光学体表监测系统Catalyst HD的cPosition与cMotion功能在乳腺癌调强放疗中的应用

方涌文，刘镖水，肖亮杰，王宇留，姚文燕，郭旋，何振宇，林承光，方键蓝

中山大学肿瘤防治中心 华南国家肿瘤实验室，广东 广州 510060

引言

在女性恶性肿瘤中，乳腺癌是目前最常见的恶性肿瘤之一，据世界卫生组织国际癌症研究机构2020年调查数据显示，全球女性癌症中女性乳腺癌新增人数高达226万，占全球癌症新发病例的11.7%，正式取代肺癌全球第一大癌症的地位，而乳腺癌死亡率在全球癌症死亡率中排名第5，死亡率为6.9%[1]。目前乳腺癌也成为实体肿瘤治疗中治疗效果最佳的病种之一，放射治疗中的每个流程步骤都非常重要，放射治疗期间的乳腺癌患者体表的标记线是整个放疗完美进行的保障[2]。乳腺癌患者体表标记点与标记线不仅影响放疗实施的摆位精度，而且相对于左侧乳腺癌患者放疗中保护危及器官[3]，如心脏、肺等也起到了重要的作用。光学体表监测系统（Optical Surface Monitoring System，OSMS）辅助摆位是近些年兴起的新型摆位方式，其中Catalyst HD是利用光学表面成像技术，实时重建显示所勾画的感兴趣区附近的三维体表轮廓。获取实时患者体位误差信息参数方便进行辅助摆位、治疗实时监控和呼吸门控监视，实现患者放射治疗全流程“三精”放疗的标准[4]。本研究目的是比较Catalyst HD中cPosition与锥形束CT（Cone Beam CT，CBCT）校正两个系统的一致性，在降低患者所受额外剂量的前提下，辅助患者放疗体位的校正，探讨能否替代CBCT作为浅层肿瘤患者放疗的体位校正并且进行治疗实时监控的分析，为光学体表实施提供临床参考依据。

1 材料和方法

1.1 一般资料

选取在本中心Varian Vital_Beam进行调强放射治疗的乳腺癌患者34例。本研究经医院医学伦理委员会批准，批准号：2020-379-01，所有患者均签署知情同意书。

1.1.1 入选标准

年龄20～60岁；KPS大于50分；术后分期为Tis-2N0-2M0分期的乳腺癌保留乳房手术后患者；患侧上臂上举外展自如的患者；患者无通气功能障碍，无慢性心肺疾病。患者接受4DCT、CBCT扫描并签署知情同意书；患者接受KVCBCT图像引导放疗并签署知情同意书。

1.1.2 排除标准

同时双侧乳腺癌；腋窝前哨淋巴结活检，未做腋窝清扫；做过内乳淋巴引流区清扫；严重心功能不全；近3个月内出现心肌梗死或未纠正的不稳定型；既往胸壁或锁骨上放疗史；既往或同时第二原发恶性肿瘤。所选均为浸润性癌并为保乳术后患者，行胸壁、内乳、锁骨上淋巴引流区照射。

1.2 体位固定

发泡胶个体化仰卧固定，采用广州福瑞人体定位垫发泡胶固定，将混合液平铺倒到在防水布袋内，患者双手上举外展，采用发泡胶发泡固定的方式使手臂与手指充分塑形，患者面朝向健侧，充分展开胸壁及腋窝淋巴结，发泡胶技术自动塑形的特性使得发泡胶固定垫更为贴合人体体表轮廓。发泡胶仰卧固定装置如图1所示。

图1 发泡胶仰卧固定装置

2 方法和数据采集

2.1 cPosition辅助摆位方法与误差数据的采集

Catalyst HD OSMS的cPosition通过绿色光源和红色光源来显示乳腺癌患者体表实时三维轮廓与计划参考轮廓的位移偏差且直接投射到患者体表轮廓上，并在显示器上显示出摆位的偏差数据。使用体表标记线摆位的方法如图2a所示，使用Catalyst HD系统辅助摆位校正如图2b所示。

