MVCT引导下螺旋断层调强放射治疗摆位误差及靶区边界外放分析

李洪明 于 浪 孙显松 王欣海 胡 克 张福泉 邱 杰*

MVCT引导下螺旋断层调强放射治疗摆位误差及靶区边界外放分析

李洪明①于 浪①孙显松①王欣海①胡 克①张福泉①邱 杰①*

目的：对高能X射线计算机体层摄影(MVCT)引导下采用螺旋断层调强放射治疗技术(Tomotherapy)治疗的患者进行摆位误差分析，探讨科室整体摆位水平，并为靶区安全边界外放(Margin)提供依据。方法：对采用TomoTherapy进行调强放射治疗的192例患者，每次治疗前行MVCT扫描，将其图像与计划CT图像进行配比，记录进出(LNG)、左右(LAT)、升降(VRT)和旋转(ROLL)四维方向的误差，并按部位分组(头颈、胸腹和盆腔3个部位)，计算单个患者整个疗程误差分布规律及全部患者的系统误差(Σ)和随机误差(σ)大小，利用Margin公式(M=2.5Σ＋0.7(σ)得出各部位不同方向的Margin值。结果：192例患者共获得4416幅MVCT图像，得出各部位在LNG、LAT、VRT 和ROLL方向的摆位误差分别为：头颈部(1.94±1.78)mm、(0.94±0.81)mm、(1.07±0.98)mm和(0.75±0.89)°；胸腹部(3.72±2.92)mm、(2.12±1.96)mm、(2.04±1.65)mm和(0.47±0.71)°；盆腔(3.68±2.52)mm、(1.36±1.20)mm、(1.83±1.41)mm和(0.47±0.51)°，整体摆位误差为：(3.172.96)mm、(1.401.42)mm、(1.581.40)mm和(0.580.74)°，各部位在LNG、LAT和VRT方向的Margin分别为：头颈部5 mm、2 mm和2 mm；胸腹部8 mm、7 mm和5 mm；盆腔6 mm、4 mm和3 mm。结论：通过对MVCT引导下采用螺旋断层调强放射治疗患者的摆位误差数据分析，了解科室整体摆位水平，为各部位的Margin外放提供可靠依据，临床疗效及副反应尚待进一步研究。

摆位误差；边界外放；螺旋断层放射治疗；影像引导放射治疗；医院直线加速器

调强放射治疗(intensity-modulated radiotherapy，IMRT)技术已广泛应用于放射治疗中，而影像引导放射治疗(image-guided radiotherapy，IGRT)技术在治疗过程中确定肿瘤位置及分次间的变化至关重要，使精确放射治疗成为可能[1]。螺旋断层调强放射治疗技术(TomoTherapy)将二者相结合，每次治疗前获取患者高能X射线计算机体层摄影(megavoltage computed tomography，MVCT)图像用于修正摆位误差，通过二进制多叶准直器调制的旋转扇形束流配合床的运动实现更加精准的剂量分布[2-5]。然而，由于分次内器官运动以及摆位误差等因素的存在，为了确保治疗过程中不脱靶，通常要在临床靶区(clinical target volume，CTV)的基础上外放一定的边界(Margin)，称计划靶区(planning target volume，PTV)[6]。每个放射治疗单位都需根据各自所开展的技术及治疗师摆位水平等情况选取合适的Margin值。本研究通过对现有摆位数据进行分析，探讨科室整体摆位误差水平及各部位的Margin值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性分析中国医学科学院北京协和医院放疗科2014年1-12月应用TomoTherapy加速器治疗的192例患者，其中男性89例，女性103例；中位年龄为52(21～78)岁；头颈部肿瘤60例、胸腹部57例、盆腔75例。本研究已获医院伦理委员会批准，所有患者均自愿参与数据的采集，并签署知情同意书。

1.2 纳入与排除标准

(1)纳入标准：①患者自主能力较强，能够较好的遵循医嘱；②针对需要充盈膀胱和(或)排空直肠的患者能够认真执行；③治疗体位非强迫体位，在治疗过程中能够控制减少体位改变。

(2)排除标准：自主能力较差，不能充分配合的患者或因其他原因导致中断治疗者均予以排除。

1.3 仪器与材料

采用Brilliance CT Big Bore型CT模拟机(Philips，荷兰)；R102型U型头膜(广州)；R460S型头颈肩定位膜(广州)；F621R型低温热塑定位膜(广州)；Eclipse 9.2 CT定位图像通过网络传送到计划系统(Varian，美国)；TomoTherapy 4.2.3计划系统(Accuray，美国)。

1.4 治疗方法

(1)所有患者均采用CT模拟机定位扫描，头颈部患者使用R102 U型头膜或R460S头颈肩定位膜固定，扫描层厚3 mm；胸腹部及盆腔患者均采用F621R低温热塑定位膜固定，扫描层厚5 mm，根据病变部位及病情决定是否进行增强扫描。将获取的KV级CT定位图像通过网络传送到Eclipse 9.2计划系统中，医生参考患者的正电子发射计算机断层显像(positron emission tomography，PET)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)等影像材料勾画CTV及危及器官(organ at risk，OAR)，靶区勾画后由上级医生完成审核，然后传送到TomoTherapy 4.2.3计划系统中进行计划设计，最后在TomoTherapy加速器(Hi-art)进行治疗。

