基于六维摆位误差的鼻咽癌调强放疗全过程剂量评估

方卫宁，柏朋刚（通信作者)，陈榕钦，钱杰伟，陈景强，黄星武，傅万凯，全科润，林发生，陈济鸿

1 福建省肿瘤医院·福建省医科大学附属福建省肿瘤医院放疗中心 （福建福州 350014）；2 南华大学核科学技术学院 （湖南衡阳 421001）；3 福建省卫生职业技术学院医学技术系（福建福州 350101）

现代放射治疗技术已经发展到三精治疗的阶段，即精确勾画、精确设计、精确摆位[1]。随着计算机技术和影像诊断技术的不断进步，临床肿瘤医师可以根据多组影像数据来进行肿瘤靶区的精确勾画[2]；同时，随着治疗计划系统的广泛应用及其算法的不断改进，精确治疗的设计也已经可以基本解决；而因为主观因素较多，精确摆位一直是临床上比较难解决的问题[3]。其中鼻咽癌因其对于放射治疗的敏感性，是最适合放射治疗的肿瘤之一[4]。鼻咽部附近有多个危及器官，如脊髓、脑干、腮腺、视神经、视交叉、下颌骨、垂体、甲状腺等，对于摆位误差极度敏感。鼻咽部又是肿瘤治疗中刚性很好的部位之一，因此利用六维摆位误差对鼻咽癌进行模拟评估有着重要的临床意义[5]。本研究基于福建省肿瘤医院的首次摆位的数据库，提取放射治疗过程中的随机摆位误差。根据Yue等[6]提出的一种通过调整机架、准直器、治疗床角度以及等中心平移的方法实现六维摆位误差校正，并设计程序和评估软件对放射治疗过程的剂量进行计算和评估，以期为评估摆位误差对于鼻咽癌患者实际剂量的影响提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2018年9月在福建省肿瘤医院行调强放射治疗的鼻咽癌患者5例，其中女2例，男3例；年龄37～50岁，中位年龄46岁；病理分期，Ⅰ期1例，Ⅱ期2例，Ⅲ期1例，Ⅳ期1例。

1.2 计划设计方法

患者采用仰卧位，平躺，用头枕加热塑膜固定，行Philips大孔径螺旋定位CT扫描，扫描范围从头顶至锁骨头上沿，扫描层厚3 mm。将扫描图像传输至Pinnacle3（9.2版本）治疗计划系统（treatment planning system，TPS），临床医师结合磁共振图像进行肿瘤靶区和器官的勾画（参照福建省肿瘤医院靶区勾画标准[7]），勾画完成后，交于物理师进行调强计划设计。

5例患者均使用静态调强技术（intensity-modulated radiotherapy，IMRT）进行计划设计，分次为33次。射野机架角度设定为206°、260°、310°、0°、52°、104°、156°。计划设计完成后，经1位临床主任医师评估审核，合格后，将其传输至MOSAIQ系统，驱动加速器（AxesseTM，Elekta公司）进行治疗。计划评估的感兴趣区域包括：鼻咽部肿瘤靶区（GTV_T_P，CTV1_P，CTV2_P），颈部相关靶区（GTV_NL_P，GVT_NR_P，CTV_NL_P，CTV_NR_P），靶区均评估95%体积的剂量（D95%）；左腮腺（PG_L）、右腮腺（PG_R）均评估50%体积的剂量（D50%）；脑干（Stem）、脊髓（Cord）、右眼球（Eye-Right）、左眼球（Eye-Left）、右视神经（ON_R）、左视神经（ON_L）、视交叉（Chi）、垂体（Pit）、左晶状体（Lens_L）、右晶状体（Lens_R）均评估0.1%体积的剂量（D0.1%）。

1.3 摆位误差数据库

采集2013年12月至2015年3月初诊在福建省肿瘤医院进行放射治疗的636例鼻咽癌患者的摆位误差组成鼻咽癌首次摆位误差数据库。误差采集方法：患者在初次治疗时使用加速器XVI软件，利用CBCT进行定位扫描，与计划系统设计时的图像进行骨性配准，获取6个维度的摆位误差。摆位误差包括3个平移和3个轴的旋转。

1.4 六维矫正和剂量合成方法

为每例患者随机在摆位误差数据库中提取33组摆位误差，利用自编程序实现在Yue等[6]提出的六维摆位误差校正方法，在计划系统中模拟治疗时加入误差后患者治疗的单次剂量，然后传输CT及RT文件中的感兴趣区、剂量、计划数据至自编软件中。基于Matlab平台的自编软件放射治疗医师助手（radiation oncology assistant，ROA）实现剂量的多次叠加计算，合成出1～33次的经过摆位误差校正的实际剂量。

1.5 临床评价

比较分次未修正误差剂量和误差校正后的剂量，误差剂量=修正剂量-未修正剂量。正值表示误差修正后剂量比计划剂量增加，负值为误差修正后比计划剂量减少；分析总剂量差异和治疗分次中的剂量差异。

2 结果

2.1 理想治疗计划和误差校正后的治疗计划的剂量评估

图1为5例理想的治疗计划剂量评估结果，其中1～19的感兴趣区分别为GTV_T_P、CTV1_P、CTV2_P、 GTV_NL_P、GVT_NR_P、CTV_NL_P、CTV_NR_P、Stem、Cord、PG_L、PG_R、Eye-Right、Eye-Left、ON_R、ON_L、Chi、Pit、Lens_L、Lens_R。图2中的顺序与图1相同。

