基于IGRT的宫颈癌调强放射治疗摆位误差对剂量学影响的探讨

薛艳青，王 枫，郑庆增，张建春，申夏夏，朱晓华

（1.北京老年医院放射治疗科，北京 100095；2.北京全域医疗技术有限公司，北京 100013）

0 引言

宫颈癌是女性最常见的生殖道恶性肿瘤，其发病率仅次于乳腺癌。据2014年世界卫生组织报告，我国女性宫颈癌的发病率和死亡率位居世界第二位。早期宫颈癌大部分选择手术治疗，中晚期、不能耐受手术的宫颈癌患者通常采用综合治疗，即同步放化疗联合腔内照射。调强放射治疗技术治疗宫颈癌的优势日益突出，在保护膀胱、直肠、股骨头等危及器官的前提下能够给予肿瘤靶区致死剂量，从而达到治愈肿瘤的目的[1]。虽然放射治疗作为目前治疗宫颈癌的有效方法广泛应用于临床，但由摆位误差导致的精度降低成为治疗成败的关键。调强放射治疗过程中存在的机械误差、不同体位固定技术的摆位误差、患者治疗过程中的不自主运动等因素都在不同程度上影响放射治疗精度，从而影响放疗计划的实施，降低肿瘤控制率[2]。为了进一步提高放射治疗精度，越来越多的方法和改善技术不断出现，如图像引导调强放射治疗（image guided radiation therapy，IGRT）和图像引导的自适应放射治疗（adaptive radiation therapy，ART）等。其中IGRT技术利用治疗前采集的患者kV级锥形束CT（cone beam CT，CBCT）三维图像与治疗计划的CT图像进行配准，从而得到实时的患者摆位误差，以指导技术员进行误差校准，从而达到精确治疗的目的。

本研究主要探讨图像引导下的宫颈癌调强放射治疗，总结宫颈癌患者放射治疗的摆位误差并通过计划系统重新生成计划与原计划进行对比，分析摆位误差对剂量分布的影响。

1 资料与方法

1.1 病例基本资料

入组2014年7月至2015年12月病理确诊为中晚期的宫颈癌患者20例，年龄范围为43～67岁，中位年龄55岁，根据国际妇产科联盟（International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO）分期标准，10例ⅢB期、7例ⅡB期、2例ⅢA期、1例ⅡA期。20例患者均无放射治疗禁忌证并签署了知情同意书，患者KPS评分≥70分，心、肝、肾功能均无异常。

1.2 计划CT图像获取

20例宫颈癌患者均采用CT模拟定位，取仰卧位，体部热塑网膜配合专用体架固定体位，每位患者扫描前均由家属签字再行静脉注射碘海醇后做增强扫描，扫描范围从T8至S5，层厚为5 mm。扫描完成后将CT图像通过网络传输至Pinnacle9.2放射治疗计划系统。医生根据经验并参考相关影像资料进行靶区勾画，然后物理师进行计划设计。

1.3 计划设计参数

宫颈癌通常采用7野照射。要求95%计划靶区（planning target volume，PTV）体积最低的照射剂量45 Gy，每次 1.8～2 Gy，共 25 次，接受≥45 Gy的体积占总体积的百分比用V45表示，以此类推，要求膀胱和直肠 V45＜50%，股骨头 V45＜5%，小肠 V30＜40%、V40＜30%，结肠最大剂量Dmax小于47 Gy。在综合考虑各种因素后给予适当的分次剂量，尽可能使靶区达到目标设定的剂量，以提高肿瘤的局部控制率。危及器官的剂量受PTV大小、患者病情、肿瘤的病理情况等的影响，靶区越大危及器官应给予较高的耐受剂量。

评估治疗计划由肿瘤医师和物理师共同完成，主要依据剂量体积直方图（dose volume histogram，DVH）和等剂量分布图及靶区适形度和均匀性。点剂量分析是医生常用的方法，要求剂量热点不能落在膀胱或直肠壁上，PTV内无剂量冷点。20个病例均按以上要求设置目标函数，优化过程中尽量达到医生要求。

