六维配准技术在肺癌立体定向放射治疗中的必要性

复旦大学附属肿瘤医院 （上海 201318）

内容提要： 目的：研究肺癌立体定向放射治疗患者在CBCT扫描后进行六维方向的配准相对于传统四维方向配准在位移误差纠正方面的必要性及其临床意义。方法：选取2018年3月～2019年7月在本院接受立体定向放射治疗的肺癌患者25例，使用VARIAN的edge直线加速器先进行CBCT扫描，再分别在四维方向和六维方向与计划中的定位CT图像进行配准，并记录数据进行统计学分析。结果：所有接受治疗的患者共获取204组对比数据，其中以六维方向配准而获得的腹背方向的位移误差为（-1.15±0.23）mm、头脚方向的位移误差为（-0.53±0.24）mm、左右方向的位移误差为（0.37±0.18）mm，水平旋转方向误差为（-0.05±0.07）°；而以四维方向配准所获得的腹背方向的位移误差为（-1.22±0.22）mm、头脚方向的位移误差为（-0.43±0.26）mm、左右方向的位移误差为（0.31±0.17）mm，水平旋转方向误差为（-0.02±0.06）°四者P值分别为0.840、0.764、0.822以及0.784，没有统计学意义。而在六维方向配准还有俯仰方向以及左右旋转方向的数据，此二者的角度偏移误差分别为（0.32±0.05）°、（0.17±0.07）°，由于四维配准在此二轴方向皆为0°，所以两者P值为0，有着显著的统计学意义。结论：肺癌立体定向放射治疗患者，六维配准对于患者体位的位移误差纠正的精确性有着显著的优势，以及配合六维床可以直接对六个方向进行纠正后治疗，能更好地保持治疗时的体位。

如今已经全面进入了精确放射治疗的时代，加速器的功能也是日新月异，相对而言，各种新颖的固定装置也是更为多元化、精细化、个体化，而本院也引进了带有六维治疗床系统的新一代Varian公司的edge直线加速器[1]。但即使设备装置有着相当高的可靠性，由于在放射治疗过程中可能会有着各种人为操作因素，以及类似于激光线设备由于震动导致偏差等这类不可抗、不可见的可能性存在，所以对患者摆位的位移误差会或多或少的存在于放射治疗中，然而位移误差2～3mm即可使得靶区剂量降低[2]。尤其对于大剂量分割立体定向治疗而言，其精准性更是尤为重要[3]。然而，曾经的设备对于以SBRT治疗的患者在扫描完Cone beam CT后只能在腹背（VRT）、头脚（LNG）、左右（LAT）以及水平旋转（ROTATION）四个方向进行比对纠正，但根据实际临床观察，发现患者体位的位移误差还存在着俯仰（PITCH）、左右翻滚（ROLL）两个方向的角度偏移误差，此时仅仅凭借传统加速器就无法进行配准以及纠正，而六维床的出现恰好弥补了这一不足，可以实现在六个维度上对于位移误差或者患者体位移动的纠正[4]。但是，功能的提升导致最大的影响便是设备价格的增加，那对于如此高成本的设备，六维配准技术在肺癌立体定向放射治疗中是否真的有必要？而本研究将通过对肺癌SBRT治疗在扫描CBCT后分别以六维方式和传统的四维方式进行配准，并针对两种配准方式所获取的位移误差数据进行统计分析，进而讨论以六维方式进行配准、六维床对于位移误差纠正的必要性及其临床意义。

1.材料与方法

1.1 临床资料

选取本院2018年3月～2019年7月的总共25例接受立体定向放射治疗的肺癌患者。患者可以自主行动，沟通能力良好，能够很好地配合并完成此次研究活动。

仪器设备：使用美国Varian公司新一代的edge直线加速器，此设备CBCT的体部扫描范围为0～46cm，层厚为10mm，并配有六维配准系统以及六维治疗床。

1.2 方法

固定装置以及摆位方式：所有患者均使用多功能板+真空垫+热塑膜+手臂托架固定以保证参与该研究的所有患者体位的一致性。摆位时先让患者坐在真空垫中央，再平稳地躺下确保患者身体与真空垫完全贴合并尽量减少患者身体扭动的发生，随后用热塑膜覆盖在患者身上并以从患者身体右侧到左侧的顺序紧固热塑膜使得患者在治疗时保持体位不易发生变化[5]。

图像采集与配准：所有患者在治疗过程中先进行CBCT扫描，以获取靶区的影像数据，然后进行重建，进而获得冠状面、矢状面和横断面的CT图像与eclipse计划中的CT图像进行比对。首先选择在六维条件执行以下操作：首先使用骨性为参考进行自动配准，若线性方向的位移误差超过3mm则需要重新进行摆位，若线性方向的位移误差不超过3mm时再以软组织为参考进行自动配准，考虑到自动配准可能会产生的偏差，所以需要在自动配准后根据情况再进行手动微调，待医生确认配准的图像符合要求后，记录下当次扫描所得到的位移误差数据[6]。随后，重置所有六维配准条件下得出的位移误差数据，使图像还原到扫描CBCT后的初始位置，然后在不勾选俯仰（PITCH）、左右翻滚（ROLL）两个方向的条件下进行四维配准，配准方法与之前的六维配准相同，待配准完成后记录四维方向上的数据。在此之后还有一组数据需要收集，先保持之前四维配准所得到的位移误差数值不变，再单独勾选俯仰（PITCH）和左右翻滚（ROLL）两个方向进行配准，以检视四维配准后在此二者方向上是否还存在着位移误差，如果有的话记录下数据。

