Optical Surface Monitoring系统跟踪运动靶区的位置精度和剂量精度验证

靳怀志，石俊田，戴振晖，王学涛

1.广州中医药大学第二附属医院放射治疗区，广东广州510006；2.中山大学孙逸仙纪念医院放疗专科，广东广州510120

前言

随着放射治疗［1-2］技术的发展，调强放疗（Intensity-Modulated Radiation Therapy,IMRT）［3］和立体定向放疗（Stereotactia Body Radiotherapy,SBRT）［4］应用越来越广泛，治疗的精度要求也就越来越高。图像引导放射治疗（Image Guide Radiation Therapy,IGRT）可以大大提高摆位和治疗的精度，从而减小病人肿瘤靶区的边界，降低副反应［5-6］。虽然MV或kV[包括锥形束CT（Cone Beam Computed Tomography,CBCT）]影像可以在治疗前确认患者摆位，但在治疗过程中肿瘤并非静态，会受到呼吸或脏器运动的影响产生移动，有时患者感觉体位不舒服或因治疗时间较长无法坚持不动以及咳嗽等原因会产生一些移动。针对当前这些问题，瓦里安公司推出一种基于光学原理的肿瘤运动管理技术，即体表监视系统（Optical Surface Monitoring System,OSMS）光学体表监视系统，该系统可以在放疗过程实时监测体表运动信息。

本研究测试了广州中医药大学第二附属医院引进的EDGE 直线加速器［7］搭载的OSMS 系统［8-10］，分析OSMS 系统对运动靶区的几何测量精度和对运动靶区跟踪照射的剂量获益，为放射治疗提供质量保证（Quality Assurance,QA）［11］、质量控制（Quality Control,QC）的依据，为精确开展光学表面跟踪放疗提供技术保障。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

美国瓦里安医疗系统公司的Edge直线加速器配备OSMS、CBCT、Perfect Pitch 六维治疗床。OSMS系统在治疗床周围天花板上安装了3台摄像机，共计6 个摄像头，如图1所示。利用光学成像技术和上万个几何节点重建出感兴趣区附近的3D体表图像，体表每个点都有相对于治疗等中心点的位置数据，通过实时获取治疗中的体表图像，并与CT模拟生成的参考体表图像进行配准，从而获得实时位置误差信息。Edge 加速器的治疗床为Perfect Pitch 六维治疗床，六维床的平移精度是0.1 mm，旋转精度是0.1°［12］。

图1 OSMS系统组成Fig.1 Composition of optical surface monitoring system(OSMS)

剂量测量工具：IBA 二维空气电离室矩阵MatriXX 系统［13］，包括硬件MatriXX 探测平板和OmniPro I'mRT 验证软件，分别用于射野二维剂量分布的测量和数据的gamma分析。

呼吸运动平台：本中心自主研发的呼吸运动平台可以设置不同振幅和周期，搭载MatriXX实现一维线性周期往复运动，本研究呼吸运动平台设置周期为3 s、振幅为8 mm。

1.2 几何精度测量

将腹部模体置于治疗床上按照激光线精确摆位，摆正模体上3个面的铅点位于激光线的中心。主动移动治疗床，预设位移分别在6 个方向上进行：上下、左右、前后、旋转、前倾、滚动。上下、左右、前后每个方向上的预设位移均为-3、-2、-1、-0.2、-0.1、0.1、0.2、1、2和3 cm；旋转，前倾，滚动每个方向上预设角度均为-2°、-1°、-0.5°、-0.3°、-0.2°、-0.1°、0.1°、0.2°、0.3°、0.5°、1°和2°。治疗床的移动过程中，仅在1个方向按预设位移移动治疗床，保持其他5个方向治疗床位置不动，分别用OSMS和CBCT测量模体的偏移数值，测量值与预设值差异反映出OSMS 和CBCT 上下、左右、前后方向在±3 cm内，旋转、前倾、滚动方向在±2°内位置偏移的探测精准度［14-15］。

1.3 剂量精度测量

将模拟呼吸运动平台按与治疗床平行的方向放置于治疗床上，并在平台上平铺两块（30×30×3）cm3的固体水，MatriXX 放置在固体水上［16］，源到测量平面距离为100 cm，测量深度6 cm，如图2所示。gamma 分析标准：3 mm/3%［17］。设置OSMS 的跟踪阈值，打开模拟呼吸运动平台的开关，当模体移动的范围超出阈值时机器停止出束，模体回归阈值内时继续出束。