(2)所有患者均采用TomoTherapy进行治疗。每次治疗前均行MVCT扫描，MVCT成像预置分别为Fine(精细)、Normal(正常)和Coarse(粗略)的3种扫描方式，所对应的层厚分别为2 mm、4 mm和6 mm。头颈部选择Normal的扫描条件，其他部位选择Coarse的扫描条件。

1.5 观察与评价指标

TomoTherapy图像匹配有自动匹配和人工配准两种方式，所获取的MVCT图像与定位CT图像先行进出(LNG)、左右(LAT)、升降(VRT)及旋转(ROLL)四维方向的自动配准，在此基础上进行人工配准。人工配准首先根据骨性标记将MVCT图像在水平、冠状和矢状面与定位CT图像进行匹配，然后根据二幅图像序列中靶区及危及器官的匹配关系进行微调，最终按人工配准结果进行四维误差修正，记录最终的人工配准结果进行本研究数据计算，在每位患者初次治疗前测量其治疗床沉降值，以便于后续对VRT数据进行必要的修正。

1.6 统计学方法

应用SPSS 19.0统计软件进行数据分析。计算每例患者整个疗程的误差分布；计算群体的系统误差Σ和随机误差σ，利用经验公式Margin=2.5Σ+0.7σ[7]计算各方向的Margin值。

2 结果

2.1 摆位误差分析

误差分析结果表明，胸腹部肿瘤患者在LNG、VRT和LAT三个方向上的误差均较大，但与盆腔肿瘤患者相比，在LNG和VRT方向存在差异，但无统计学意义(t＝2.67，t＝2.17；P＞0.05)；而在LAT方向差异显著，具有统计学意义(t＝2.54，P＜0.05)。对于ROLL方向的误差分析表明，头颈部具有较大的ROLL方向误差，同另外两组相比差异显著，具有统计学意义(t＝2.63，P＜0.05)。LNG、LAT、VRT和ROLL四维方向的摆位误差见表1；各部位系统摆位误差对比如图1所示。

表1 肿瘤患者四维方向各部位摆位误差(±s，mm)

表1 肿瘤患者四维方向各部位摆位误差(±s，mm)

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图1 各部位不同方向摆位误差对比图

2.2 Margin值分析

根据Mckenzie等的靶区边界外放公式(Margin= 2.5∑+0.7δ)计算，得出不同部位及同一部位不同方向靶区边界外放值，其中头颈部外放边界相对较小，除LNG方向达到5 mm以外其余方向均＜2 mm。各部位在LNG、LAT及VRT方向的Margin值分别为：头颈部5 mm、2 mm和2 mm；胸腹部8 mm、7 mm和5 mm；盆腔6 mm、4 mm和3 mm。各部位三个方向上的Margin计算结果最大≤8 mm，并且较大值均出现在LNG方向(见表2)。

表2 各部位不同方向上的Margin值(mm)

3 讨论

TomoTherapy具有独特的同源双束设计，成像时标称能量为3.5 MV。兆伏级射线增加了康普顿效应和电子对效应，与kV级图像相比，MVCT影像的对比度分辨率相对较差，但在图像的均匀性和空间分辨率方面有一样好的效果[8]。MVCT能够提供大多数软组织轮廓信息，应用MVCT扫描可以直观的了解患者当次治疗前靶区和危及器官的位置关系及充盈情况，并进行位置的在线修正，可提高肿瘤治疗的准确性，减少患者的不良反应[9]。

在分次治疗中，靶区位置和轮廓可能发生变化，周围危及器官的充盈也会有所不同，这些不确定因素直接影响放射治疗精度[10-11]。Van Herk[12]的研究表明，系统误差通常包括CT定位系统的扫描误差、机械误差、加速器的机械误差和激光灯的误差等，这些误差在整个疗程中是恒定的；随机误差通常是患者分次治疗中体位重复性的差异，包括治疗师的摆位操作和器官运动等造成的差异，这种误差具有随机性，虽然随机误差不能完全消除，但可以通过努力将其减小[13]。扫描后的MVCT图像由不同医生按照相同的配准原则与定位的CT图像进行配准，根据配准结果调整治疗床进行治疗。梁军等[14]的研究表明，不同医生只要按照相同的原则进行图像配准即可获得较为一致的配准结果。