1.4 CBCT图像获取及配准

本文采用医科达Synergy-M型IGRT加速器的机载影像系统进行CBCT扫描。打开X线容积成像（X-ray volume images，XVI）系统，采用 M20 准直器、F1滤线器，曝光条件为120 kV、80 mA，机架扫描角度为-180～180°，扫描长度上下 13 cm，包括膀胱、直肠、宫旁淋巴结、宫颈、阴道及股骨颈等正常组织。在完成首次摆位后，将患者摆位获得的影像与计划CT图像进行配准融合，根据骨性标志和肿瘤靶区的形态和位置，采用自动和手动2种匹配方式配准得到患者的 X（左右）、Y（头脚）、Z（腹背）三维平移误差以及旋转摆位误差。旋转误差超过3°需考虑重新摆位，由于其主要与治疗床的稳定性有关，常规操作不会超过3°，故本文只讨论平移误差对治疗精度的影响。

扫描后XVI系统显示实时影像，自动和手动配准计划CT图像和实时CBCT图像，通过XVI系统计算出具体误差。平移方向的误差若超过一定范围（体部一般5 mm）则需要重新摆位，尽量减小摆位误差。每个患者均连续3次采集放射治疗前的CBCT图像，计算3次采集到的摆位误差的平均值。

1.5 生成模拟计划

20例宫颈癌患者每周进行1次IGRT治疗，分别记录校正前、校正后和治疗后3种误差。校正前误差为首次摆位后的误差，校正后误差为摆位误差纠正后的误差，治疗后误差为治疗结束后的误差。摆位误差又分为系统误差和随机误差，一般情况下，若误差超过约定范围，则需校正后患者方能进行治疗。将校正后XVI系统得到的误差反向输入计划系统，在计划系统上改变照射野等中心参数并引入三维方向上的摆位误差数据，其他参数不变，重新计算剂量，但不重新优化，照射野的角度及目标函数等参数与原计划完全一致。肿瘤靶区和危及器官剂量线分布的改变只反映摆位误差的影响，相当于只改变患者体位。这种含有误差而生成的计划称为模拟计划。

1.6 模拟计划评估

利用DVH对原计划与模拟计划的PTV、危及器官的受照剂量进行剂量学统计分析。评估参数包括：PTV的Dmax、最小剂量Dmin和平均剂量Dmean。评估标准包括PTV的均匀性指数（homogeneity index，HI）和适形度指数（conformity index，CI），其范围为 0～1，等于1时最理想，等于0时最差[3]。

1.7 统计学处理

摆位误差数据用系统误差±随机误差（x¯±s）表示。运用SPSS 17.0软件进行数据分析。误差分析采用t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 摆位误差分析

20例宫颈癌患者调强放射治疗中每周进行1次CBCT扫描（共5次），校正前和校正后均为100次，治疗后65次，20例患者共行265次CBCT扫描。图1、2为1例患者进行IGRT治疗时采集的配准后的图像（包括横断面、冠状面和矢状面3个断层图），通过骨性标志来观察重合程度。表1～3分别为校正前、校正后和治疗后的摆位误差值。摆位误差的统计数值均为绝对值，其中分次间误差指治疗时患者解剖位置与模拟计划之间的差别，分次内误差指患者治疗过程中因器官运动或体位移动导致的位移误差。因此摆位校正前和校正后的误差可为分次间误差，校正后与治疗后的误差可为分次内误差。X、Y、Z方向分次间误差分别为（2.65±1.11）mm/（1.37±0.75）mm、（5.36±2.60）mm/（1.89±1.49）mm、（2.95±1.26）mm/（1.50±0.62）mm。表 2、3数据表明，治疗过程中宫颈癌的摆位误差在头脚方向最大，校正前最大值达到了12.21 mm。这是由于模拟定位与治疗时膀胱及直肠的充盈程度有所不同导致的分次间头脚方向误差较大[4]。

