度精确的放射治疗，单次治疗剂量大，但是摆位重复性差，治疗过程中患者身体易移动，且受呼吸运动的影响。IGRT技术能较直接地观察治疗靶区是否位于PTV内，为精确治疗提供支持[9]。文献[10]报道，胸腹部肿瘤大分割放疗中使用IGRT技术进行在线校位能有效减小治疗前摆位误差，校正后平均误差值<1 mm、标准差<1 mm、95%误差值-2.0～2.0 mm，能满足大分割放疗的精确要求。依据本次研究中获取的靶区位置误差数据，根据van Herk提出的CTV-PTV外放公式MPTV(外放)=2.5Σ+0.7σ，由治疗前靶区位置误差计算得出，不使用CBCT校正而直接放疗需要的外扩大小为左右7.96 mm、头脚11.72 mm、腹背9.63 mm；由治疗后靶区位置误差计算得出，经CBCT图像引导校正后再治疗需要的外扩大小为左右6.65 mm、头脚4.87 mm、腹背5.65 mm。

胸腹部肿瘤靶区位置相对于其他部位肿瘤更容易受呼吸运动和器官运动的影响，增加了放疗过程中靶区位置移动的不确定性。另外，靶区位置、身体状况、体质量指数及皮肤肌肉的松弛度也会影响靶区位置误差[11-12]。治疗后靶区位置误差可能主要由治疗前CBCT校正后残留误差和治疗过程中患者移动造成的误差组成。为了降低患者的非治疗照射剂量，本组病例未在CBCT校正后测定残留误差。文献[10]报道，CBCT校正后残留左右、头脚、腹背方向误差平均值分别为0.8 mm、0.9 mm、0.9 mm，因SBRT单次治疗剂量较大，治疗过程较常规分割放疗复杂，放疗过程中需要进行两次CBCT扫描，数据重建、比对及校正均延长治疗时间，从而使靶区位置移动增加。本研究中患者单次治疗时间平均达30 min。本研究中2例患者治疗后靶区位置误差较其他患者偏大， 可能与患者年龄较大(分别为79岁、85岁)、皮肤及肌肉组织较松弛、身体素质相对较差，在SBRT治疗过程中不能长时间保持体位有关。因此，身体素质较差、不能长时间保持固定体位的患者不宜使用SBRT治疗，必须进行SBRT治疗时可采取其他适合的固定装置和辅助措施，使患者在治疗中尽量保持体位不变。

靶区位置误差除平移误差外还存在旋转误差，因本研究中加速器未带旋转轴向调整功能，未对患者靶区位置旋转误差进行校正。本研究中治疗前靶区位置绕左右、头脚、腹背轴向的旋转误差平均值分别为(0.6±0.7)°、(0.5±1.1)°、(0.1±1.0)°，治疗后靶区位置误差绕左右、头脚、腹背轴向的旋转误差平均值分别为(0.4±0.8)°、(0.3±0.8)°、-(0.1±0.9)°。Remeijer等[13]和Fu等[14]的研究认为，因旋转误差导致的放射剂量改变很小，可以忽略。平均值为1°的旋转误差不影响95%靶区接受的照射剂量[15]，而>2°的旋转误差会使靶区放射剂量发生3%～5%的变化[16-17]。平移误差调整不引起旋转误差变化[18]。因此建议，当旋转误差偏大而设备又不具备校正旋转误差功能时可考虑重新摆位，以最大限度降低旋转误差对靶区剂量的影响。

综上所述，采用IGRT技术对肺部恶性肿瘤进行SBRT治疗时，可对由摆位引起的治疗前靶区位置误差进行实时校正，从而提高治疗精度；而且可观察治疗过程中靶区位置的变化，测定治疗后的靶区位置误差，为PTV外扩大小的制定提供参考。

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[本文编辑] 姬静芳

The use of IGRT technique to measure the target position errors in SBRT treatment for lung cancer

WANG Chang-min1, HU Wei-gang1, PENG Jia-yuan1, CAI Xu-wei2, FU Xiao-long2, XU Qing1*

1.Department of Radiation Oncology, Fudan University Shanghai Cancer Center; Department of Oncology, Shanghai Medical College of Fudan University, Shanghai 200032, China 2.Department of Radiation Oncology，Shanghai Chest Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University, Shangha 200030, China

Objective：To discuss the significance of image-guided radiation therapy(IGRT) technique in measuring and correcting of target position errors in stereotactic body radiotherapy (SBRT) treatment for lung cancer.Methods：Totally 14 cases underwent SBRT treatment were enrolled in this study.Patients were scanned by kilo-voltage cone beam CT (KV-CBCT) before and after treatment, and online registered to the planning CT images; the target position error was corrected before treamtnet, and the CBCT was scanned and registered again after treatment.The target position errors were recorded before and after treatment.The CTV-PTV margin was calculated by the formula 2.5Σ+0.7σ.Results：The maximum pre-treatment error in right-left, head-feet and back-belly directions were 10 mm, 16.9 mm and 8.7 mm,respectively.The mean value of target position errors in right-left, head-feet and back-belly directions were (2.4±2.8) mm，(3.4±4.6) mm and (2.9±3.4)mm，respectively.The maximum post-treatment target position errors in right-left, head-feet and back-belly directions after online correction were 7.6 mm，4.6 mm, and 7.0 mm, respectively, and the mean values were (2.1±2.0)mm，(1.5±1.6) mm and (1.7±2.0) mm，respectively.Without the usage of image-guide, the PTV margins in right-left, head-feet and back-belly directions were 7.96 mm, 11.72 mm and 9.63 mm, respectively; with the usage of image-guide, the PTV margins in right-left, head-feet and back-belly directions were 6.65 mm,4.87 mm and 5.65 mm, respectively.Conclusions：The IGRT technology can online correct the pre-treatment target position errors and determine the target position removing during treatment.It can improve the treatment accuracy, and contribute to set the PTV margins.

image guided radiation therapy; stereotactic body radiation therapy; error; planning target volume

2016-02-02[接受日期]2016-07-20

王昌民, 技师.E-mail: wangchangmin1234@163.com

*通信作者(Corresponding author).Tel: 021-64175590-86949, E-mail: qindxu68@hotmail.com

10.12025/j.issn.1008-6358.2016.20160115

R 734.2

A