图2 OSMS跟踪MatriXX测量动态剂量Fig.2 Measurement of dynamic dose by tracking MatriXX with OSMS

1.3.1 模体计划测试 Plan1：Gantry 0°，照射野跳数200 MU，照射野分别为调强野和直径为10 cm 圆环野。获取模拟呼吸过程中在OSMS监测阈值为2、3、5 mm 时MatriXX 测量的相对剂量。Plan2：Gantry 0°，照射野跳数200 MU，照射野分别为调强野和直径为10 cm 圆环野，获取呼吸运动平台在静止条件下MatriXX 测量的相对剂量。Plan3：Gantry 0°，照射野跳数200 MU，照射野分别为调强野和直径为10 cm圆环野，获取呼吸运动平台在运动无OSMS监测条件下MatriXX 测量的相对剂量。重复执行3 个计划10次，将Plan1、Plan2和Plan3在不同阈值测量的剂量分布与计划剂量分布进行对比，计算gamma通过率。

1.3.2 乳腺治疗计划测试 Plan1：Gantry 0°，使用Varian Eclipse 8.6 治疗计划系统进行20 例乳腺癌验证计划设计。获取模拟呼吸过程中乳腺癌验证计划在OSMS监测阈值为2、3、5 mm时MatriXX测量的相对剂量。Plan2：Gantry 0°，重复执行上文所提的20例验证计划，获取呼吸运动平台在静止条件下MatriXX测量的相对剂量。Plan3：Gantry 0°，重复执行上文所提的20 例验证计划，获取呼吸运动平台在运动无OSMS 监测条件下MatriXX 测量的相对剂量。重复执行3个计划各10次，对比分析Plan1、Plan2和Plan3在不同OSMS 监测阈值条件下的剂量分布、计算gamma通过率。

2 结果

2.1 OSMS评估

对比OSMS 与CBCT 在相同方向相同预设位移的条件下两系统探测床值的差异（OSMS床值-CBCT床值）。OSMS 和CBCT 在6 个方向上的预设位移在表1中概括为大预设位移和小预设位移。发现OSMS 摆位与CBCT 摆位的符合度达到亚毫米级。粗略摆位的预设位移小于1 cm 和1°时，二者最大平移距离差为0.6 mm，最大旋转角度差为0.2°。粗略摆位的预设位移大于1 cm 和1°时，二者最大平移距离差为1.1 mm，最大旋转角度差为0.3°。

表1 OSMS与CBCT定位在6个方向上探测床值的差异Tab.1 Differences between OSMS and CBCT positionings in 6 directions

2.2 评价OSMS相对CBCT的患者定位

当OSMS 使用自身采集重建的图像作为参考图像进行配准时，在治疗床的移动过程中，仅在1 个方向按预设位移移动治疗床，保持其他5个方向的值位于零位。OSMS对预设偏移的探测准确度见表2。

表2 单方向偏移的探测准确度（±s）Tab.2 Detection accuracy of single-direction deviation(Mean±SD)

表2 单方向偏移的探测准确度（±s）Tab.2 Detection accuracy of single-direction deviation(Mean±SD)

偏差上下偏差/cm左右偏差/cm前后偏差/cm旋转偏差/°前倾偏差/°滚动偏差/°上下位移0.00±0.01 0.00±0.01 0.01±0.01 0.02±0.02 0.03±0.02-0.03±0.06前后位移-0.01±0.02 0.00±0.01 0.01±0.01 0.02±0.03-0.02±0.03-0.03±0.07左右位移-0.01±0.01 0.00±0.01 0.01±0.01 0.03±0.04 0.01±0.03 0.02±0.07旋转位移-0.01±0.02 0.00±0.01 0.01±0.01 0.02±0.02 0.01±0.02 0.02±0.04前倾位移-0.01±0.01 0.00±0.01 0.01±0.02 0.01±0.03 0.01±0.03 0.02±0.03滚动位移0.00±0.01 0.00±0.01 0.01±0.01 0.02±0.02 0.01±0.02 0.01±0.03

结果发现当施加线性位移时，治疗床转动误差主要是滚动，其次是前倾；在施加有意转动位移的情况下，旋转偏差较小。所有方向的线性位移相似，使等中心位置保持在0.4 mm以内。所有预定义的随机位移在每个方向执行15次的偏差值为线性在0.1～0.3 mm以内，旋转方向在0.1°～0.11°以内。

