肺癌调强放射治疗中摆位误差分析及CTV-PTV外放边界的研究

张 骥 宰 宇 唐 甜

中南大学湘雅三医院，湖南省长沙市 410013

近年来，随着科学技术的飞速发展，调强放射治疗已成为肺癌的主要治疗手段之一。调强放射治疗相比于常规的三维适形放射治疗，不仅能更好地调制射线束，而且能提高靶区的适形度，使剂量分布梯度更好，在提高肿瘤的控制率的同时，降低放射性纤维化等副反应的发生概率；但精确的技术对治疗时的摆位精度则提出了更高的要求。国内外多项研究[1-3]表明，摆位重复性是调强放疗成功与否的关键因素，与患者的体位固定方式、设备的精度、放疗技师个人工作质量有着密切的关系。ICRU50[4]和62号[5]报告同时指出，为了确保调强放射治疗的精确度，在进行调强放疗时，患者治疗时的体位不确定度必须加以考虑，在靶区勾画和计划设计时，可以通过在临床靶体积(Clinical target volume，CTV)的基础上外放一定的距离形成计划靶体积(Planning target volume，PTV)来加以实现，这个距离包括器官的自主和不自主运动以及摆位和重复摆位的误差。对于肺癌而言，如果这个外扩距离过大，很有可能引起正常肺组织受到不必要的照射，增大放射性肺炎和肺纤维化的发生概率；如果这个外扩距离过小，则很有可能造成肿瘤的漏照，降低肿瘤的局部控制率。

目前，由于国内外各家医院体位固定技术上的差异，如何设置PTV尚无统一标准[6-7]。本文通过应用Varian Truebeam直线加速器机载的千伏级锥形束CT(Kilovolt cone-beam computed tomography，CBCT)采集了我科60例肺癌患者治疗期间的413组摆位误差数据，并进行精度观察和统计分析，根据我科自己的实际情况得到了适合我院的CTV-PTV的外扩边界，为临床提供数据基础。

1 资料与方法

1.1 病例选择 选取我院于2019年1—8月全程进行图像引导放射治疗的肺癌患者60例，其中女12例，男48例，平均年龄54岁(41～73岁)。所有患者KPS得分均>60分，无远处转移。

1.2 体位固定及CT扫描 60例患者均采用仰卧位，Klarity的一体板和胸腹部热塑体膜，头枕合适型号的发泡头枕，双手交叉抱肘上举置于前额进行体位固定。体位固定后，使用德国Siemens公司的SOMATOM型号的螺旋CT对每位患者的平静呼吸状态进行增强CT扫描，扫描范围从第6颈椎至第2胸椎，扫描电流为80mA，电压为120kV，层厚、层距均为5mm，分辨率为512×512。扫描完成后，影像数据通过DICOM传输至Eclipse治疗计划系统工作站，分别由医生和物理师进行靶区勾画和计划方案设计。

1.3 CBCT图像扫描和摆位误差记录 CBCT图像扫描采用Varian TRUEBEAM加速器的OBI机载影像系统，扫描参数为：M20、100kV、10mAs。扫描角度360°。60例患者行常规CBCT验证(即前1周每次验证，后每周扫描1次)，进行在线校位，共扫描413次。将OBI获取的CBCT图像和计划系统相应的DRR(Digital reconstruction radiograph)片通过自动加手动的方式进行灰度图像配准[8-9]分析出治疗床在X轴(Laternal、左右方向)、Y轴(Longitudinal、头脚方向)、Z轴(Vertical、背腹方向)3个方向上的摆位误差数值，并记录好。

1.4 CTV外扩边界的计算 上述步骤得到的三个方向的摆位误差包括随机误差(random error)和系统误差(systematic error)[10]。

系统误差表示在加速器上重复模拟定位时技术的难度，具有规律性，其误差大小与加速器、激光灯的机械误差等设备的不确定度有关，对于某特定患者的整个治疗而言是恒定的，通常用∑表示：

随机误差表示患者每次治疗时体位重复性的差异，具有偶然性，其误差大小与技术员摆位操作是否规范、患者呼吸运动幅度等有关，通常用σ表示：

其中Δi为每次摆位(拍片)误差，N为摆位(拍片)次数。

van-Herk等[11-12]通过蒙特卡洛模型，运用群体化累积剂量分布概率法，采用DVH和靶区覆盖可能性分析，指出为使90%患者的CTV累积剂量至少接受95%的处方剂量，CTV-PTV外放边界至少应为MPTV=2.5∑总+0.7σ总。

2 结果

2.1 摆位误差数据分析 对这60例肺癌患者进行的每周CBCT扫描校准过程中产生的413组三维方向的摆位数据进行统计分析，得到X左右、Y头脚、Z背腹的3个方向的误差分别为(1.662 32±1.422 25)mm、(2.127 05±1.366 56)mm、(2.119 32±1.580 24)mm，最大误差为-7.6mm、-9.8mm、8.3mm(见表1)。三个方向上的摆位误差均呈正态分布(见图1)，60例肺癌患者摆位误差发生率如表2所示。

