可兼容磁共振模拟定位的新型体位固定装置在头颈部放疗中的应用

【作 者】胡臻尧，李光俊，柏森

四川大学华西医院放疗科，成都市，610041

0 引言

现阶段随着CT、MRI等影像技术的发展进步，放射治疗也逐渐转向了“三精”（精确定位、精确设计、精确照射）模式，所以需要更优质的图像质量，精确的计划优化和准确的靶区定位。

现在放疗临床方面使用的影像技术多为CT和MRI，两者相比，MRI能够更好地满足现在放疗的需求，MRI可从功能解剖等多个方面反应肿瘤的临床生物学特性，同时MRI具有较高的软组织分辨率和无额外辐射剂量的特点，减少对人体造成的损伤。然而普通磁共振并不满足放疗摆位。

随着磁共振技术的发展，研发了放疗专用的MRI模拟定位机。这种放疗模拟定位机在临床上扫描时使用的是放疗专用线圈，解决了普通头颈联合线圈与放疗摆位装置不兼容的问题。然而使用放疗表面线圈扫描所得图像质量经校准后仍然差于使用普通头颈联合线圈所成图像，不能满足现阶段功能磁共振图像质量使用的要求[1]。

为了解决上述问题，本研究研发了可兼容头颈联合线圈的新型放疗辅助固定装置，装置分为两个部分，头肩模架（用于制模、CT模拟定位、治疗）和体位固定板（用于MR模拟定位），如图1、图2所示。本实验研究了新型固定装置与头颈联合线圈相结合应用于放疗专用磁共振模拟定位机临床治疗的可行性。

图1 头肩模架Fig.1 Head and shoulders mold base

图2 体位固定板 Fig.2 Position fixed plate

1 材料和方法

1.1 入组患者一般情况

本研究选取脑转移和鼻咽癌患者，首次行头部肿瘤放射治疗，入选标准 ：①所有病例均经病理证实；② 有完整、清晰的CT及MRI资料，且患者均于入院后放疗前一周完成扫描，扫描体位及相关参数按融合要求设定。排除标准：①MRI扫描体位与CT扫描体位明显不一致者；② 有明显伪影者。

1.2 体位固定和制模

所有患者均采取仰卧位，使用热塑膜和新型头肩模架进行体位固定和制模。

1.3 模拟定位

1.3.1 CT模拟定位

CT模拟定位体位与体位固定时相同，使用热塑膜和新型头肩模架固定后行C T 定位扫描，使用128排SIMENS CT（SOMATOM Definition AS+）模拟定位机，使用常规头颈序列扫描，扫描参数为120 kV，250 mA，螺距＝0.8，FOV=388 mm，层厚＝3 mm，扫描范围从颅顶至第三颈椎。将扫描得到的CT图像传至Raystation放疗计划系统进行放射治疗计划并将此定位CT图像作为治疗使用的CBCT参考图像。

1.3.2 MR模拟定位

定位前将体位固定板嵌入并固定在头颈联合线圈内，患者体位与体位固定时一致，呈仰卧位。将头部放置于体位固定板上，再覆盖制模时的热塑膜固定头部，保持体位的稳定性后使用头颈联合线圈行磁共振模拟定位扫描，扫描使用的3 T GE（Discovery 750 W）磁共振模拟定位机，扫描参数为T1 轴位：TE=3.4 ms，TR=8.9 ms，层厚＝3 mm，FOV=27 cm×27 cm，激励次数＝2，带宽＝27.78 kHz；T2 轴位：TE=88 ms，层厚＝3 mm，FOV=27 cm×27cm，激励次数＝2.5，带宽＝62.5 kHz。将获取的MR图像传至放疗计划系统（Raystation计划系统），用于CT和MR图像配准和靶区勾画。