图 1 未校正治疗计划剂量

图 2 误差校正后实际剂量

2.2 理想计划与校正后的计划剂量差异

图3 为5例患者各个靶区的误差校正后剂量与理想治疗计划剂量差值。除了第5例患者的GTV_NR_P误差达到-71 cGy以外，其他患者和靶区误差剂量均＜50 cGy。图4为危及器官的误差剂量，其中脑干（最大254 cGy）、脊髓（最大346 cGy）、腮腺（最大102 cGy）、晶状体均有剂量增加，其余器官有正有负，即结束时的剂量可能增加也可能减少。

图3 理想计划与误差校正后的靶区剂量差异

图4 理想计划与误差校正后的危及器官剂量差异

2.3 代表性感兴趣区治疗分次剂量误差

图5 为治疗分次中靶区及代表性危及器官剂量随着误差的加入与计划剂量的偏离。鼻咽部的靶区在加入误差后剂量有增加也有减少，如GTV_T_P、CTV2_P；颈部的靶区在加入误差后剂量均减少，如GTV_NL_P、CTV_NL_P；危及器官中脑干、脊髓、腮腺在加入误差后，剂量均增加。

图5 治疗过程中主要感兴趣区的分次误差剂量

3 讨论

目前，随着医学和计算技术的飞速发展，临床已经可以设计出非常精确的放射治疗计划。而治疗摆位是一个半人工的过程，虽然凭借CBCT等图像监测技术可以进一步提高患者的摆位精确性，但是多次CBCT会增加患者的受照射剂量，对于危及器官有一定的损害。如果能将摆位误差控制在一定的限值内，就无需每次进行CBCT的摆位扫描和体位验证。如何在患者的治疗过程中正确评估摆位误差对于剂量学的影响，一直是医学物理师不懈的努力方向。本研究使用了福建省肿瘤医院鼻咽癌首次摆位误差数据库，同时利用Yue等[6]的方法自编程实现模拟摆位误差，对于其方法的准确性，本研究小组在2018年使用ArcCHECK系统进行该方法的程序测试验证，并证明其方法准确性很高[8]。

针对于肿瘤靶区，如图3及图5所示，除1例患者的CTV_NR_P达到-70 cGy以外，其余靶区误差剂量均＜±50 cGy，这仅为原发肿瘤剂量（7 000 cGy）的0.71%，颈部最小剂量（5 000 cGy左右）的1%，对于靶区治疗的可能影响较小。而鼻咽部的3个靶区GTV_T_P、CTV1_P、CTV2_P的误差剂量有正有负，虽然越向空间的外围误差剂量有些许增大趋势（图3）；而对于颈部的几个靶区，其误差剂量机会均为负数，其原因主要是由于加入了旋转误差。福建省肿瘤医院的治疗计划中心通常情况下是选在靠近鼻咽部的靶区内部，旋转对于鼻咽部靶区影响较小，但是对于颈部远端的影响有放大作用。这和基于van Herk等[9]的研究对于摆位误差的控制和评估有不同之处，该方法把靶区考虑为球形，治疗中心则定在球形的中心处，同时该方法仅考虑了平移方向上的误差，因此，在未来的研究中应充分考虑中心点相对于靶区的位置和靶区的形状。

针对危及器官，本研究发现脑干、脊髓、腮腺几乎都是剂量增加（图4），其中误差剂量最大为脑干254 cGy、脊髓346 cGy、腮腺102 cGy；对于脑干5 000 cGy 剂量限值，有3%左右的差异；对于脊髓4 500 cGy的剂量限值，有7.7%左右剂量增加；对于腮腺3 000 cGy的剂量限值，有3.4%的剂量差异。这些误差比例远大于靶区的剂量误差比例，因此，需要临床重点关注。控制摆位误差对于这些危及器官有着重要的意义。这也与van Herk等[9]仅考虑平移误差的结果不同。

治疗分次中，鼻咽部靶区的变化（GTV_T_P、CTV2_P）有正有负；而颈部靶区（GTV_NL_P、CTV_NL_P）误差剂量数值为负，并几乎一直在下降；危及器官中，脑干和脊髓几乎都是剂量增加；右腮腺均在增加，左腮腺有3例增加，1例减少，1例来回变化（图5）。腮腺剂量的变化是一个复杂的过程，在进一步的研究中需要仔细分析和探讨。

关于数据库的选取，本研究使用的是以往首次摆位时采集的CBCT图像配准结果。本研究小组的以往研究发现，随着放射治疗的进行，治疗过程中后续摆位误差会越来越小，并达到一个较小的稳定值[10]。这主要有几个方面原因：一是技师对于患者体位的熟练程度越来越高；二是随着放射治疗的进行，患者的紧张情绪得到缓解，其治疗依从性越来越高，因此后续的摆位误差比首次摆位误差要小。而本研究中采用的是患者首次摆位误差来模拟摆位，对于剂量学改变可能偏大；在未来可能采集患者每次的实际摆位误差，可精确评估误差对于患者剂量的影响；另外，本研究选取的患者仅5例，在未来的研究中需要增加患者数进行更深入的研究。

综上所述，随机性摆位误差对于肿瘤靶区剂量学的影响较小（基本＜±50 cGy），但对于危及器官剂量学有较大影响，特别是脑干、脊髓、腮腺有大的剂量改变（100～350 cGy），因此应该严格控制摆位误差，充分评估主要危及器官的剂量学变化。