丘敏敏 任玉峰 钟嘉健 林泽煌 赵文斌 邓永锦 王振宇 文碧秀▲

中山大学附属第一医院放射治疗科，广东广州 510080

[摘要]目的分析kV级图像引导下胸部肿瘤放疗分次间、分次内的摆位误差，研究kV级图像引导对胸部肿瘤调强放疗精准性的影响。方法采用Varian Novalis Tx直线加速器机载影像系统对我院2016年3～10月收治的10例胸部肿瘤患者每日行放疗前图像扫描，若需移床则行移床后图像扫描及放疗后图像扫描，将该扫描图像经系统自动重建后与治疗计划的CT图像进行配准，获取并统计分析患者左右、上下、前后方向摆位误差。结果共获取688套图像，左右、上下、前后方向放疗前误差分别为（-0.03±2.06）、（0.16±2.69）、（0.18±2.28）mm，移床后误差分别为（0.65±0.92）、（0.65±0.93）、（0.61±0.80）mm，放疗后误差分别为（-0.08±1.12）、（0.32±1.13）、（0.16±1.08）mm。结论 每日kV级图像引导放疗可显著减少胸部肿瘤放疗分次间的摆位误差，对提高胸部肿瘤调强放疗精确性具有重要意义。

[关键词]胸部肿瘤；调强放疗；kV级图像引导；摆位误差

近年来，调强放疗技术（intensity modulated radiation，IMRT）得到了广泛应用，其具有精确定位、精确靶区、精确放疗的“三精”特点，可以大大降低正常组织受量，提高肿瘤受照剂量，从而改善局控率和生存率，同时也对放射治疗的精确性提出了更高的要求，若放射治疗的实际照射位置偏差较大，IMRT优势将完全丧失，甚至可能造成重大医疗事故[1-2]。图像引导放射治疗（image guided radiotherapy，IGRT）为IMRT的精确性提供了有效的保障[3-4]。基于kV级图像引导放疗（kilovolt-image guided radiotherapy，kV-IGRT）通过直线加速器机载影像系统（on board image，OBI）发射kV级X射线获取放疗摆位图像，将其与放疗计划系统的CT图像进行配准获得摆位误差信息，并据此对患者治疗体位或治疗床位置进行相应校正，保证治疗摆位误差在精确放射治疗允许的误差范围内，确保调强放疗的精确实施。本研究通过对比胸部肿瘤放疗分次间、分次内的基于OBI系统kV-IGRT图像配准误差数据，分析引起摆位误差的原因，研究kV-IGRT对IMRT实施精确性的影响。

1.1 一般资料

选取我院2016年3～10月收治的10例胸部恶性肿瘤病例，其中男性9例，女性1例；肺癌8例，纵隔肿瘤2例，均由病理证实。

1.2 CT定位

患者均取仰卧位，双手上举摸额头，采用真空负压袋固定。平静呼吸，在Philips Big-Bore Brilliance 16排大孔径螺旋CT模拟定位机下行胸部CT扫描，层厚2 mm，平扫加增强扫描。CT标记点位于胸骨和前肋骨。CT图像通过Varian公司Aria放射治疗网络系统传输至Eclipse放射治疗计划系统。

1.3 图像获取

每日进行kV级图像引导放疗。所有患者采用Varian Novalis Tx直线加速器治疗，通过机载OBI系统获取摆位图像，包括治疗前、移床后、治疗后2～3套图像。每位患者每周进行1次kV-CBCT拍摄，其余4 d进行千伏级二维影像（2D-kV）拍摄。

Varian的图像引导系统包括兆伏级二维影像（2D-MV）、2D-kV和千伏级锥束CT影像（kV-CBCT）3种。本文仅研究后两种。摆位图像获取包括2D-kV和kV-CBCT两种方式。2D-kV影像获取是应用机载OBI系统得到正侧位平片，曝光条件可根据曝光部位选择相应参数，胸部参数正位（75 kV，5 mA）、侧位（95 kV，40 mA），可根据患者体型等实际情况调整参数，两张图像与放疗计划系统生成的DRR图像配准，耗时约2 min。kV-CBCT图像采集是应用OBI系统得到三维图像，在射线源安装相应滤过器，按照操作指引选取胸部默认参数曝光，扫描参数如下。CBCT Mode：low-dose thorax；Acquisition mode：half fan；Reconstruction volume：512×512；Slice distance：2.5 mm；电压70 kV；电流50 mA；每帧图像获取时间6 ms。重建三维图像，与放疗计划的CT图像配准，耗时约3 min。

