进入21世纪以来，放射治疗设备发展日新月异，随着各种机载影像设备出现，特别是锥形束CT(cone beam computed tomography，CBCT)的问世，将放射治疗推进到了毫米级精确治疗时代^[1-3]。但是，每天的CBCT扫描在保证位置精确的同时也给患者带来了额外的辐射剂量，大量国内外研究表明, 这种额外辐射剂量在一定程度上增加了病人罹患二次肿瘤的风险^[4-9]。因此，如何在放射治疗实施过程中实现精准的同时做到无辐射或者少辐射，成了现代精准放射治疗的研究热点。光学表面成像(Optical surface imaging, OSI)系统在放射治疗中能够实时、无辐射的获取患者的三维体表图像，根据计算区域大小，其采集图像、重建图像、完成配准的时间约为1~5 s，这种三维体表图像的灵敏程度极高，0.2 mm位置变动即可引起反应^[10]，临床推广应用前景十分巨大。但是，人体不同部位的体表轮廓图像与内在肿瘤靶区的相对位置在放射治疗过程中还存在很多不确定性，如何让OSI系统在肿瘤放疗中的应用最大化还需要更多的临床评估和验证。本文提出了一种OSI-CBCT系统相结合用于头颈部肿瘤精确放射治疗引导的新型综合型图像引导模式，旨在减少头颈部肿瘤病人放射治疗周期中CBCT的扫描次数。

选择四川大学华西医院2015年2月至2018年1月使用OSI-CBCT综合引导治疗的45名头颈部肿瘤病人共208次有效治疗分次进行研究，同时选取同一时段CBCT独立引导治疗的37名病人共208次有效治疗分次作为对照。

所有病人均都采取仰卧位用头体一体架+热塑头肩膜固定。模拟定位CT采用西门子SOMATOM Definition AS+螺旋64排CT，以病变中心为扫描中心，扫描范围头顶至胸骨角平面。在热塑体膜外贴胶布，将激光标记画在胶布上，并且在激光中心贴1mm铅珠，作为放疗计划设计的参考等中心点。扫描图像传输至工作站采用Pinnacle计划系统设计治疗计划。

OSI系统为Catalyst^TMHD(C-RAD AB，瑞典)系统。将该系统安装在Elekta Synergy^®直线加速器机房，与加速器同一等中心。Catalyst^TM系统包括LED光源和CCD摄像头两部分，光源发射蓝、绿、红三种可见光，波长分别为405 nm、528 nm、624 nm。蓝色光用于物体扫描和探测(探测频率202帧/秒)，绿色及红色光用来提示位置偏差。表面图像的质量可以通过调节相应操作软件中的曝光时间和增益比来调整。获取影像的感兴趣区域(region of interest，ROI)范围在左右、头脚及前后方向分别为80 cm、130 cm和70 cm。每次扫描根据所选择的ROI大小，耗时1~5 s(图 1)。

图 1 Catalyst HD参考图像的获取

OSI参考图像由Catalyst HD系统获取，具体的使用流程如下(图 2)：

图 2 OSI-CBCT系统联合使用程

首次治疗先行CBCT扫描纠正摆位误差后，再采用OSI拍照作为参考图像^[9]。从第二次治疗开始，每次治疗按激光线摆位后先行OSI扫描，获取图像并与参考图像进行对比配准，使平移方向x、y、z的误差数值显示都在± 1 mm之间，旋转方向rx、ry、rz的误差值小于3°, 然后CBCT扫描，根据所得出的误差数据移动治疗床纠正摆位误差，进行加速器出束治疗。

所有病人均采用Elekta Synergy^®直线加速器治疗。每次按激光线摆位完成后，在XVI系统下进行CBCT扫描。以定位CT图像作为参考图像进行匹配，匹配区域包括肿瘤计划靶区(planning target volume，PTV)，匹配方式采用骨影像匹配(如图 3)。根据得出的误差数据移动治疗床纠正摆位误差，然后进行加速器出束治疗。由于没有配备六维床设备，所有三个方向的旋转误差忽略，任意方向出现> 3°的旋转误差，则重新摆位。扫描参数：起始角度逆时针50°~210°，机架旋转速度3.18°/s，扫描视野(field of view，FOV)直径26 cm，过滤板S20，图像采集速度5.5帧/s，每次扫描获得361帧平片，采用中分辨重建。

图 3 CBCT配准界面

采用SPSS 20.0软件进行统计分析。采用均数±标准差表示，两套系统所得出的分次间摆位误差数据在平移方向x、y、z和旋转方向rx、ry、rz分别进行配对样本t检验，P＜0.05有统计学意义。

独立引导组CBCT扫描配准的分次间摆位误差在平移方向(x、y、z)、旋转方向(rx、ry、rz)分别为(0.19 ± 1.01)mm、(0.29 ±1.36)mm、(-0.05 ± 1.23)mm，(-0.05 ± 0.65)°、(0.18 ± 0.83)°、(-0.12 ± 0.59)°；综合引导组OSI-CBCT得出的分次间摆位误差在平移方向(x₁、y₁、z₁)、旋转方向(rx₁、ry₁、rz₁)分别为的结果分别为(0 ± 1) mm、(0.01 ± 0.9) mm、(-0.4 ± 1.08) mm，(-0.03 ± 0.72)°、(-0.19 ± 0.82)°、(-0.37 ± 0.85)°(见表 1)。