数据整理与分析：本研究中共有两组数据需要进行两次分析，第一组是进行六维配准获得的一组数据，第二组则是进行四维配准而获取的数据，其中第二组数据中的PITCH和ROLL两个方向的角度偏移误差有两部分组成，第一部分是四维配准时不勾选这两者时配准的数值，皆为0；第二部分是四维配准后保持之前四个方向位移误差不变，再单独配准PITCH和ROLL方向的角度偏移误差所得出的实际存在着的角度偏移误差数据。

1.3 统计学分析

使用SPSS 23.0软件对数据进行分析，两组数据对比采用t检验，P＜0.05时有统计学意义。分析数据时先整体分析六维配准和四维配准的数据，再把六维配准时的PITCH和ROLL的数据与四维配准时第二部分的PITCH和ROLL的数值进行单独分析。

2.结果

总共25例接受研究的患者在两次配准后，共获得204组对比数据，先对两组数据整体进行统计学分析。结果显示，六维配准条件下在腹背方向（VRT）的位移误差为（-0.115±0.023）mm、头脚方向（LNG）的位移误差为（-0.053±0.024）mm、左右方向（LAT）的位移误差为（0.037±0.018）mm，水平旋转方向（RTN）的角度偏移误差为（-0.046±0.066）°、俯仰方向（PITCH）的角度偏移误差为（0.323±0.052）°、左右翻滚方向（ROLL）的角度偏移误差为（0.168±0.071）°；而以四维方向配准所获得的腹背方向的位移误差为（-0.122±0.022）mm、头脚方向的位移误差为（-0.043±0.026）mm、左右方向的位移误差为（0.031±0.017）mm、水平旋转方向的角度偏移误差为（-0.022±0.060）°、另两个旋转方向的角度偏移误差皆为0°。如图1、2所示。

随后分析各个方向的数据，最终得出在VRT方向的P值为0.840、LNG方向的P值为0.764、LAT方向的P值为0.822、RTN方向P值为0.784，这四个方向P值都大于0.05，并没有显著差异和统计学意义。最后，PITCH以及ROLL方向的P值分别为0和0.019，显然有着明显差异和统计学意义。

在此之后，单独对六维配准时获取的PITCH和ROLL两个方向的数据和四维配准中第二部分的PITCH和ROLL的误差角度偏移数据进行分析，得出在六维配准时俯仰方向（PITCH）的角度偏移误差为（0.323±0.052）°、左右翻滚方向（ROLL）的角度偏移误差为（0.168±0.071）°；而四维配准情况下PITCH和ROLL依旧存在的角度偏移误差分别为（0.295±0.052）°以及（0.125±0.057）°。如图3所示。

分析此两组数据，得出在俯仰方向（PITCH）和左右翻滚方向（ROLL）的P值分别为0.703以及0.635，两者并没显著差异不具备统计学意义。

图1. 6D配准与4D配准在各个线性方向位移误差的平均值及标准差

图2. 6D配准与4D配准在旋转方向上角度偏移误差的平均值及标准差

图3. 在PITCH和ROLL方向上6D配准与4D配准后依旧存在的角度偏移误差的平均值及标准差

3.讨论

对于需要更精确治疗的肺癌立体定向放射治疗患者而言，虽然传统的四维方向配准与六维方向配准在VRT、LNG、LAT以及RTN这四个性方向上的差异并不大，甚至由于四维配准所考虑的因素更为复杂，以至于四维配准在这些方向的位移误差的范围总体上比六维配准更小一点，只是由于两组位移误差范围并不大导致其并无统计学意义。但是六维方向的配准还能纠正PITCH和ROLL两个旋转方向的角度偏移误差。此外，根据之前的分析，在四维配准之后进行的PITCH与ROLL两个旋转方向的角度偏移误差比对，发现在四维配准之后此二者方向上仍然存在着角度偏移误差，并不会由于四维配准的算法而得到纠正与优化，而且其与六维配准得出的数据进行分析后得出两者的P均＞0.05，说明无论是四维配准还是六维配准在PITCH和ROLL方向上的角度偏移误差并没有显著差异。然而由于旋转导致的角度偏移误差对靶区边缘影响较大，尤其是在左右翻滚方向的角度偏移误差对靶区影响非常大，所以这两个旋转方向的角度偏移误差并不可以忽视。但是由于四维配准并不能体现出这两个旋转方向的角度偏移误差并且进行纠正，所以，六维配准技术以及六维床在肺癌立体定向放射治疗中是极为重要的也应该是必要的。可想而知，基于患者躺到治疗床上的动作、姿势不可能在每次治疗时都保持完全一致，或多或少有着身体的扭转、皮肤的牵拉这类导致各种旋转方向上误差的产生，那使用六维配准对于位移误差纠正的精确性对于传统四维配准就有着显著的优势，以及配合六维床可以直接对各个方向进行纠正后再进行治疗，避免了由于旋转的角度偏移误差而重新进行摆位，减少了患者治疗的时间，也能更好地保持治疗时的体位，使得治疗更为精确。最后，对于没有六维床设备而需要进行立体定向放射治疗的情况而言，只能先保证摆位时的精准性，尽可能减少患者在躺上治疗床时扭转、皮肤牵拉这类情况的发生，以减少患者身体旋转方向上的角度偏移误差，从而保证治疗的精确性。

补充一点，之所以本研究选择肺癌进行分析，是因为相较于全脑或者椎体这类更容易产生旋转且骨性结构更好的部位，胸部的旋转运动以及在扫描CBCT之后配准时的纠正幅度会相对小一些，所以如果对于胸部SBRT的治疗六维配准技术都有必要性的话，那么六维配准技术在SBRT治疗中的必要性也是不言而喻的。