放射治疗的基本目标是努力提高放射治疗的治疗增益比, 即最大限度地将放射线的剂量集中到病变(靶区)内, 杀灭肿瘤细胞, 而使周围正常组织和器官少受或免受不必要的照射^[1]。但是放射治疗中出现的各种摆位误差降低了调强适形放射治疗精度。胸腹部肿瘤较之头颈部肿瘤易受呼吸运动、体位固定、皮肤牵拉、轮廓改变、体表标志清晰度等诸多原因影响, 造成摆位重复性差, 摆位误差较大, 而且胸腹部肿瘤的靶区范围通常比较大, 摆位误差对放疗中肿瘤受量影响大, 因此为提高肿瘤受量, 减少正常组织的反应, 需要更加精确的放疗。图像引导放疗(image-guided radiation therapy, IGRT)是近年来出现并应用于临床的精确放疗技术^[2]利用IGRT技术进行在线校位有效减少了摆位误差。笔者回顾分析了15例在我科接受图像引导放射治疗(IGRT)病例CBCT图像数据, 测量其校正前后摆位误差并作分析。

1 材料与方法 1.1 一般资料

选取我院2012年1~5月应用医科达15例应用医科达Synergy IGRT加速器治疗胸部肿瘤IMRT患者15例, 男性12例, 女性3例。年龄45- 73岁, 中位年龄59岁。其中肺癌或肺转移瘤12例, 食道癌4例。所有入组病例均采用IGRT技术, 治疗计划为IMRT计划。其中有4例肺癌患者采用大分割治疗, 其余均采用常规分割治疗。每次治疗前, 行锥形束CT (CBCT)扫描, 并利用机载六维治疗床(HexaPOD)进行在线校位。每次治疗由一名医师, 一名物理师和两名技师共同完成。入组患者临床一般资料见表 1。

1.2 CT模拟和调强放疗计划设计

采用PHILIPS大孔径4D-CT模拟定位机(PHILIPS, Brilliance TM CT Big Bore)获取患者影像数据, 扫描层厚为5 mm; 层距5 mm, 图像分辨率为512 × 512。通过网络系统将数据传输至飞利浦公司ADAC Pinnacle 9.2计划系统。调强放疗计划获得物理师和临床医师通过后, 经CT模拟定位机对治疗中心进行对位, 同时治疗计划与CT图像通过网络系统传输至医科达Synergy加速器的XVI系统。

1.3 摆位与固定技术

14例采用热塑成型体罩, 配合体部固定架固定, 1例采用真空垫固定。每次由两名技师进行等中心摆位。并嘱咐患者平静呼吸。

1.4 图像获取及配准时间

医科达Synergy医用直线加速器附有KkV级CBCT和X线容积成像(X-ray volume imaging, XVI)系统。摆位完成后机架旋转360°行CBCT扫描获取三维CT图像, 扫描时间约2 min, CBCT图像采用中分辨率重建需要1 min, 图像配准1 ~3 min, 六维床位置调整1 min。扫描体积(采用M20准直器+F1滤过板)410 mm × 264 mm × 410 mm, 获取约660帧图像。XVI系统利用上述图像数据进行重建, 得到冠状面、矢状面和横断面的CT图像。

1.5 在线校位(online correction)

通过XVI自带软件将CBCT与计划CT进行配准, 可以得到x、y和z方向的平移误差和3个轴向的旋转误差。摆位误差修正阈值设为3 mm。当旋转误差超过3°嘱病人起来重新摆位。XVI系统将配准得到的数据输入到六维治疗床(HexaPOD)进行在线校位。校正后再做一次CBCT扫描, 进行图像配准并记录误差数据。

1.6 数据分析

收集所有患者的平移数据和旋转数据偏差数据输入SPSS16.0软件, 并进行统计学分析。摆位误差由沿左右(x)、头脚(y)、腹背(z)方向的平移分量和绕3个轴线的旋转角度分量构成。并分别计算校正前后每位患者的平移误差值和旋转误差值的均数和标准差。摆位外扩边界值(Mptv), 根据van Herk等^{[3, 4]}摆位扩边公式Mptv=2.5∑+0.7σ(margin为外扩间距, ∑为平移误差总体的均数, σ为标准差), 该公式满足90%患者的CTV累积剂量至少达到95%的处方剂量。

