头颈放疗中Catalyst 系统监测摆位误差的参数依赖性分析*

彭海燕，毛开金，何 阳，罗焕丽，靳 富

(重庆大学附属肿瘤医院/重庆市肿瘤研究所/重庆市肿瘤医院放疗科 400030)

零辐射光学引导放疗已成功应用于临床[1-2]。Catalyst系统采用结构光原理，可实时跟踪患者体表轮廓并与参考影像配准，获取患者六维方向的亚毫米偏差并及时反馈，通过不同颜色光指导治疗师快速纠正摆位误差。在患者治疗期间还可驱动呼吸门控开关[3-4]。

近年来Catalyst系统内置算法逐渐升级，在原有刚性算法下新增一套弹性算法。弹性算法可在配准计算中优化权重比，理论上针对形变位移更具有优势，误差计算准确率更高。基于肿瘤患者，前期研究发现[7-10]，Catalyst系统易受患者的年龄、BMI、膀胱容积及皮肤状态的影响[5-6]；而基于Catalyst系统本身，有学者针对模体展开研究[11]，发现弹性算法与刚性算法在非形变位移中基本无差异，而在形变位移中差别较大。

Catalyst系统在头颈部肿瘤患者放疗中的应用目前已有深入研究[12-13]，在头颈放疗过程中，形变位移和非形变位移均存在。但Catalyst系统内由不同参考影像、不同算法、不同感兴趣区(ROI)导致的头颈患者的摆位误差差异鲜有报道，故本研究旨在探讨Catalyst系统采用不同配准算法、参考影像、ROI对不同年龄、性别的头颈部肿瘤患者的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2019-2020年收治的头颈部肿瘤患者33例，均为鼻咽癌，其中男18例，年龄27～69岁，中位年龄53岁，女15例，年龄33～84岁，中位年龄54岁。所有患者均由资深物理师在Varian Eclipse三维治疗计划系统中制订计划，9野调强放疗(IMRT)，剂量50 Gy分25次实施，治疗计划由Varian IX直线加速器传输。

1.2 摆位固定和影像配准

用Daily QA3和Daily Check phantom分别对加速器和Catalyst系统进行晨检。33例头颈部肿瘤患者均采用头颈肩热塑膜仰卧位固定体位。首次摆位流程：基于激光与膜上标记摆位后，采用瓦里安机载锥形束CT(CBCT)影像系统验证，平移摆位误差均≤3 mm，移床纠正误差；应用Catalyst系统进行头颈部参考影像的采集，先采集有膜图像并拍照，随后嘱患者保持不动，一位治疗师监督，另一位治疗师取膜迅速采集无膜图像并拍照，完毕后迅速扣膜，再次采集有膜图像验证，并再次行CBCT验证。第2次CBCT在左右(LR)、头脚(SI)、腹背(AP)的偏差均≤1 mm认为是有效数据，否则舍弃，2次拍照图像分别为有膜、无膜的参考影像(有膜ImagCat、无膜ImagCat)。以后每次摆位流程：常规摆位后，应用Catalyst系统分别采集患者无膜、有膜的实时影像并配准，治疗师依据投射至患者体表的不同颜色光进行局部校准，采集无膜影像后迅速扣膜，再采集有膜影像验证无误，每周进行1次CBCT验证。CBCT曝光条件为75 kV，200 mA，25 ms，影像匹配均为骨性配准。Catalyst系统增益与积分时间参数设置标准：获取的表面影像呈灰白色且刚好出现红色曝光点。在Catalyst系统软件后台进行参考影像(定位CT：ImagCT，体表光学：有膜ImagCat、无膜ImagCat)、配准算法(弹性：Algoela、刚性：Algorig)、ROI(头+颈：ROIHN、头：ROIH、颈：ROIN)的更改并计算相应的摆位误差。记录患者性别、年龄，CBCT摆位误差(SECBCT)及Catalyst系统在3个平移方向下(LR、SI、AP)及3个对应旋转方向[左右旋转(Roll)、头脚旋转(Rot)、腹背旋转(Pitch)]的摆位误差(SECat)。

1.3 统计学处理

2 结 果

2.1 CBCT与Catalyst系统在头颈放疗中的摆位差异

33例患者(共计262组数据)的摆位误差见表1，Varian Ⅳ直线加速器常规行CBCT验证时只考虑三维平移误差。差异性分析可见：SECBCT与患者有膜状态下的SEcat(有膜SEcat)；无膜状态下的SEcat(无膜SEcat)在平移方向均存在一定差异(P<0.05)，无膜SEcat与CBCT更接近。

