基于红外定位系统放疗实时摆位预警系统的摆位数据误差统计

王语汇，王东燕，周俊东，吴传锋，葛云，陈颖，黄晓林，李伟峰

1.南京大学电子科学与工程学院，江苏南京210023；2.苏州市立医院东区放疗科，江苏苏州215000

前言

根据国家癌症中心发布的2019年最新数据，2015年中国恶性肿瘤发病病例高达392.9 万例，死亡病例约为233.8万例。这意味着中国平均每天有1万多人被诊断为恶性肿瘤，平均每天有6 400 多人死于癌症［1］。我国癌症的发病率和死亡率均呈上升趋势。近十年来，中国恶性肿瘤的发病率每年约增长3.9%，死亡率每年约增长2.5%［2］。放疗是肿瘤治疗的重要手段［3-4］。由于肿瘤的类型和分期存在差异，需要进行放射治疗的患者约占所有肿瘤患者的50%～65%［5］。若放射治疗时摆位不够准确，则有可能导致肿瘤部分欠照射或正常组织受损的情况，将直接影响肿瘤患者的治疗效果，影响肿瘤患者的临床生存率，也进一步影响肿瘤是否会根治与复发［6-7］。放射治疗摆位的过程为：医生在治疗计划系统的影像中对肿瘤进行勾画，由影像确定肿瘤中心，物理师和治疗师再根据这个肿瘤中心坐标，调整治疗床，使病人肿瘤中心的位置与放射治疗设备的机械等中心的位置重合［8］。

有些部位的肿瘤周边有很多重要器官，这对放疗摆位提出了很高的要求［9］。尤其是在分次间放射治疗的过程中，准确而可靠的摆位对射线剂量的输送就显得更为重要。但由于放射治疗的次数较多，周期较长，一个放射治疗疗程约为30～40 d，涉及的影响因素众多而又复杂，这就导致保证每次摆位都有较高准确性有很大的难度［10］。而且在中国，物理师和治疗师受到教育的程度以及临床经验都参差不齐，治疗时物理师一般都不在现场，再者中国病人众多，每位患者的摆位时间非常有限，一般不超过5 min，这使得摆位精度更加得不到保证［11］。

有了临床放疗摆位后产生的大量数据记录，就可以对摆位设备、摆位方法、摆位精度、摆位肿瘤区域、放疗设备相关机械性能等进行比较和研究，就可以及时发现各种问题，分析摆位误差产生的原因，及时或实时地预警、提醒和纠正摆位错误。这将在放疗摆位实施上形成“闭环思维”，更好地帮助医学物理师和治疗师及时发现摆位错误，控制摆位误差，最终保证摆位质量，有望大幅度改善中国的放疗疗效［12-14］。

1 资料与方法

1.1 患者资料

本研究纳入645 例摆位数据，其中有264 例腹部癌症摆位数据，195 例头颈部癌症摆位数据以及186例头部癌症摆位数据。

1.2 复杂医学坐标系转换关系

不同摆位方法对应的摆位坐标系之间无法互相转换，这是导致此前摆位精度无法比较和研究的关键所在。红外定位系统（OPS）放疗实时摆位预警系统含有一个放疗摆位结果数据的收集装置，即在加速器机房建立一个收集监控装置，能够收集监控转换坐标系。该系统能够将现有的摆位结果数据统一转换到一个坐标系下，进行比较和研究。下面将对CT坐标系与OPS坐标系的转换关系矩阵进行推导。

空间矢量(i j k )'需要经过一个三维空间的映射变换，才能转换成另一个坐标系下的矢量，该变换由线性变换矩阵M和平移变换组成：

其中，线性变换矩阵M包含了空间方向以及轴缩放相关的所有信息，平移变换包含了原空间矢量的几何位置信息。由于线性变换是矩阵相乘实现的，平移变换是矩阵相加，为了通过矩阵乘法来同时表示线性变换和平移变换，在此处我们引入增广矩阵N：