图2 cPosition辅助摆位方法与误差数据的采集

放疗前将患者从Eclipse计划系统生成的体表外轮廓及放疗计划资料（RT Plan和RT Structure）导入到Catalyst HD系统中，在第1次CBCT验证后捕获新的放疗体位轮廓，作为第二次及之后放射治疗的参考轮廓，在每次治疗前先按照患者体表的标记线进行摆位，接着使用OSMS辅助摆位校正功能进行体位校正，并在第2、3次及每隔5次CBCT进行体位验证，记录并观察患者的标记线摆位治疗床床值、Catalyst HD辅助摆位校正后治疗床床值及CBCT校准后的体位误差数据。具体的流程如图3所示。

图3 应用OSMS辅助摆位校正流程示意图

2.2 cMotion治疗实时监控与治疗实时位移数据的采集

在患者放疗实施前进入Catalyst HD中cMotion界面，治疗时Catalyst HD系统对患者全程实时监控，当放疗实施过程中出现意外运动即超出所限制的阈值时，控制加速器束流，暂停出束，保证治疗的安全，在治疗结束后导出患者分次内实时监控的位移数据。治疗实时监控、位移阈值和位移矢量如图4所示。

图4 治疗实时监控、位移阈值和位移矢量

2.3 统计学分析

使用SPSS 21.0的Pearson相关分析及配对样本t检验分别对数据进行分析，根据Pearson相关分析得到：R≥0.8为极高度相关；0.6≤|R|＜0.8为高度相关；0.4≤ |R|＜0.6为中度相关；0.2≤|R|＜0.4为低度相关；|R|＜0.2基本不相关。计数资料采用n（%）表示，比较采用χ2检验，根据配对样本t检验得到组均值和标准差，计量资料采用±s表示，其中P＜0.05为差异有统计学意义。

3 结果

3.1 体表标记线摆位与OSMS辅助摆位校正的差异

体表标记线摆位与OSMS辅助摆位校正后进行CBCT体位校正在前后（Anterior Posterior，AP）、上下（Superior-Inferior，SI）、左右（Left Right，LR）方向的误差，AP、SI和LR方向的t值分别为-3.438、-4.895和-3.473，P值均＜0.05，差异有统计学意义；分析旋转（RTN）、翻转（Roll）和俯仰（Pitch）方向的误差，RTN、Roll和Pitch方向的t值分别为-1.811、-3.608和4.273，RTN方向P值为0.072；Roll与Pitch方向P值均＜0.05，差异有统计学意义（表1）。

表1 体表标记线摆位与OSMS辅助摆位校正的差异(cm/°)

3.2 应用CBCT校正与Catalyst HD辅助摆位校正cPosition的差异

CBCT校正与Catalyst HD中cPosition校正功能的Pearson相关分析中AP、SI、LR方向相关性均表现为极高度相关，Pitch方向表现为低度相关，见表2。

表2 CBCT校正与光学体表校正的Pearson相关分析

3.3 治疗实时监控cMotion过程中位移误差分析

cMotion过程中实时平移方向误差的频数分布如表3所示，实时旋转方向误差的频数分布如表4所示，cMotion中平移方向误差区间占比如图5所示，cMotion中旋转方向误差区间占比如图6所示。

表3 cMotion过程中实时平移方向误差频数分布[n (%)]

表4 cMotion过程中实时旋转方向误差频数分布[n (%)]

图5 平移方向误差区间占比

图6 旋转方向误差区间占比

4 讨论

C-RAD Catalyst HD获取患者实时的三维体表轮廓信息，将这些三维体表轮廓信息与Eclipse计划系统生成或者第一次治疗时CBCT扫描校正后捕获的体表外轮廓信息进行匹配比较，通过可视化的界面辅助引导放疗摆位。目前OSMS广泛应用到诸如乳腺癌、肺癌、鼻咽癌、脑瘤等的放疗实施中[5]，其中应用较为广泛的是乳腺癌。目前CBCT具备的精确6维成像能力和较好的图像分辨率，在体位误差校正方面仍然作为癌症患者体位误差校正的“金标准”[6]，本研究使用KV-CBCT对C-RAD Catalyst HD OSMS进行体表标志摆位与cPosition功能对乳腺癌摆位精度的对比发现，体表标记线及使用cPosition功能在3个平移方向比较差异均有统计学意义，光学体表摆位的应用能够明显减少三维方向的摆位误差，与其他学者研究结果趋势一致[7-8]，而本研究也发现了在Pitch旋转方向明显减少摆位误差，大大提高了摆位精度。相较于吴佳蔚等[9]基于美国CIVCO公司的全碳纤维乳腺托架固定的研究，本研究的体表标记线摆位误差更小，原因在于本研究采用了发泡剂个体化体位固定技术，发泡胶个体化体位固定技术自动塑形的特性使得发泡胶固定垫是以患者的体表轮廓如上腹部、胸壁、手臂、头颈部和手指等进行塑形，更为贴合人体体表轮廓，适形度高的同时也不存在漏气变形的风险[10-13]。