1.4 靶区勾画和放疗计划优化

放疗医生通过CT和MR图像进行配准，并结合CT和MR图像影像学信息，在CT图像上勾画肿瘤靶区和危及器官，并制定放疗计划。

由放疗物理师在Raystation计划系统上进行治疗计划设计，计划优化条件与常规放疗计划相同。每个病例设计两个放疗计划：Plan-为头肩模架轮廓未纳入剂量计算的计划，Plan+为将头肩模架轮廓纳入剂量计算的计划。并且两个放疗计划的优化条件完全一致。比较两个放疗计划的DVH图评估头肩模架外轮廓对病人实际靶区和危及器官的剂量分布影响。主要评估包括靶区的平均剂量（Dmean）、D1（1%体积接受的剂量）、D2（2%体积接受的剂量）、适形指数(CI)、均匀性指数（HI）和靶区覆盖率（CR）。其中CI越高，说明剂量对靶区的适形性更好，反之则亦然，CI取值在0～1之间。CI、HI、CR计算公式如下：

其中VTR，VT和VR分别表示GTV接受处方剂量体积，GTV体积和处方剂量包含的总体积，Dp表示处方剂量大小。

1.5 放疗实施

所有患者均在ELekta Versa加速器上进行治疗，治疗前用十字激光灯对患者进行预摆位后扫描锥形束CT（Cone Beam CT，CBCT）。由经验丰富的放疗技师将获取的CBCT三维图像与计划系统传输的计划CT图像在XVI软件上进行配准（此配准基于骨解剖的刚性配准为主，手动配准为辅），记录下来的配准结果作为CBCT修正的误差值，将配准结果发送至治疗床控制系统进行摆位误差修正后加速器出束进行放射治疗。

以CBCT扫描结果为准，研究该装置用于临床头部肿瘤放射治疗的固定效果和摆位重复性。具体分析计算每例患者三个平移方向和三个旋转方向上的摆位误差的平均值（X）、标准差（S）和95%置信区间。

1.6 统计学处理

采用SPSS 20.0统计学软件对数据进行分析，计量资料采用X±S表示，采用t检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 图像质量

图3为分别使用放疗表面线圈（图3(a)）和头颈联合线圈（图3(b)）对同一患者头部扫描后选取同一层面的成像结果。根据图像显示，使用头颈联合线圈的成像质量明显高于使用放疗表面线圈的成像质量。

图3 成像结果对比Fig.3 Comparison of two kinds of imaging methods

2.2 靶区剂量参数

在临床研究中，根据是否考虑新型固定装置外轮廓对脑转移癌和鼻咽癌患者进行研究，探究其外轮廓对靶区剂量参数的影响。患者剂量参数见表1、表2。两组数据均采取配对t检验，P＜0.05，说明是否考虑靶区外轮廓对于剂量计算存在差异，差异主要出现于平均剂量（Dmean），并且平均剂量的偏差值大于百分之一，且当计划设计考虑固定装置外轮廓时，治疗计划系统（treatment planning system，TPS）计算结果说明靶区剂量普遍降低。且经过TPS计算后得到结果，危及器官受模体影响不大，不影响临床的治疗工作。脑转移患者放疗计划危及器官剂量参数，如表3所示。

表1 脑转移患者放疗计划靶区剂量参数Tab.1 Radiation therapy plan target dose parameters for brain metastasis

表2 鼻咽癌患者放疗计划靶区剂量参数Tab.2 Radiation therapy plan target dose parameters for nasopharyngeal carcinoma

表3 脑转移患者放疗计划危及器官剂量参数Tab.3 Radiation therapy plan organ parameters for brain metastasis

2.3 摆位误差

研究中分别收集了脑转移癌和鼻咽癌在治疗中分次数据，包括其三个平移方向和旋转方向的摆位误差，结果均取平均值。结果其平均平移误差和旋转误差满足小于2 mm和2o的要求，且三个平移方向的摆位误差大多集中在1.5 mm以内，三个方向旋转误差大多在1o以内。具体结果见表4。

表4 脑转移和鼻咽癌患者摆位误差参数Tab.4 Brain metastases and nasopharyngeal carcinoma setting error

3 讨论

3.1 图像质量

从实验结果可知，使用可兼容头颈联合线圈的新型体位固定装置得到的图像质量明显优于常规固定方式即使用放疗表面线圈。

这是由于放疗表面线圈通道数相较于头颈联合线圈较少，图像信噪比较低，图像质量降低，并且放疗表面线圈是由两块柔线圈组成，靠近体表，存在近线圈效应，导致距离人体表面信号高，距离远信号变差，图像均匀性较低。使用本研究中的新型体位固定装置能够避免以上两个现象的发生，从而提高图像质量。

