OPS与CBCT摆位引导技术在食管癌放疗中的临床应用优劣探讨

桂龙刚，李 军，胡 湛，黄 慧

（苏北人民医院放疗中心，江苏扬州 225001）

0 引言

据统计，全国每年约20万人死于食管癌，超过90%的食管癌患者确诊时已进展至中晚期[1]，而放射治疗是食管癌中晚期治疗的主要方法之一，但其治疗效果却受到技师摆位精度的显著影响。由于呼吸运动和摆位误差等因素会导致临床靶区（clinical target volume，CTV）与危及器官（organ at risk，OAR）空间位置变化，进而导致剂量分布可能发生较大变化，所以勾画靶区时通常须对CTV进行外放，外放后靶区称为计划靶区（planning target volume，PTV）。摆位精度是PTV外放的重要依据，提高摆位精度可有效提高放疗疗效，减少OAR剂量受量，增加治疗增益比（therapeutic gain factor，TGF）[2-4]。

目前，临床上多利用图像引导放疗（image guided radiotherapy，IGRT）技术提高摆位精度。该技术将影像设备与放射治疗机相结合，通过锥形束CT（cone beam CT，CBCT）图像与计划CT图像配准来获得摆位误差值，由于其考虑了真实的解剖结构，理论上是一种比较能真实反映摆位误差的技术，现已被广泛使用。近年来国内南京某高校开发出了一种新的提高摆位精度的光学定位系统（optical positioning system，OPS）[5]。OPS的基本原理是基于双目视觉原理进行目标位置计算，通过实时获取定位标志球的位置来获得实时的OPS计划等中心坐标，并将其与注册的加速器机械等中心坐标来进行比对，从而实时获得摆位误差值[6]。OPS所确定的计划等中心点是基于附着在定位膜上的跟踪小球来确定的，若是针对刚性模体，理论上也能反映真实摆位误差，但患者的身体是非刚性的，其体内解剖位置是变化的，故有必要对OPS与CBCT这2种摆位引导技术进行摆位误差的对比研究，以供临床参考。

我院目前在用的放射治疗机采用的是Varian IX加速器治疗系统（具备CBCT图像摆位引导功能），近期又新引进了OPS摆位引导系统。本文以食管癌放疗为例，对CBCT和OPS这2种摆位引导方式进行摆位误差对比研究，探讨这2种摆位引导系统的临床应用优劣。

1 材料与方法

1.1 病例选择和主要设备

随机选择30例2019年3—6月在我院同时采用CBCT和OPS 2种摆位引导技术进行放疗的胸段食管癌患者，其中男性20例、女性10例，平均年龄59岁（53～68岁），病理类型均为鳞癌，PTV长度10～22 cm，双肺体积2 577.23～3 782.61 cm3。所有患者均具备明确放射治疗适应证且初次接受放疗。本研究方案经医学伦理委员会批准并由患者或其授权人签署知情同意书。

使用设备:Varian IX型加速器（含CBCT系统）、OPS光学引导系统、GE大孔径CT机以及Varian Eclipse 13.0三维计划系统。

1.2 准备工作

1.2.1 体位固定

全部病例均采用仰卧位，用热塑体膜固定于有孔碳纤维复合板上，并在患者体表和体膜上做好定为标记线。

1.2.2 红外跟踪小球的注册并固定

将通过TpsLite软件注册的6个跟踪小球按图1所示位置用扎条固定在已塑型的体膜表面（如图2所示），在此过程中，需要保证这6个小球中的任意3球位置不能形成等腰三角形。

图1 OPS跟踪小球的固定示意图

图2 OPS跟踪小球在体膜上的固定

1.2.3 CT扫描和定位计划设计

首先，将带有OPS跟踪小球的热塑体膜用于病例患者，并在GE大孔径CT机上完成层厚为5 mm的CT扫描，并将扫描图像通过网络传至Eclipse 13.0计划系统；其次，在Eclipse 13.0计划系统中完成靶区勾画和物理计划设计；然后，通过U盘将设计好的物理计划中的连续 CT image、RTstructure、RTplan导入到TpsLite软件中；最后，在TpsLite软件中完成6个跟踪小球的轮廓勾画（如图3所示），每个小球至少勾画2层，系统将自动计算出这6个跟踪小球与物理计划中的等中心点之间的空间关系（如图4所示），并生成OPS定位计划。