1.4 图像匹配

患者胸部位置较为固定，骨性标志显示清晰，可先采用骨性配准进行自动配准，本研究未考虑旋转方向误差。图像配准后，与放疗计划CT图像进行对比，调整位置，观察器官解剖结构，使其匹配，若配准效果不佳，再经手动配准微调。这样可以在保证配准精度的前提下，节约大量的配准时间。记录患者实际靶区中心位置与放疗计划CT图像靶区中心位置在左右（Vrt）、上下（Lng）、前后（Lat）方向上误差值。

1.5 移床标准

若摆位Vrt、Lng、Lat任一方向误差＞3 mm，则进行患者体位调整或移床校正，移床后再进行图像获取，直至误差在允许范围内方可开始治疗。首次治疗主治医生必须参与，共同确定扫描参数、选择配准区域以及配准方法。

1.6 统计学方法

每分次IMRT治疗后，每个患者至少有2套数据，每套均包括Vrt、Lng、Lat 3个数据,即放疗前误差和放疗后误差。如果需要体位调整，则有3套数据，即增加移床后误差；为方便统计，若无体位调整，则将移床后误差同放疗后。采用SPSS 19.0统计学软件对数据进行分析，摆位误差分为系统误差和随机误差，用“均值±标准差”表示，其中均值描述患者的系统误差，标准差描述其随机误差。摆位误差分别在Vrt、Lng、Lat方向上采用t检验进行比较，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2.1 图像误差分布情况分析

10例患者总共688套图像扫描，治疗前237套，移床后226套，治疗后225套，其中治疗前为完整图像数据，移床后和治疗后图像由于患者身心状况无法耐受，分别缺少 11套和12套图像，误差分布如图1三维散点图所示。所有误差分布均接近标准正态分布。

 

图1 IGRT误差三维散点图

a.治疗前误差散点图；b.移床后误差散点图；c.治疗后误差散点图

2.2 放疗前误差结果分析

如表1所示，放疗前Vrt、Lng、Lat方向误差绝对值都达到7 mm及以上，其中上下方向误差最大，最大误差绝对值达到11 mm。三个方向上误差＞3 mm的频率分别为10.5%、16.5%、14.4%（图2），提示放疗分次间误差较大。

表1 放疗前误差结果分析

 

图2 治疗前误差柱状图

横坐标为误差值，纵坐标为该误差出现的频率，白、灰、黑三种颜色柱状分别表示Vrt、Lng、Lat方向误差

2.2 移床后误差结果分析

根据放疗前第1次IGRT图像结果调整患者体位或移床后再次获取的图像显示误差明显缩小，Vrt、Lng、Lat方向的误差分别为（0.65±0.92）、（0.65±0.93）、（0.61±0.80）mm，三个方向误差＞3mm的频率分别为0.8%、1.7%、0，总共只有2.5%（图3），与治疗前比较，三个方向差异均有统计学意义（P=0.00）。

 

图3 移床后误差柱状图

2.3 治疗后误差结果分析

放疗结束后的误差分别为（－0.08±1.12）、（0.32± 1.13）、（0.16±1.08）mm。如图4所示，三个方向上误差＞3 mm的频率分别为0、0、0.8%，总共只有0.8%。对比治疗前与治疗后误差，误差值明显减少，且在三个方向上差异均有统计学意义（P=0.00）；与移床后比较，三个方向差异无统计学意义（P＞0.05）。

 