本研究结果表明，胸腹部在各个方向上Margin相对较大，这可能与该部位的生理结构有关，胸腹部器官的运动幅度较大，且脏器的充盈状态对靶区的位置影响较大，老年患者或者肥胖患者胸腹部脂肪层较厚、皮肤松弛等因素，导致摆位误差过大，进而影响靶区外放边界值。而对于盆腔患者，由于分次治疗间膀胱和直肠的充盈变化较大，从而导致LNG方向存在较大的摆位误差，与本研究所得出的进出方向的Margin较大的结论相符合[15-16]。但是，本研究结果显示，LNG方向Margin可控制在8 mm以内，可能与本研究规范患者的膀胱和直肠的充盈状态有关。此外，本研究中Margin的计算尚未考虑旋转误差所带来的影响，但对于头颈部肿瘤该方向误差相对较大，可能与头颈肩面罩固定方式有关，该种固定条件下患者头面部无定位标识线使其在旋转方向不容易控制。TomoTherapy可通过改变机架起始角度纠正ROLL方向的偏差，但针对无角度修正的其他加速器，需采取一定的措施以减小旋转误差，例如借助解剖结构(如双侧外耳孔、双侧耳廓上下缘等)作为参考来减少头部旋转。

TomoTherapy在距离机架旋转等中心700 mm处的虚拟等中心进行摆位，治疗床由摆位中心前进到治疗位置势必要产生沉降，沉降值严重影响摆位误差分析和Margin计算的结果。沉降值大小与治疗床载重及患者与治疗床的相对位置等有关，因此不同的患者产生的沉降值不同，患者在接受治疗前，沉降值由MVCT配准纠正[17]。本研究中在患者首次治疗时测量其治疗床沉降值，并在摆位误差和Margin计算中将其扣除，从而获得正确的摆位误差和Margin值。

计算靶区安全边界外放大小时，Mckenzie等[7]结合DVH参数和靶区覆盖等讨论Margin的外放，指出为使90%以上的CTV的D95不小于处方剂量，CTV到PTV外扩边界至少应为M=2.5Σ+0.7σ。Stroom等[18]也做了相同的研究，其结果为M=2Σ+0.7σ，这样可以使99%的CTV的D95接受到处方剂量，其算出的外放边界比Mckenzie等的算法稍小。但考虑到脱靶的风险，本研究采用前者的研究结果进行Margin计算。

4 结语

TomoTherapy加速器MVCT的应用减小了各部位肿瘤的摆位误差，为不同部位及不同方向的Margin外放提供了可靠依据，其在精确放射治疗中具有重大意义。各部门应根据所开展的技术及治疗师的摆位水平等情况计算合适的Margin值，为肿瘤患者的精确治疗提供依据。

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Analysis of positioning errors and margin of target region of intensity modulated helical tomotherapy under guidance of MVCT/LI Hong-ming, YU Lang, SUN Xian-song, et al//China Medical Equipment,2017,14(7):55-58.

Objective: To analyze the position error of patient

intensity modulated helical tomotherapy under guidance of megavoltage computed tomography (MVCT) and discuss the whole position level of department. Besides, to provide references for safe margin of target region. Methods: 192 patients were treated by using intensity modulated helical tomotherapy. They were scanned by MVCT before every therapy was implemented and their scanned results were compared with planning CT. The errors of 4 directions including LNG, LAT, VRT and ROLL were recorded, and these data were divided into three groups (head and neck group, chest and abdomen group and pelvic group) as the different body parts. The error distribution law of whole treatment for every patient, the system error (Σ) and random error (σ) for all of patients were calculated. And then the Margin value of different direction of various body parts was obtained by using Margin formula (M=2.5Σ +0.7(σ)). Results: 4416 images were obtained from 192 patients, and the position error of different body parts on 4 directions (LNG, LAT, VRT and ROLL) were: head and neck(1.94±1.78 mm, 0.94±0.81 mm, 1.07±0.98 mm and 0.75±0.89 mm), chest and abdomen (3.72±2.92 mm, 2.12±1.96 mm, 2.04±1.65 mm and 0.47±0.71 mm ), and pelvis (3.68±2.52 mm, 1.36±1.20 mm, 1.83±1.41 mm and 0.47±0.51mm), respectively. The whole position errors were 3.172.96 mm, 1.401.42 mm, 1.581.40 mm and 0.580.74 mm. The Margin values of different body parts on LNG, LAT and VRT were: head and neck (5 mm, 2 mm and 2 mm), chest and abdomen (8 mm, 7 mm and 5 mm) and pelvis (6 mm, 4 mm and 3 mm), respectively. Conclusion: Through the data analysis about position errors of patients treated by using intensity modulated helical tomotherapy under the guidance of MVCT, the whole position situation of department is grasped and these relative data provide reliable reference for Margin of different body parts. And its clinical effects and adverse reaction need more research in next stage.

Position errors; Margin; Tomotherapy; IGRT; Medical linear accelerator

Department of Radiotherapy, Peking Union Medical College Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences &Peking Union Medical College, Beijing 100730,China.

李洪明,男,(1989- ),本科学历，技师。中国医学科学院北京协和医院放疗科，从事放射治疗师工作。

2017-03-11

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.07.014

1672-8270(2017)07-0055-04

R814.42

A

①中国医学科学院北京协和医院放疗科 北京 100730

*通讯作者：13501015586@139.com