表1 60例肺癌患者摆位误差大小(mm)

图1 60例肺癌患者413次摆位数据误差分布图

表2 60例肺癌患者摆位误差发生率[m(%)]

注：误差发生率=m/n×100%，m表示摆位在某范围内的次数，n表示摆位总次数，n=413。

2.2 CTV外扩边界的分析 60例肺癌患者在实验过程中的摆位误差及外扩边界如表3所示。根据MPTV=2.5∑总+0.7σ总，可以计算得出X、Y、Z三个方向的理论外扩边界分别为1.88mm、5.66mm、2.71mm。

表3 肺癌患者摆位误差及外扩边界(mm)

3 讨论

通过上述论述，得知摆位误差包含系统误差和随机误差，在患者的放射治疗过程中是不可避免的，同时也是影响调强放射治疗能否精确实施的关键。ICRU24号报告曾指出在放疗过程中体位移动3mm，疗效会下降3.3%；移动5mm，疗效下降18.4%；移动6mm，疗效下降33.1%[13-14]。由此，可见摆位误差对放射治疗的影响之大。为了最大限度地提高治疗位置和剂量的精确度、降低摆位误差的影响，图像引导技术[15-16]应运而生。这种技术通过加速器上的成像装置(如千伏级锥形束CT)采集患者治疗前的图像，利用这些图像与计划CT相对比，评估肿瘤中心位置偏差，进而引导摆位误差的修正。

本文应用Varian Truebeam直线加速器机载的千伏级锥形束CT(Kilovolt cone-beam computed tomography，CBCT)采集了我科60例肺癌患者治疗期间的413组摆位误差数据(见图1和表1)。X左右方向的误差主要考虑与患者体膜松紧度有关；Y头脚方向的误差应主要考虑与患者的胸部呼吸运动以及双手交叉上举的重复性差异有关；Z背腹方向的误差主要考虑与患者分次间体重差异以及不同患者的体型差异有关。在摆位误差分析的研究中发现: 对于肺癌，一方面，摆位误差在Y头脚方向(2.127 05±1.366 56)mm最大，Z背腹方向(2.119 32±1.580 24)mm次之，最小的为X左右方向(1.662 32±1.422 25)mm，这提示着我们在放疗的摆位过程中应特别注意头脚方向；另一方面，三个方向的摆位误差虽然在小范围(≤3mm)内的居多，但波动性比较大，X、Y、Z方向的最大误差分别为-7.6mm、-9.8mm、8.3mm,这也提示着我们放疗摆位的技术还有待于提高，在日常过程中还应重视摆位操作的规范性。

此外，在CTV外放边界的研究中，我们从van-Herk给出的CTV外扩公式MPTV=2.5Σ总+0.7σ总可以看出, 摆位误差的系统误差在外扩边界大小中起了非常大的作用，而系统误差主要与设备的不确定度有关，可以通过规范的质量控制标准经常性地校准设备、降低设备的机械误差(如降低加速器机架旋转中心、光距尺指示、激光灯定位的偏差等)予以控制。从表2可以看出，我科在系统误差上均控制在1mm以内, 这说明在质量控制方面我科做了很好的把关，为降低摆位总误差打下了坚实基础。尽管如此,随机误差的大小仍然不可小视。通过公式计算得出，我科能使得90%肺癌患者的CTV累积剂量至少接受95%处方剂量的X、Y、Z三个方向的理论外扩边界应为1.88mm、5.66mm、2.71mm。但在摆位误差规律的分析(见表2)中我们看到在摆位误差发生率上，至少有一个方向、至少一次摆位误差 >5mm 的有17次，占摆位总次数的4.12%。也就是说即使将各个方向的边界外扩5mm,肺癌患者仍有一部分至少有某一个方向的一次治疗没有完全包绕 CTV。因此在理论上，我们考虑将肺癌患者各个方向的外扩边界取为10mm, 这样才能使得100%的胸、腹部患者的每一次治疗都完全包绕靶区(CTV) 。近两个月来，针对我科肺癌患者摆位误差波动较大、大误差发生概率小的情况，我们通过加大对技术员的培训和管理, 并在摆位前对患者进行宣教、呼吸训练等方式, 大大降低了我科胸部摆位的无效摆位发生概率，所以我科已将肺癌胸部靶区的各个方向外扩边界缩小至5mm。

综上所述，在肺癌的调强放疗中，应用千伏级锥形束CBCT测量摆位误差的大小，并引导摆位误差的纠正，分析CTV外扩边界的大小，对于提高调强放射治疗的精确度、降低正常组织的受照范围、提高放射治疗疗效具有实际的临床意义。在今后的研究中，我们还可以通过加大样本量、增加随访内容追踪每位患者的治疗疗效来加以补充摆位误差对调强放疗的影响。总之，作为放射治疗的执行者，放射治疗技术员在工作中首先要树立好放射治疗质量控制的思想意识，其次还要明确各个环节的误差来源、分析方法和解决办法，这样才能确保患者调强放射治疗的精确性。