图4 治疗后误差柱状图

食管癌、肺癌等常见胸部肿瘤发病较为隐匿，早期症状不明显，大多数患者发现时病期相对较晚。放疗精确性直接关系到疗效[5]。ICIU 24号报告指出，靶区剂量偏离5%就有可能使原发灶局部控制失败或并发症增加。放疗过程的不确定性主要来源于分次内误差和分次间误差两方面[6]。分次内误差指治疗过程中患者器官运动或体位移动引起的误差，包括摆位误差和器官运动误差；分次间误差是指治疗时患者解剖位置与计划图像之间的差别，包括消化系统和泌尿系统的排空充盈、患者体型与肿瘤形状变化及固定装置的形变等。由于每次治疗前都进行IGRT，可将治疗前误差视为分次间误差，移床后与治疗后之间的误差则被视为分次内误差。

IGRT通过获取每次治疗前摆位的相关影像学信息来确定靶区是否与治疗前计划靶区一致，并据此校正患者摆位误差、调整后续放疗计划或引导射线束实施照射。通过IGRT，可直观、精确地计算位置误差[1，7-9]。Elsayad等[10]对 71例肺癌患者进行每周的kV-CBCT扫描，发现83%的患者出现胸廓内改变。吴钦宏等[11]应用kV-CBCT对223例患者采用真空负压袋固定体部肿瘤患者摆位误差进行了分析，结果显示，Vrt、Lng、Lat方向摆位误差分别为（－0.5±2.8）、（0.0±3.0）、（0.4±3.4）mm。曹晓辉等[12]对34例胸部肿瘤患者行279次kV-CBCT扫描，结果显示，考虑误差方向时Vrt、Lng、Lat方向误差分别为（－0.16±3.25）、（－1.36±5.43）、（－2.43±2.14）mm。只考虑误差大小时Vrt、Lng、Lat方向误差分别为（2.41±2.18）、（4.27±3.6）、（2.71±1.77）mm。

本研究对治疗前误差进行分析，Vrt、Lng、Lat方向的误差分别为（－0.03±2.06）、（0.16±2.69）、（0.18± 2.28）mm，三个方向误差＞3 mm的分别为10.5%、16.5%、14.4%，显示胸部肿瘤摆位误差较大，即分次间误差尤其在Lng方向较大。经过移床调整后，误差值明显减小，三个方向上误差≤1 mm的分别为90.3%、87.3%、92.0%，而误差＞3 mm的只有0.8%、1.7%、0.0%。移床后误差明显减小，提示对于胸部肿瘤患者，每日的IGRT对于提高治疗精确度十分必要。对比移床后与治疗后误差，治疗后误差稍增大，即患者治疗过程中存在分次内误差。分析可能存在两方面的原因：①目前放疗大多采用IMRT技术，治疗时间较长，患者很难保持完全一致的位置；②心脏运动、呼吸运动及肠胃蠕动均会对靶区位置产生一定影响，尤其对于胸部肿瘤患者而言，靶区靠近甚至在这些运动的范围内，其影响不容小觑。

患者身体和心理状况共同决定了其在治疗床上保持固定体位的时间，例如双手抱头姿势不舒适无法保持、局部疼痛患者不能很好地配合、幽闭恐惧症患者心理问题等，都有可能导致治疗不精确，甚至暂停放疗，因此，在保证放疗精度的前提下，治疗过程越快越好。2D-kV拍影像全程耗时3 min（拍摄2 min，匹配1 min），而kV-CBCT全程耗时4.5 min（拍摄3 min，匹配1.5 min）。从时间成本角度考虑，2D-kV存在明显优势。

影像获取过程增加了患者的吸收剂量[13]，据国外文献报道，采集1幅2D-kV图像剂量为0.04～0.08 cGy，1幅标准模式的kV-CBCT图像，头部需9 cGy，体部需3.8 cGy，而低剂量模式（low-dose thorax）吸收剂量约为标准模式的20%，剂量大约为3 cGy[14-15]。另一方面，体重质量指数（BMI）会影响X线的吸收[15]，对于BMI偏低的患者，2D-kV曝光参数可手动调节，仍能进一步降低X线剂量。虽然两种图像获取方式产生的剂量都远小于常规分割剂量[16]，但相比而言，2D-kV存在优势。

kV-CBCT扫描范围较小，本研究采用体部扫描方案，Lng方向扫描范围仅为14 cm，对于食管癌这种靶区范围较长的肿瘤来说信息不完整。尹勇等[17]通过自编程序对两组CBCT图像进行拼接，虽然能够解决问题，但操作复杂且没有广泛适用性。2D-kV图像范围较大，基本可以包括整个胸部范围，信息完整，较kVCBCT而言存在一定优势[18]。