式中的增广矩阵N被称为转换矩阵，由此建立CT 坐标系与OPS 坐标系的转换关系。常见的CT 扫描体位至少有8种，每一种扫描体位都对应不同的转换关系。我们以HFS 头先进仰卧位为例，在CT 坐标系中，x、y、z 轴正方向分别为：从右到左、从腹到背、从脚到头，而在OPS 坐标系中，x、y、z 轴正方向分别为：从右到左、从背到腹、从头到脚，由此可知线性变换矩阵M为：

据此类推，8 种扫描体位对应的转换关系就都能够得到，由此我们可以得到转换关系为：

在实际的工程应用中，我们采用6 对点，用贪心算法对转换矩阵N进行参数优化。通过每一步贪心选择，寻找问题的局部最优解。从6 对点坐标开始，然后用5、4、3对点自顶向下遍历，得到局部最优解即停止遍历。转换矩阵N进行参数优化后得到N'：

OCT是CT 坐标 系 下某点 的坐标，OOPS是OPS 坐标系下对应该点的坐标。通过使用贪心算法进行参数优化，最终建立了CT 坐标系和OPS 坐标系的转换关系矩阵。

1.3 摆位误差评估方法

1.3.1 判断等中心偏差是否异常不同部位受到身体内部组织运动的影响不同，因此对摆位误差判定也有不同。由于腹部受呼吸运动、器官蠕动、器官充盈状态等因素的影响较大，容易引起较大的误差，因此腹部x、y、z 3 个方向任一方向上的偏差大于5 mm时，则判定为异常。头颈部肿瘤的位置受到呼吸运动或心脏跳动的影响较小，因此x、y、z 3 个方向任一方向上的偏差大于2 mm 时，则判定为异常。头部肿瘤的位置受到呼吸运动及其他内部组织运动的影响很小，因此头部x、y、z 3 个方向任一方向上的偏差大于2 mm 时，则判定为异常。进一步判断产生该偏差的原因。检查当日等中心与注册等中心的偏差，如果摆位偏差与注册偏差大体一致，则判断等中心注册偏差异常。

1.3.2 判断相机移动偏差是否异常如果摆位数据没有异常，但是当日注册等中心与历史等中心有明显偏差，则判断相机移动偏差异常。

1.3.3 判断激光线偏差摆位偏差值异常，但是当日注册等中心与历史等中心没有明显区别，则判断是激光线偏差。

1.3.4 判断体膜是否变形膜发生形变会导致球的位置发生变化，若一个病人过半的膜球变形度这一治疗数据都产生了问题，则可能是因为膜发生了形变。每个病人的每次摆位数据都进行检测。

1.3.5 锥形束CT（CBCT）本身机械问题将同一病人的所有数据进行比较，以折线图的方式展示出来，如果某个病人的某次数据有问题，则可能当天或者更久的所有病人的数据都有问题。某一器官成像时的图像分辨率问题，如肺影像不清楚会产生摆位误差，影响疗效。

2 结果

图1 表示264 例腹部癌症数据的等中心注册偏差、相机移动偏差、激光线偏移3种偏差的监控情况，图2 表示195 例头颈部癌症数据3 种偏差的监控情况，图3 表示186 例头部癌症数据3 种偏差的监控情况。

图1 264例腹部癌症数据3种误差的监控情况Fig.1 Monitoring results of 3 kinds of errors in 264 cases of abdominal cancer

图2 195例头颈部癌症数据3种误差的监控情况Fig.2 Monitoring results of 3 kinds of errors in 195 cases of head and neck cancer

图3 186例头部癌症数据3种误差的监控情况Fig.3 Monitoring results of 3 kinds of errors in 186 cases of head cancer

腹部x、y、z 3个方向任一方向上的偏差大于5 mm时，则判定为异常。在264例腹部癌症数据中，有5例数据等中心注册偏差异常，1 例数据相机移动偏差异常，11 例数据激光线偏差异常。3 种偏差分别占所有腹部癌症数据的1.9%、0.4%、4.2%。