2.3 OSMS下剂量差异测量

在呼吸运动平台运动过程中，分别对OSMS跟踪与不跟踪时MatriXX 测量的两组照射野剂量与计划剂量相比较，通过比较10组测量结果发现：在OSMS阈值为2、3、5 mm时：调强野获取的剂量分布图像与计划剂量分布相对比，gamma 通过率分别为（98.2±0.3）%、（96.4±0.4）%、（93.1±0.3）%；圆环野获取的剂量分布图像与计划剂量分布相对比，gamma通过率分别为（97.5±0.4）%、（96.6±0.5）%、（94.0±0.5）%。而无OSMS 跟踪时，10 组调强野与圆环野获取的剂量分布分别与计划剂量分布相对比，gamma通过率为（68.4±3.6）%、（70.1±2.9）%。以其中一组测量结果为例，对比调强野与圆环野在OSMS阈值为2 mm和无OSMS 监控下照射野剂量分布图，如图3与图4所示。图3为调强野在OSMS阈值为2 mm与无OSMS监控时测量剂量对比；图4为圆环野在OSMS阈值为2 mm与无OSMS监控时测量剂量对比。在该组测量中，在OSMS阈值为2 mm监控下调强野和圆环野的gamma 通过率分别为98.0%和97.4%，但是无OSMS监控的情况下gamma通过率分别为66.7%和70.1%。

图3 调强野剂量分布Fig.3 Intensity-modulated field dose distribution

图4 圆环射野剂量分布Fig.4 Torus radiation field dose distribution

对20例乳腺调强计划按照相同阈值统一计算分析，结果见表3。可以发现呼吸运动平台运动中OSMS系统在阈值为2、3、5 mm时相对无OSMS监控下的gamma分别提高了43.5%、40.5%、22.0%；OSMS系统在阈值为2、3、5 mm 时相对静态条件下gamma通过率偏差分别为0.4%、2.5%、15.1%；而无OSMS监控相对静态条件下gamma 通过率偏差为30.1%。呼吸运动平台在运动过程中，OSMS的阈值越小gamma通过率越大，更加接近平台静止下的gamma值，对提高靶区剂量的作用越明显，相对剂量分布与计划剂量的一致性也就越好，即为OSMS对在放射治疗过程中提高靶区剂量具有明显意义。但在本试验中没有发现与射野的形状以及照射的方式具有相关性。

3 讨论

通过本文的研究，发现OSMS 和CBCT在6 个方向上具有良好一致性，最大线性距离为0.4 mm，小于在这两个系统的固有精度校准。OSMS 系统监测下的照射野gamma通过率显著好于无OSMS系统监测下照射野gamma 通过率，且阈值越小对于跟踪运动靶区提高靶区剂量精度的效果越明显［18］。Hou等［19］对OSMS的研究结果表明光学表面成像（OSI）技术已经具备0.1 mm 的位移变化实时探测能力，对头部运动监测非常有用。0SMS 完全可以应用到实际的治疗过程中，提高放疗的治疗精度使病人受益。

表3 OSMS不同阈值条件下的乳腺验证计划Gamma通过率（%,±s）Tab.3 Gamma passing rates of breast verification plans under different thresholds(%,Mean±SD)

表3 OSMS不同阈值条件下的乳腺验证计划Gamma通过率（%,±s）Tab.3 Gamma passing rates of breast verification plans under different thresholds(%,Mean±SD)

阈值/mm 无OSMS监控模体静止2 3 5 OSMS监控97.9±1.3 95.8±2.2 83.2±4.7 68.2±7.5 98.3±0.9

目前工作的主要局限在于它只关注于模体测量，在研究安装在EDGE直线加速器上的OSMS准确性这一初步阶段中，还未对病人进行研究，在实验中，只对系统本身进行评估。OSMS系统对模体表面位置监测精度高，可以应用到实际放射治疗的辅助摆位。Pan等［20］将OSMS用于脑转移瘤治疗，他们的临床结论是：体表影像引导放射外科治疗（SIG-RS）能够达到了带头架Stereotactic Radiosurgery System（SRS）的临床精度表现，但通过免除头架、免除面罩以及更快的治疗提高了患者舒适度和依从性。使用OSMS 门控技术跟踪运动靶区可以提高靶区的剂量精度，而且对患者不产生任何电离辐射，适用于分次间的辅助摆位和分次内的靶区跟踪，有力地保障SRS/SBRT 技术的安全应用。因此对于立体定向治疗，可以建议患者通过OSMS 预先定位，将皮肤表面与计划CT 中的身体轮廓相匹配，再根据CBCT 匹配进行最终移位。