2D-kV为二维成像方式，由于二维验证图像结构重叠，不能清楚显示软组织结构和精确估计等中心位置，无法完善体现三维甚至六维方向上的误差；kV-CBCT具有较高软组织分辨率，优于2D-kV。综合2D-kV与kV-CBCT各自优势，推荐每周1次kV-CBCT扫描，其余行2D-kV扫描方案。本研究的局限性体现在3个方面：①Varian OBI系统的图像配准精度只到1 mm；②旋转误差也是误差的重要组成部分，有研究显示，对于一个长度为15 cm的靶区，3°的旋转误差可造成左右方向4 cm的平移误差，同时带来约2%的剂量误差[19-20]，但是本研究中只考虑了平移误差，并未考虑旋转方向的误差；③本研究中，许多配准结果为自动配准结合手动微调，不同技师甚至同一技师不同次配准结果可能不同，存在一定人为影响因素。

综上所述，胸部肿瘤患者在每日实施分次IMRT前行IGRT，根据IGRT获取的摆位影像图与放疗计划CT图像进行配准获取摆位误差，并据此进行患者体位或治疗床位置校正，可使大部分病例放疗时Vrt、Lng、Lat三个方向上的摆位偏差控制于1～2 mm范围内，体位调整后和治疗后的影像验证进一步证明该结论，因此每日行IGRT可显著减少胸部肿瘤放疗分次间的摆位误差，对提高胸部肿瘤IMRT精准确性具有重要意义。

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Application of image-guided radiotherapy based on kV in thoracic tumor

QIU Min-min REN Yu-feng ZHONG Jia-jian LIN Ze-huang ZHAO Wen-bin DENG Yong-jin WANG Zhen-yu WEN Bi-xiu▲
Department of Radiotherapy,the First Hospital Affiliated to Sun Yet-sen University,Guangdong Province,Guangzhou 510080,China

[Abstract]ObjectiveTo analyze the inter-and intra-fractional setup errors of thoracic tumors using kilovolt-image guided radiotherapy (kV-IGRT),and to study the influence of kV image guidance on the accuracy of intensity modulated radiotherapy(IMRT)of thoracic tumors.Methods10 patients with thoracic tumors in our hospital from March to October in 2016 were selected,and the Varian Novalis Tx Linear Accelerator with on board image (OBI)system was used for daily image scanning before radiotherapy,if the bed needs to be moved,image scanning after the moving bed and scanning after radiotherapy was carried out.After the automatic reconstruction of the scanned image,the CT image of the treatment plan was registered,and the setup error of the patient′s Vrt,Lng,Lat were obtained and analyzed statistically.Results688 sets of images were obtained,the pre-radiotherapy setup error of Vrt,Lng,Lat were (-0.03±2.06),(0.16± 2.69),(0.18±2.28)mm,respectively.The setup error after the moving bed were(0.65±0.92),(0.65±0.93),(0.61±0.80)mm,respectively.The post-radiotherapy setup error were (-0.08±1.12),(0.32±1.13),(0.16±1.08)mm,respectively.ConclusionDaily kV-IGRT can significantly reduce the setup error of radiotherapy for thoracic tumors,and is of great significance for improving the accuracy of IMRT for thoracic tumors.

[Key words]Thoracic tumors;Intensity modulated radiation;Kilovolt-image guided radiotherapy;Setup error

[中图分类号]R459.9

[文献标识码]A

[文章编号]1674-4721（2017）05（c）-0069-05

（收稿日期：2017-03-29 本文编辑：祁海文）

▲通讯作者