头颈部x、y、z 3 个方向任一方向上的偏差大于2 mm 时，则判定为异常。在195 例头颈部癌症数据中，有13 例数据等中心注册偏差异常，4 例数据相机移动偏差异常，40例数据激光线偏差异常。3种偏差分别占所有头颈部癌症数据的6.7%、2.0%、20.5%。

头部x、y、z 3个方向任一方向上的偏差大于2 mm时，则判定为异常。在186 例头部癌症数据中，有10例数据等中心注册偏差异常，3 例数据相机移动偏差异常，25例数据激光线偏差异常。3种偏差分别占所有头部癌症数据的5.4%、1.6%、13.4%。

图4 表示某例腹部摆位数据体膜变形过大的情况，其中横轴表示定位球编号，纵轴分别为在x、y、z 3个方向上的膜球变形度。腹部膜球变形度大于2 mm则认定为异常。现有的头颈部及头部摆位数据未发现体膜形变异常数据。腹部体膜变形导致的偏差占所有腹部癌症数据的1.5%。

图4 某例腹部摆位数据体膜变形情况Fig.4 Deformation of body membrane in a case of abdominal positioning data

图5 表示OPS 放疗实时摆位预警系统记录的同一病人CBCT 的所有摆位数据，以折线图的方式展示，横轴为患者的治疗时间，纵轴为3 个方向上的摆位误差，便于物理师查看。腹部、头颈部、头部x、y、z 3 个方向任一方向上的偏差分别大于5、2、2 mm 时，则偏差异常。腹部、头颈部、头部CBCT 数据异常分别占各个部位所有摆位数据的2.7%、13.8%、10.3%。

图5 CBCT摆位情况监控Fig.5 Monitoring of CBCT positioning

表1显示了OPS放疗实时摆位预警系统对腹部、头颈部以及头部摆位数据5种误差的监控情况，表中数据为每一类误差出现的次数。

表1 OPS放疗实时摆位预警系统对腹部、头颈部以及头部摆位数据5种误差的监控情况Tab.1 Five kinds of errors in the abdominal,head and neck,and head positioning data monitored by OPS radiotherapy real-time positioning early warning system

由以上结果可以看出，OPS放疗实时摆位预警系统能较为准确实时预警摆位质量和摆位精度，当摆位出现较大偏差时，该系统能够迅速报警，及时指出摆位存在的问题，第一时间提醒参与摆位的物理师和医疗技术人员，纠正存在的问题，大大减小摆位难度，缩短摆位时间，提高摆位效果，在临床中有实际意义。

3 讨论

国内外目前对放疗摆位质量的研究和实施，仍然停留在放疗“摆位前”的相关设备和临床技术实施过程中的质量控制上。至今还没有出现过对放疗“摆位后”产生的数据进行研究，以此用于摆位实时预警。本文的OPS 放疗实时摆位预警系统能够及时收集、分析摆位产生的数据，指出摆位所存在的问题，在临床中有很大的优势。常规的放疗患者通常一周仅使用一次CBCT［15］来实现精准摆位：首先使用室内激光定位系统摆位，第二步使用CBCT对患者进行扫描，验证室内激光定位系统的摆位误差，最后对摆位误差进行校正［16-18］。CBCT 在使用过程中较依赖使用人员的技术水平［19］，并且在治疗过程中无法使用CBCT。室内激光定位系统利用3个方向的激光十字线定位，但任何一个方向出现偏差都会导致较大的摆位误差［20］。而本文提出的OPS 放疗实时摆位预警系统能够及时发现各种摆位误差，在一定程度上提高了患者治疗的摆位精度和治疗安全。且该系统所依赖的OPS 采用自由式配准技术，具有较高的抗干扰能力。OPS主要依赖计算机进行智能化摆位，由人员操作带来的误差几乎忽略不计。

综上所述，OPS放疗实时摆位预警系统在放射治疗摆位方面非常有效，能够帮助实现准确、快速的患者摆位，及时发现现有的摆位问题。对于放疗的患者而言，OPS放疗实时摆位预警系统在满足放射治疗精度的情况下，还能具有如下特点：实时监控患者的摆位误差，降低放疗摆位时间成本，提高治疗效率，增强治疗安全性。