图1 IGRT冠状面和横断面扫描图像

图2 IGRT冠状面和矢状面扫描图像

表1 20例宫颈癌患者校正前摆位误差mm

表2 20例宫颈癌患者校正后摆位误差mm

表3 20例宫颈癌患者治疗后摆位误差mm

2.2 摆位误差对PTV照射剂量的影响

摆位误差使PTV的Dmin和Dmean分别减少139.29和48.19 cGy，表明摆位误差明显降低了95%的PTV体积受照剂量，与原计划相比偏差为5.12%[（98.63±1.90）%VS（93.51±1.78）%]，详见表 4。

表4 摆位误差对PTV照射剂量的影响

2.3 摆位误差对相关危及器官剂量学参数的影响

误差修正降低了膀胱和直肠的受量，但对小肠受照剂量无明显改变，详见表5。因股骨头离靶区较远，本研究未详细讨论股骨头受照剂量问题，而结肠因患者个体差异及肿瘤大小不同不能进行系统的评估。

表5 摆位误差对相关危及器官剂量学参数的影响%

2.4 评估剂量变化

将得到的摆位误差数据输入计划系统，在原计划的CT图像上按原有条件重新计算，生成模拟计划。分析原计划与模拟计划的PTV和危及器官受量，医生根据DVH和患者计划断层图像，初步判断PTV的靶区适形度和剂量均匀性。1例患者的原计划和模拟计划在同一个CT层面图的等剂量分布如图3所示。由图3可看出，原计划靶区适形度较好，而模拟计划适形度变差，且出现高量。该对比表明摆位误差不仅使PTV剂量降低，还增加了危及器官的受照体积，同时影响了靶区适形度和均匀性。

图3 1例患者原计划和模拟计划的等剂量分布

3 讨论

放射治疗过程中，每一流程都存在一定误差。误差不可避免，只能尽量减小。系统误差和随机误差构成了患者分次治疗过程中的摆位误差。虽然调强放射治疗精度较高，但在治疗过程中，摆位的重复性差异和肿瘤周围正常器官的移动与变化仍是限制放射治疗精度提高的因素，较小的误差都会导致靶区或危及器官剂量较大的改变。ICRU24号报告表明：靶区照射剂量分布偏离5%就有可能使原发灶失控或并发症增加[5-7]。治疗过程中摆位误差过大会导致靶区剂量不足或漏照、危及器官剂量过高，影响疗效，还可能导致患者严重的放射反应，降低生存率和后期的生存质量。

本研究中20例患者的数据表明，宫颈癌调强放射治疗摆位误差在X、Y和Z方向上有较大的差别：两侧骨性结构限制了X方向的误差，因此，X方向误差相对较小；Y方向误差最大，直肠和膀胱的充盈程度是Y方向误差的主要因素；而Z方向的误差主要由呼吸及器官运动造成。校正前和治疗后X、Y和Z方向线性误差比较，治疗后各方向均显著低于校正前。同时摆位误差使PTV体积剂量降低，并且增加了膀胱、直肠等危及器官的受量。

由于条件限制，本研究中没有详细探讨宫颈癌患者分次间膀胱和直肠的充盈程度对靶区的影响，而是采取在治疗前的固定时间喝水以保证膀胱的充盈度，在每天的相近时间治疗以保证直肠的充盈度。在实际治疗中，肿瘤靶体积的变化也是影响剂量变化的一个因素。而影响膀胱、直肠和肿瘤靶体积的实际剂量因素比较多也比较复杂，这些因素导致的剂量变化及其他影响有待进一步探索与研究。另外，本研究中未具体探讨旋转误差对宫颈癌的调强放射治疗剂量的影响，但在实际放射治疗摆位时，为减少旋转误差对治疗剂量的影响，要求患者任一方向旋转角度大于等于3°时，需重新摆位并扫描通过后再实施调强放射治疗[8-9]。

综上所述，在放射治疗过程中应充分考虑摆位误差对患者剂量的影响，利用IGRT技术来减少患者治疗时的摆位误差，可提高肿瘤治疗精度，从而保证患者安全有效地进行放射治疗。本研究通过对宫颈癌患者的摆位误差进行分析，为下一步确定计划靶区（planning target volume，PTV）合适的外扩边界打下基础。