锥形束CT结合六维床HexaPOD验证及纠正放疗中摆位偏差的研究

刘苓苓，费振乐，崔相利，孙瑞霞，李洁，王宏志

1. 中国科学院合肥物质科学研究院 健康与医学技术研究所（医学物理与技术安徽省重点实验室），安徽 合肥 230031；2. 中国科学技术大学 研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026；3. 中国科学院合肥肿瘤医院 放疗中心，安徽 合肥 230031；4. 中国人民解放军联勤保障部队第901医院 肿瘤诊疗中心，安徽 合肥 230031

引言

随着放射治疗技术的快速发展，调强放射治疗尤其是旋转容积调强（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）放射治疗在临床中的应用使肿瘤的治疗更加精准，该技术在治疗过程中通过机架角度、机架转动速度、剂量率和子野形状不断变化，使靶区受到足够照射剂量的同时对周围正常组织的保护更为理想。这种相对复杂的治疗技术对摆位精度的要求更高[1-2]。

摆位偏差对放射治疗整体的不确定性影响较大，需要精确的患者摆位才能减少近远期放射不良反应[3]。为了减小摆位偏差、提高治疗的精准度，在放射治疗前一般应用影像引导放射治疗（Image Guide Radiation Therapy，IGRT）进行摆位验证，纠正患者定位和治疗位置间的偏差。其中千伏级锥形束扫描CT（Cone Beam Computed Tomography，CBCT）扫描图像更清晰，对骨解剖结构在平移、旋转方向和形变的识别更准确[4]，故在临床广泛使用。目前，直线加速器的高端机型基本选配了六维床HexaPOD纠正摆位偏差，可以准确纠正患者的平移和旋转角度的偏移，纠正后的偏差可以达到亚毫米和亚度的精度[5]。

本研究采用医科达Axesse直线加速器的机载CBCT结合六维床HexaPOD验证来纠正患者的摆位偏差。通过收集不同部位患者扫描CBCT后的摆位偏差数据以及特殊病例首次摆位、首次纠正偏差后、治疗分次间摆位偏差结果，为临床医生提供相应的数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料

瑞典医科达公司Axesse医用直线加速器：配备三维图像引导CBCT；可纠正3个平移方向和3个旋转方向摆位偏差的六维床HexaPOD；具有VMAT功能；采用蒙特卡罗算法的医科达Monaco 5.11放疗计划系统；肿瘤患者信息管理系统Mosaiq，可用于患者信息管理和制定计划流程。飞利浦16排大孔径CT模拟定位机：具有85 cm超大孔径，该设备专门用于肿瘤定位，可满足放疗摆位需求。

选取2018年6月至2019年6月在本院经影像学和病理学证实的59例头部肿瘤、47例颈部肿瘤、66例食管肿瘤、21例肺部肿瘤、12例乳腺肿瘤、75例腹部肿瘤、60例盆腔肿瘤，以及2019年2月至2020年2月肺部SBRT、鼻咽癌、头部X刀患者18例为研究对象。

1.2 方法

入组患者头部采用头膜、颈部采用颈肩膜、胸腹盆采用体膜和全碳素纤维底板取仰卧位固定体位。用大孔径CT扫描患者图像，头颈部CT扫描层厚为3 mm，胸腹盆CT扫描层厚为5 mm。扫描后的图像通过网络传到放疗计划系统，放疗医师根据患者CT图像、MRI、钡餐造影及内窥镜等检查信息勾画靶区GTV、CTV，并勾画患者皮肤、周围危及器官。根据临床医生给的处方剂量和正常组织要求制定放疗计划。

扫描CBCT前准备工作：放疗物理师将患者治疗计划、计划CT图像和靶区结构传至Mosaiq工作站，根据患者照射部位在Mosaiq中设置CBCT预设。放疗技师在操作室通过Mosaiq将计划图像加载至XVI工作站作为参考图像，根据靶区位置和范围选择配准区域和配准算法（灰度值配准或骨密度值配准）。

摆放患者位置：放疗技师根据计划系统给出的铅点标记点与治疗射野中心之间产生的移床坐标数据，将肿瘤中心移至加速器等中心。

CBCT扫描：不同部位扫描条件不同，部位包括头颈、胸和腹盆，根据肿瘤所在部位选择扫描部位。如表1所示，表中S20和M20分别是等中心处标称辐射场宽度为276.7 mm的小视野、中等视野准直器；F0是无过滤器；F1是铝过滤器。

表1 不同部位CBCT扫描条件

XVI工作站将治疗前扫描图像与计划系统参考图像进行比对，产生x、y、z平移和Rx、Ry、Rz角度偏差。将产生的偏差发送至六维床HexaPOD，通过自动或手动移床消除该偏差，达到纠正摆位误差的目的。再次扫描CBCT图像，确定摆位误差是否纠正。

1.3 统计学分析

采用SPSS 19.0统计软件分析摆位偏差，统计结果以±s表示。数据采用Wilcoxon检验和方差分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 身体各部位首次摆位偏差

表2是根据收集到的各部位患者首次治疗摆位偏差统计出的数据。经方差分析，各部位间平移和角度方向的摆位偏差均有统计学差异（P＜0.05）。头、颈部各方向平移偏差明显小于其他部位，旋转角度各部位偏差，但差异较小；首次摆位平移和角度偏差稍大。