表 1 Table 1

表 1 独立引导组与综合引导组得出的误差数据进行单样本量分析 移动方向 轴位 均值 标准差 平移方向 左右 X 0.19 1.01 X1 0.00 1.00 头脚 Y 0.29 1.36 Y1 0.01 0.98 前后 Z -0.05 1.23 Z1 0.40 1.08 旋转方向 x轴(PIT) RX -0.05 0.65 RX1 -0.03 0.72 y轴(ROL) RY -0.14 0.99 RY1 -0.19 0.82 z轴(RAT) RZ -0.47 1.12 RZ1 -0.37 0.85

表 1 独立引导组与综合引导组得出的误差数据进行单样本量分析

两组数据在平移方向以及旋转方向误差数据的相关性系数分别为：0.17、0.07、0.03、0.10、-0.06、0.01。(表 2)。

表 2 Table 2

表 2 独立引导组与综合引导组得到的数据进行相关性分析 移动方向 轴位 N 相关系数 P值 平移方向 左右 X&X1 208 0.17 0.13 头脚 Y&Y1 208 0.07 0.29 前后 Z&Z1 208 0.03 0.70 旋转方向 x轴(PIT) RX&RX1 208 0.10 0.17 y轴(ROL) RY&RY1 208 -0.06 0.37 z轴(RAT) RZ&RZ1 208 -0.01 0.92

表 2 独立引导组与综合引导组得到的数据进行相关性分析

为证实OSI-CBCT系统综合引导头颈部肿瘤精确放射治疗的可靠性，将对照组CBCT系统得出的摆位误差数据与OSI-CBCT系统得出的摆位误差数据进行配对样本t检验，在平移方向x-x₁、y-y₁、z-z₁和旋转方向rx-rx₁、ry-ry₁、rz-rz₁的结果分别为(0.19 ± 1.3)mm，P＜0.05；(0.28 ±1.62)mm, P＜0.05；(0.35 ± 1.62)mm, P＜0.05；(-0.03 ± 0.92)°, P＞0.05；(0.37 ± 1.2)°, P＜0.05、(0.25 ± 1.03)°, P＜0.05。(表 3)。

表 3 Table 3

表 3 CBCT与OSI得到的误差进行配对样本t检验 移动方向 轴位 均值 标准差 t值 P值 平移方向 左右 X-X1 0.19 1.30 2.14 0.03 头脚 Y-Y1 0.28 1.62 2.50 0.01 前后 Z-Z1 0.35 1.62 3.13 0.00 旋转方向 x轴 RX-RX1 -0.03 0.92 -0.39 0.69 y轴 RY-RY1 0.37 1.20 4.44 0.00 z轴 RZ-RZ1 0.25 1.03 3.43 0.00

表 3 CBCT与OSI得到的误差进行配对样本t检验

OSI作为一种新型的放疗图像引导技术的出现越来越引起了行业内的关注，其具有的特点包括无辐射、灵敏、实时等^[10]。其实现放射治疗的精确引导理论基础为准确获取患者的体表轮廓图像，通过减少体表轮廓的误差来提高放疗精度。但是体表轮廓图与肿瘤的实际位置存在的差异，成为了OSI系统的先天不足。就目前为止国际国内已经做了的一部分临床研究中，以Torsten Moser等人^[11]的研究最具代表性，他们分别将OSI系统用于对头颈、胸腹部、乳腺、盆腔等不同部位肿瘤放射治疗的引导，并且将OSI系统得出的摆位误差数据与MV-CT得出的摆位误差数据做了详细对比，同时也指出用CBCT纠正摆位误差后OSI自身获取的体表轮廓图作为OSI引导的参考图像优于定位CT重建的体表轮廓图。也有学者将OSI用于肺癌立体定向放射治疗(stereotactic body radiotherapy, SBRT)治疗时对患者胸部轮廓运动的监控^[12]，这被认为是对CBCT引导SBRT治疗的重要补充。

本研究提出头颈部放疗OSI-CBCT系统综合引导概念，目的在于保证头颈部肿瘤放疗精确的同时，减少CBCT的扫描次数，从而达到降低病人所受的额外辐射剂量，降低病人二次罹患肿瘤的风险，同时也减轻了病人的经济负担。头颈部解剖都为刚性结构，体表轮廓与肿瘤靶区空间相对位置固定，在靶区配准精确的情况下的体表轮廓图能够作为参考图像引导头颈部肿瘤精确放射治疗^[13]。本研究得到的两组数据在平移(x、y、z)三个方向上均存在明显的统计学差异，P＜0.05，OSI系统能明显减少每次治疗摆位误差。在旋转误差上仅有rx(PIT)方向P＞0.05没有统计学差异，在实际治疗过程中OSI系统或者CBCT系统配准后任意角度旋转大于3°，则重新摆位^[14]，最大限度上消除了旋转误差对位置精确性的影响。

本研究受到以下因素的影响：①本研究中患者均有热塑面罩进行固定，OSI探测的影像主要为面罩而非患者本身，患者在每次固定中面罩与人体的一致性有一定差异^[14]；在下一步研究中，拟设计一种暴露部分头部的热塑体模用于头颈部放射治疗固定^[15]。②本研究中患者治疗区域是头颈部，头部是刚性结构，但是颈部在放疗中会发生一定的变形，可能对检测结果有影响^[3]；③研究中医采用的Elekta Synergy^®直线加速器在摆位位置机架角度为45°±5°，其机架以及CBCT探测板对OSI系统摄像头均有一定的阻挡，是否会对OSI系统探测能力造成影响有待进一步研究。

通过本研究提示OSI-CBCT系统综合引导模式在头颈部肿瘤放射治疗过程中在保证放疗精确性的同时可以减少CBCT扫描次数，能有效降低了CBCT带来的额外辐射量，在头颈部肿瘤放疗中优于传统的单一的CBCT引导模式。