2.2 头颈放疗中Catalyst系统监测在不同参考影像、配准算法下的摆位误差比较

以ImagCT和ImagCat为参考的SEcat比较：在LR方向上，>45～60岁的男性患者、>60岁的女性患者有膜SEcat和无膜SEcat，≤45岁的患者无膜SEcat，>60岁的男性患者有膜SEcat差异均无统计学意义(P>0.05)。在Algoela下，除SI方向外，≤45岁的男性患者无膜SEcat差异也无统计学意义(P>0.05)。

以ImagCat为参考，Algoela与Algorig的2种配准算法的SEcat比较，见图1：红色为女性，黑色为男性，P值越小，两者差异性越大。LR、SI、AP方向上的SEcat分析显示：≤60岁的男性患者Algoela与Algorig的有膜SEcat和无膜SEcat差异均无统计学意义(P>0.05)，>60岁时在SI方向开始出现较小差异：Algoela与Algorig的有膜SEcat分别为(0.22 ±1.43)、(-0.27 ±0.51)mm，无膜SEcat分别为(0.72±2.76)、(1.24 ±2.93)mm。女性患者在LR方向上，Algorig和Algoela的有膜SEcat和无膜SEcat差异无统计学意义(P>0.05)。

黑色为男性，红色为女性。a：P 0.05～0.01；b:P 0.01～0.001。

2.3 头颈放疗中Catalyst监测在不同ROI下的摆位误差比较

在Catalyst系统软件后台进行每分次实时影像的截取，在不改变图像质量的前提下分别截至头部和颈部并保存。在软件后台同一参考影像下更替ROI下(ROIHN、ROIH、ROIN)的不同实时影像并计算相应的摆位误差。因后台不能进行参考影像的截取，参考影像仍为头颈部轮廓。本研究发现在Algorig下实时影像更替为ROIH、ROIN后Catalyst配准摆位误差出现异常(>100 mm)，而选择Algoela进行Catalyst配准却无异常发生。因此，本研究在不同ROI下(ROIHN、ROIH、ROIN)的SEcat仅纳入Algoela分析。研究发现在ROIHN、ROIH、ROIN下，因参考的选取不同而配准得到的SEcat差异较大，仅有少数情况差异无统计学意义(P>0.05)，其中包括：(1)分别以ImagCT、有膜ImagCat、无膜ImagCat为参考对比分析时，≤45岁、>60岁的男性患者在LR方向的有膜SEcat监测，≤45岁的男性、>60岁的女性患者在Rot和Pitch方向的无膜SEcat监测；(2)分别以有膜、无膜ImagCat为参考对比分析时，男性患者≤45岁在SI方向、>45～60岁在AP和Roll方向、>45岁在Pitch方向，女性患者≤45岁在Roll方向、>45岁在SI方向的有膜SEcat和无膜SEcat。见表2。

以有膜ImagCat、无膜ImagCat为参考的摆位误差，即有膜SEcat、无膜SEcat与年龄的相关性见表3：>45～60岁的男性患者在SI方向，不同ROI分析下的无膜SEcat与年龄均呈正相关(r=0.421、0.414、0.409)。≤45岁的女性患者在SI方向，无膜SEcat与年龄均呈负相关(r=-0.321、-0.537、-0.601)，>60岁的女性患者在LR方向，有膜SEcat与年龄均呈显著正相关(r=0.557、0.679、0.637)。见表3。采用ROIHN、ROIH、ROIN分析的无膜SEcat差异见表4：除ROIHN与ROIN在LR方向上的无膜SEcat基本无差异外，其他无膜SEcat在各方向、各年龄段均存在一定差异(P<0.05)。

表1 CBCT与Catalyst引导头颈部肿瘤患者的摆位误差分布

表2 分别在ROIHN、ROIH、ROIN下采用不同参考影像的摆位误差(P值)

方向年龄ImagCTvs. 无膜ImagCat女ROIHNROIHROINImagCat有膜 vs. 无膜ImagCat男ROIHNROIHROIN女ROIHNROIHROINLR≤45岁0.305 0.001 <0.001 <0.001 0.057 <0.001 0.025 <0.001 <0.001 >45～60岁<0.001 0.105 <0.001 0.049 0.027 0.040 <0.001 0.006 0.001 >60岁0.414 0.005 0.676 0.265 0.116 0.021 0.017 0.002 0.001

续表2 分别在ROIHN、ROIH、ROIN下采用不同参考参考影像的摆位误差(P值)

表3 Catalyst在ROIHN、ROIH、ROIN下有膜、无膜摆位误差与年龄的相关性(r值)

表4 在ROIHN、ROIH、ROIN下的Catalyst无膜摆位误差 (P值)

3 讨 论

Catalyst表面光学成像系统通过投射不同颜色的光指导治疗师纠正患者的摆位误差，应用结构光原理进行参考影像和实时影像的配准。CBCT与Catalyst引导头颈放疗摆位存在较好的相关性[14]，鼻咽癌体外误差与体内误差间也具有良好的一致性[15]，本研究中无膜SEcat与SECBCT稍有差异，主要是因为CBCT未配准旋转方向的摆位误差。而Catalyst系统进行了六维方向摆位误差的配准，是否考虑旋转本身存在一定差异[16]。本研究旨在探讨针对不同年龄、性别的头颈部肿瘤患者，Catalyst系统采用不同配准算法、参考影像、ROI计算的摆位误差差异。