表2 各部位首次治疗摆位偏差

2.2 特殊病例摆位误差纠正前、纠正后及分次间数据比较

回顾性选择本院鼻咽癌、头部X刀、肺部SBRT患者共18例，收集患者首次摆位偏差、首次摆位纠正后摆位偏差、分次间摆位偏差及分次间纠正后四组数据，通过这些数据，了解CBCT和六维床HexaPOD纠正偏差的大小及纠正偏差后的稳定性。四组数据的平移及旋转偏差数据如表3所示。

表3 摆位偏差纠正前后的平移（cm）和旋转角度（°）数据

从表3可知，经过六维床HexaPOD摆位偏差纠正，纠正后三个平移方向数值明显减小，差异均有统计学意义（P＜0.05）。纠正后三个方向旋转角度数值明显减小，Rx和Rz差异有统计学意义（P＜0.05）。虽然首次摆位偏差纠正后，各方向摆位偏差明显减小，但是分次间摆位偏差仍然存在。除了z平移方向变化不明显外，其他方向数值均减小，差异均有统计学意义（P＜0.05），说明分次间摆位因为人为因素仍存在较大摆位偏差，需每次或多次扫描CBCT，纠正摆位偏差，才能保证每次都有较小的偏差。为了观察分次间摆位纠正后数据是否稳定，分析了分次间纠正摆位偏差后数据，两组数据无统计学差异（P＞0.05），且经纠正后的数值都较小，在亚毫米和亚度级别，证明了分次间每次CBCT和六维床HexaPOD纠正偏差后的残余偏差数值稳定。

图1是摆位偏差纠正前后的数据变化趋势图，a～c分别表示平移x、y、z方向的数据，d～f分别表示旋转Rx、Ry、Rz方向的数据，纵坐标是摆位偏差的实际值。从图1可看出，纠正后的摆位偏差明显比纠正前的摆位偏差小，y方向（头脚方向）摆位偏差在平移和旋转方向上的变化范围比其他方向大。

图1 摆位偏差纠正前后的数据变化趋势图

3 讨论

临床放射治疗中会发现，每位患者接受每次放疗的摆位误差都不相同，将患者按照定位时的标记摆放在治疗床上以及从标记中心移至治疗中心的过程中就产生了摆位误差，这与患者自身的身体状况（器官运动、体重变化、位置变化等）、身体轻微旋转、肿瘤受自主呼吸运动影响及放疗技师的操作有关。放射治疗位置不准确，直接影响放疗治疗效果，并且会增加对患者正常组织的伤害，从而进一步降低患者的预后效果。尤其肺部SBRT、头部X刀等小病灶放疗，对治疗位置的准确性要求非常高，如果不能保证每次治疗体位的准确性和一致性，则靶区剂量无法保证，且增加了周边正常组织风险[6-7]。

图像引导是现行临床常用的提高放疗精度的技术，CBCT是近年来发展起来的图像引导设备之一。CBCT是基于非晶硅数字化X射线探测板的成像设备，因其体积小等特点可以直接整合到直线加速器上。在患者治疗前扫描CT图像，进行三维重建，与定位CT图像匹配后可精确地算出六个方向上的摆位偏差[8-10]，经过六维床对摆位偏差进行在线校正。基于图像引导的CBCT技术用较低的辐射剂量验证、监测摆位偏差和内部器官运动并用六维床在线纠正偏差，降低放射治疗的不确定性[11-12]。CBCT和六维床的结合对于实现亚毫米级、亚度的高精度治疗准确性至关重要。

从本文数据可知，经CBCT扫描得出摆位误差及六维床HexaPOD纠正摆位偏差后六个方向数值明显减小，摆位偏差纠正有效。分次间摆位偏差较大，建议每次扫描CBCT纠正，纠正后的残余偏差较稳定，且纠正后的偏差在亚毫米内。所得结果与近期相关研究结果趋势一致[13-15]，且本文纠正摆位偏差后的残余误差更小。

对于少次大剂量的非常规治疗，建议每次治疗前扫描CBCT。对于常规治疗，治疗分次在20～30次，可能会考虑CBCT扫描给患者带来的额外辐射。Alaei等[16]通过Chamber、光致发光、热释光、胶片等测量不同模体的方式收集CBCT的辐射剂量，不同成像电压、电流、不同模体、不同收集方式，测量的CBCT的辐射剂量在0.01～11 cGy之间。头颈部CBCT扫描每次小于0.01 Gy，CBCT扫描盆腔每次小于0.02 Gy，与二维MV级成像差不多[3,17]。已有研究做了用CBCT不同扫描参数对扫描剂量的研究，得出选择合适的扫描条件也可以减少额外剂量辐射[18-19]。临床医生可根据CBCT辐射剂量合理分配CBCT扫描次数。

4 结论

本文通过千伏级CBCT结合六维床HexaPOD研究了各部位摆位偏差大小、摆位偏差的纠正及纠正后残余偏差的稳定性，为临床医生靶区外放、放疗治疗师摆位提供了数值参考。下一步工作将考虑角度偏差造成的位移偏差，探索更准确地确定摆位偏差的方法。