3.2 摆位误差

为保证每次的治疗质量，使射线按照计划设计照射肿瘤靶区，减少对于靶区周围危及器官的影响，这需要保证每次治疗的摆位的准确性[2]。通过近年来的研究得以证实，每个接受治疗的患者每次的摆位位置都不能做到完全准确，都存在差异和变化，这便是摆位误差[3]。

本研究中，头颈部放疗时三个方向摆位误差均小于2 mm，三个方向旋转误差均小于2o，满足国内外临床治疗要求。黄丽娜等[4]在她的研究中认为头颈部放射治疗摆位旋转误差应均小于2o。HURKMANS等[5]研究了头颈部肿瘤进行放射治疗时定位和摆位误差的分布情况，进行统计之后发现其系统误差范围为3.1±1.5 mm，随机误差范为1.8±0.7 mm。在国内这与王鑫等[6]的研究结论类似，认为理想的头颈部肿瘤放疗摆位误差应小于2 mm。

在本研究中使用的是半开放的热塑膜固定，增加了患者的舒适度，在本研究中选取的患者均能与热塑膜适形。若将来出现患者头部过小，不能与模体适形，预处理方式是使用真空垫等类似物体填充其中，使患者头部完全被包裹，再将真空垫抽气塑形，保证其稳定性和重复性，经试验，此方法可以满足临床要求。

3.3 靶区剂量变化

在临床治疗当中，病人外在的体位固定装置会造成剂量的变化，比如增加皮肤剂量[7]，减少肿瘤剂量和改变剂量分布[8]。本研究因使用的是新型研发的体位固定装置，该装置覆盖在人体表面，需验证该固定装置时候否会对剂量产生影响。实验结果显示，该实验装置会对患者靶区，危及器官甚至皮肤剂量造成影响，有些靶区与常规治疗相比剂量偏差大于1%，但在计划设计时将其考虑其中，便可消除此影响。

有很多研究显示目前使用的床板的剂量衰减率可以达到15%[9]，有研究表示在现阶段的临床治疗当中，建议当使用碳纤维头枕时应包含在CT图像当中，进行计划设计时，考虑其固定装置外轮廓的形状，以此来改善表面剂量的变化[10]。使用热塑膜来进行放疗体位固定在现阶段是主流的方法，可以保证患者体位固定的稳定性，也能保持一定的舒适性。然而，由于热塑膜会由于其不同的形状和厚度，会使皮肤剂量发生一定的改变，影响治疗的效果，这种情况已广泛地受到关注和重视[11]。现在已经有研究表明热塑膜会导致皮肤剂量的增加[12]，彭顺有等[13]在研究中发现，为了将表浅剂量降低，可以在制模时尽量拉伸热塑膜。但是需把握力度，因过分拉伸会破坏热塑膜的外观，影响摆位的精度和重复性。因此在临床放射治疗时，应尽量拉伸面罩，减少因热塑膜而产生的对表浅剂量的影响，同时还要兼顾稳定性，避免过分拉伸[14]。本研究显示，使用热塑面罩固定患者面部时，应将热塑面罩尽量拉伸均匀地覆盖在患者面部，尽可能降低表浅剂量的影响。有研究结果表示[15]，在临床治疗中若皮肤剂量大于25 Gy可产生一定皮肤反应，而当大于40 Gy时可引起干燥脱屑。

综合以上结论，在本研究中，所有治疗计划应考虑纳入固定装置，来确保治疗当中的精确性。

4 结论

本研究中研发的可兼容磁共振模拟定位的新型体位固定装置在临床治疗中能够得到质量更高的磁共振图像，并且不对治疗造成额外影响，治疗期间各项要求满足国家标准，并且由于磁共振模拟定位时使用的是成像质量更高的头颈联合线圈，可以满足如磁共振加速器，磁共振图像引导等现阶段国内外研究热点的需要[16-17]。除此之外，本研究装置因其可兼容性的特点，还可用于后续的使用功能磁共振序列的研究，包括自适应的研究[18]、辅助生物靶区勾画等方面[19]，具有广阔的前景。

但新型固定装置在某些方面还存在着不足，如操作人员需要有较高的熟练程度。相信随着放疗技术的进步，这些不足都能得到进一步的修正。