本研究发现使用Varian Vital_Beam加速器进行胸部KV-CBCT扫描时扫描的视野为46.5 cm、范围长度为17.5 cm、旋转速度为6.0°/s、电压125 kV和电流270 mAs，每次扫描存在的剂量加权为0.32 cGy，多次使用CBCT扫描将使患者受到额外的辐射剂量，延长患者的治疗时间，同时也带来一定的经济压力[14]。OSMS是一种无辐射且能辅助验证患者放疗体位的新兴技术，应用CBCT校正与cPosition校正的Pearson相关分析中AP、SI、LR方向相关性均表现为极高度相关；Pitch方向表现为低度相关；直线加速器没有联合6维治疗床治疗的情况下，cPosition校正可以最大程度提高乳腺癌患者的摆位精度，直线加速器联合6维治疗床治疗时，可以在AP、SI、LR以及Pitch等方向，进一步校正患者的放疗体位，并且在一定程度上减少CBCT扫描的次数，缩短患者单次治疗的时间，提高患者的放疗舒适度。

在cMotion治疗实时监控过程3个实时平移方向的位移距离在-2～2 mm占比大于95%，RTN实时旋转角度在0°～1°占比为 79.84%，Roll实时旋转角度在0°～1°占比为23.63%，Pitch实时旋转角度在0°～1°占比75.79%,差异有统计学意义（P＜0.05）。目前各位同行的研究关注点在于治疗前的CBCT体位校正，但是无论是KV-CBCT、KV-4D CBCT或者是MV-CBCT体位校正基本都属于摆位误差的静态体位校正技术[15-17]，而忽略了患者治疗过程中由于呼吸运动、咳嗽、打嗝、治疗时间较长导致的肌肉疲劳[18]而发生的不自主移动等的误差。目前患者的体位固定技术发展已相当成熟，体位固定效果也相对较为理想，并且患者治疗过程中的体位变化没有相关监控或校正的设备，造成目前相关研究的缺乏。本研究发现乳腺癌患者治疗过程中不同方向会有不同的位移变化，在Roll方向的变化较大，1°以上的变化占比为76.37%，相对于左侧乳腺癌患者来说，可能心脏、肺等危及器官的受量会随之增加。本研究目前收集了在中山大学肿瘤防治中心Varian Vital_Beam进行调强放射治疗的34例乳腺癌患者的治疗实时监控位移数据，共195517组。后续研究方向是把cMotion位移数据代入Eclipse计划系统进行剂量的分析，并研究不同的位移数据对靶区、危及器官剂量及覆盖率的影响。并且后续研究将继续扩大入组的患者数量，在表面引导放射治疗（Surface Guided Radiation Therapy，SGRT）cPosition与cMotion的应用上为临床治疗提供更精确的支撑。

SGRT在提高了放疗精准度的同时，也改善了患者的舒适度，目前在肺癌、膈肌肿瘤、肝癌、乳腺癌、四肢肿瘤放疗中得到广泛应用，已被证明具有亚毫米精度[19-20]。OSMS在分次内治疗过程中，也能够提供治疗实时监控功能。患者在治疗过程中可能会由于呼吸运动、治疗时间较长导致的肌肉疲劳而发生的不自主移动等，造成放疗体位的变化，OSMS可以及时反馈患者体位产生的变化，当患者治疗实施过程中体位发生较大变化时会进行束流控制，超出设定的位移阈值时暂停出束，等待患者体位恢复正常后再进行出束治疗。这样不仅仅保证了放射治疗的准确性，也大大提高了放射治疗的治疗精度。

综上所述，OSMS的cPosition相对于传统体表标记线摆位更加精确；OSMS的cPosition与CBCT校正有较强的一致性，OSMS的cPosition功能可以实时监测患者的体位变化，在乳腺癌保乳术患者放疗时建议使用OSMS以提高摆位精度，减少额外剂量辐射，提高治疗疗效。