2 结果 2.1 示列摆位误差

示列病例每次采集的摆位误差数据见图 1, 提示在线校位后3个方向摆位误差明显减小。

2.2 全组病例摆位误差

15例患者共采集190组图像数据, 所有病例校正前后摆位误差统计见表 2。摆位误差在x、y和z轴上分别为(-0.43~0.35)(- 0.46~0.15)(-0.23~0.40) cm和旋转轴上的分别为(-1.7~1.8)(-2.1~2.8)(-2.8~1.4)。校正后的摆位误差在x、y和z轴上分别为(-0.26~0.18) (-0.24~0.25)(-0.19~0.16) cm和旋转轴上的分别为(-0.6~0.8)(-0.9~0.9)(-1~0.7)。校正后的系统误差和随机误差均低于校正前。

3 讨论

随着放疗新设备和计算机技术的发展, 放射治疗进入精确定位、精确计划、精确治疗的"三精"放疗阶段。患者从影像诊断、靶区定位和勾画至治疗验证均有了很大的改进。然而, CT定位扫描、计划设计、等中心确定, 直到治疗摆位, 仍然受很多不确定因素的影响, 治疗时等中心位置的误差仍然是影响治疗精度的主要原因。患者的摆位误差、器官远动和变形、机械相关误差均阻碍着计划的精确实施, 也是考虑计划靶体积(PTV)的主要因素。摆位误差是放疗实施过程中的重要影响因素, 而且有肿瘤部位和治疗单位特殊性。由于摆位误差的存在, 患者身体和治疗机位置发生了相对变化, 使得射线到达的区域发生了变化。较大的摆位误差会使靶区边缘剂量的不准确, 进而导致肿瘤局部复发率增加^[5]。

胸部肿瘤位置较头颈部肿瘤位置易受呼吸及器官运动影响, 放疗中胸部肿瘤运动增加了放疗不确定因素。文献报道用四维CT观察72例肺癌患者呼吸动度的影响, 呼吸中有13%患者肿瘤移动> 1 cm, 特别是肺下叶靠近膈肌的小肿瘤^[6]。XVI系统可接收设计放疗计划时的CT图像, 并显示勾画的GTV、CTV、PTV等结构。配准完成后, 计划CT图像上的这些结构可显示在CBCT图像上, 观测CBCT图像上GTV、CTV和PTV对肿瘤轮廓的包绕, 为照射范围的评估提供参考。此外, CBCT还可观测治疗过程中肿瘤及正常组织变形和位移, 减少放疗的不确定因素。摆位误差一方面表现为患者身体在三维空间上的位移, 另一方面表现为患者身体的旋转。旋转比较复杂, 旋转轴心可是固定的一点, 也可是变化的多点, 平移中患者身体每一部分相对于射野位置变化是比较一致的。而在旋转情况下则不一致, 位于旋转轴心的组织结构相对于射野的变化小, 而远离旋转轴心的组织结构则相对位移较大。

图像引导放疗(IGRT)是三维适形放疗(3D- CRT)和调强放疗(IMRT)之后又一新的放疗技术。该技术的最大特征为:在分次摆位时和(或)治疗中采集图像和(或)信号, 引导此次治疗和(或)后续分次治疗^[7]。IGRT技术可保证患者在放疗照射时是在计划C T同一状态下进行, 实施治疗时实时调整摆位误差, 可以大大提高患者摆位精度, 有效减少误差。准确的靶区定位可以减少正常组织的照射范围, 减少放射治疗毒副作用, 有利于加大肿瘤照射的单次剂量和总剂量, 提高治疗效果。IGRT以其独特的优势在肿瘤放射治疗中发挥越来越大的作用。它能使摆位误差和器官运动的影响和几何精度的增加, PTV也相应减小。另外肿瘤剂量增加可提高肿瘤的局部控制率。

笔者应用医科达Synergy IGRT加速器配备了千伏级锥形束CT (KV-CBCT)和6维治疗床, 可以实时在线校正等中心三维方向线性摆位误差和相应的旋转摆位误差。本研究中, 调整前的摆位误差大, 15%的治疗摆位误差在X, Z方向均为0.5 cm左右, Y方向为0.7 cm, 仅有3%摆位误差在三维方向上均≤ 0.2 cm。其中有一例患者在Y方向上的误差达到了1.2 cm, 我们将此患者经CT模拟定位后在罩子上重新进行了标记。通过分析显示调整后的误差明显缩小。

综上所述, IGRT是继三维适形和调强放疗之后又一新放疗技术, 该技术的应用有效减小了摆位误差, 提高了治疗精度, 并能实时观测肿瘤及周围组织的位移和变形, 减少了放疗过程中的不确定因素。