Catalyst系统采用不同参考影像引导头颈摆位，差异性分析发现：ImagCT与有膜ImagCat差异较无膜ImagCat更大。≤45岁的患者在Catalyst无膜监测下，ImagCT替代无膜ImagCat仅LR方向应用Algoela、Algorig2种算法配准的无膜SEcat无差异。CT为断层扫描，由DICOM影像中提取图像边缘轮廓，再基于体素的等值面法实现三维重建[17]，扫描参数的选取和扫描时体素位置的不同对三维重建轮廓及放射治疗计划系统(TPS)自动勾画有较大影响[18]，由此导致ImagCT和ImagCat存在一定差异。有研究报道由于鼻和前额的轮廓差异，光学监测鼻部动度更加精准[19]；≤45岁的患者头颈部轮廓明显，LR方向移动会引起较大轮廓曲率改变，Catalyst系统在2种算法下对此信息的捕捉均较敏感，故采用ImagCT和ImagCat在LR方向基本无差异。

以ImagCat为参考，Catalyst系统采用不同算法进行摆位误差的配准，差异性分析发现：应用Algorig和Algoela的有膜SEcat及无膜SEcat，平移方向上，男性患者除>60岁时SI方向存在差异，其他均无差异，女性患者LR方向无差异，而SI方向差异最大；男性在Pitch方向无膜SEcat差异最大。因治疗师行头颈摆位时，患者很易下巴过扬或过低，老年患者因不易配合，导致SI方向和Pitch方向易出现形变位移。PALLOTTA等[11]基于模体的研究报道，Algorig和Algoela下的无膜SEcat非形变位移基本无差异；形变位移中Algoela的无膜SEcat在LR、SI和Pitch方向监测更准确：LR方向误差可由1.9 mm降低至1.1 mm，SI由1.1 mm降低至0.6 mm，Pitch由0.8°降低至0.4°。由此，本研究建议将弹性算法(Algoela)设置为默认算法，更能准确监测偏差，实现精准放疗。

以ImagCat为参考，采用Algoela进行摆位误差的配准，在不同ROI下分别分析参考影像间的差异和患者年龄对摆位误差的影响，发现采用不同ROI分析的结果中规律一致(均无差异)的情况较少。有学者应用AlignRT光学系统对头颈部模体的2个ROI进行监测后发现[19]，以鼻为ROI，监测精度可达(0.3±0.2)mm，而以前额为ROI，对LR、SI、AP 3个方向的监测均出现更大偏差，其中SI方向偏差最大，可达(0.8±0.5)mm，由此说明ROI的选择对光学监测的影响较大，与本次应用Catalyst系统基于头颈部肿瘤患者的研究结果一致。本研究针对ROIHN、ROIH、ROIN进一步详细分析，发现仅在Rot和Pitch方向，≤45岁的男性患者及>60岁的女性患者对ROI及参考影像的依赖较小，这可能是由于青年男性患者面部脂肪少，轮廓明显，而女性患者面部脂肪多，随年龄增加面部脂肪量下降，老年时面部轮廓明显[20]，故在不同参考影像下的光学监测差异较小；同时常规摆位时膜具可控制头颈旋转在较小的范围，因头部旋转会牵引颈部旋转，故在不同ROI下Rot和Pitch方向的旋转基本无差异。>45～60岁的男性患者在SI方向，不同ROI分析下的无膜SEcat与年龄均呈正相关，有学者也报道随年龄增加，皮肤弹性变弱，头颈部无膜SEcat增大，与男性患者年龄呈正相关[8]。ZHAO等[21]将面部和颈部分别行AlignRT光学监测，发现颈部的动度较头部更大，由此说明头颈整体的监测结果中，颈部对摆位误差的贡献更大，本研究将ROIHN、ROIH、ROIN的摆位误差进行比较也发现，ROIHN与ROIN的在LR、SI、AP方向上的无膜SEcat基本无差异，而ROIH与上述差异较大。由此，采用Catalyst系统引导头颈摆位时，根据患者靶区位置选择ROI，更能提高监测精度。

综上所述，光学表面成像系统引导头颈放疗摆位具有一定的临床价值[22-23]，Catalyst系统目前应用广泛[24-26]。经论证，本研究建议应用Catalyst系统引导头颈摆位时，以ImagCat为参考(CBCT、kV-kV等验证)，在Algoela下，选择靶区所在的特定ROI(头、颈等)，并充分暴露体表，可更精确地指导治疗师摆位。