图3 OPS红外跟踪小球勾画

图4 勾画完毕的OPS跟踪小球的三维视图

1.3 获取摆位误差

1.3.1 OPS引导下获取摆位误差

打开监控计算机的OpsPro软件，点击“等中心注册”，通过旋转机架（±90°）和治疗床（±60°）完成加速器机械等中心注册（每日只需注册1次）。放疗技师利用激光灯和定位标记线对患者进行常规摆位，而后打开患者的OPS定位计划，此时OPS将会实时显示热塑膜上6个小球所确定的等中心点与加速器等中心点在X方向（左右）、Y方向（头脚）及Z方向（前后）上的误差（如图5所示），分别记录这3个误差值 Δx、Δy及 Δz。

图5 OPS在X、Y及Z 3个方向上显示的实时摆位误差

1.3.2 CBCT引导下摆位误差获取

记录OPS引导下的摆位误差后，采集该患者的CBCT图像，并将计划CT图像和CBCT图像通过骨性标志配准法、感兴趣区CT值、PTV范围、手动校准进行图像配准[5]。记录配准前后治疗床在X、Y、Z方向上的移动误差，分别记为 Δx1、Δy1及 Δz1，最后利用该误差值进行治疗床的位置校正，方可进行患者治疗。

1.4 数据处理

将30例患者的OPS所显示的摆位误差值记为实验组，将CBCT引导下摆位误差作为对照组。采用SPSS19.0进行统计学处理。由于样本数远小于2000，所以采用Shapiro-Wilk方法进行正态性检验，符合正态分布的数据，计量资料采用均数±标准差描述，组间差异采用配对t检验；不符合正态分布的数据，组间差异采用配对符号秩次Z检验。检验水准α=0.05（双尾）。

2 结果

实验组和对照组在X、Y、Z方向上的摆位误差比较结果详见表1。由表1可以看出，实验组在X、Y、Z方向上的摆位误差均大于对照组，但2组之间差异均较小（＜1 mm）。其中，在X方向上实验组和对照组的差异无统计学意义（P＞0.05），而在Y、Z方向上，实验组和对照组的差异有统计学意义（P＜0.05）。

3 讨论

CBCT图像引导技术利用采集的患者解剖图像来确定靶区和周围组织的位置和运动，并与计划CT图像进行配准发现摆位误差并校正，是一种比较能反映真实摆位误差的技术[7-8]。但CBCT用于实际临床运用中存在一些问题，如操作烦琐、消耗时间长、带来的额外剂量较大等[9-10]。Alaei等[11]研究结果表明，常规胸部CBCT图像引导模式下带来的额外剂量为23～30 cGy。同时CBCT图像配准结果会受到图像体素尺寸大小等因素的影响，且配准是否准确靠技师来判断，这就将技师的认真程度和经验也纳入到影响定位精度的范畴，增加了随机误差[12-13]。

表1 实验组和对照组摆位误差比较（x¯±s）mm

OPS的基本原理是利用红外探测器获得体表定位膜上的6个定位小球的空间三维坐标，将其与CT扫描中定位球的相对位置信息进行融合，计算得到OPS计划中心点坐标，并通过将该OPS计划中心点坐标与加速器等中心点进行对比来获取X、Y和Z方向的摆位误差，此方法可以真实地反映体膜的摆位误差。对于刚性模体而言，若体膜和模体贴合紧密，则OPS理论上可以反映出真实的摆位误差。但实际临床应用中，患者非刚性模体，且患者体表和体膜也不一定贴合得非常紧密，所以它的不足之处在于不能获取到患者的实际解剖信息，无法直接反映患者身体的摆位误差。

尽管OPS无法直接反映患者身体的摆位误差，但杨晓梅等[14]和曹顾飞等[15]研究结果表明，采用OPS对于减少随机摆位误差具有积极作用。根据本研究结果（见表1），实验组在X、Y和Z方向上的摆位误差均大于对照组，但它们的差值都很小（＜1 mm），这说明OPS所得出的摆位误差与CBCT获得的真实摆位误差是很接近的，其值是可以作为重要参考的。

本研究中还发现由于CBCT摆位引导操作较烦琐，技师需5～10 min才能完成摆位误差的获取和纠正，在此过程中可能会增加患者的不适感。而OPS不需要摄片，只需通过常规激光线摆位，并观察治疗室内OPS监控显示器上的X、Y、Z3个方向上的实时误差，通过微调治疗床位置即可快速完成摆位误差纠正，整个过程只需约30 s。在其他方面OPS还具有一定的优势:OPS不仅没有低剂量的多余照射，还具有实时监控和误差报警功能（如图5所示），若患者在治疗过程中由于身体不自主运动等因素导致位置突变，进而引起监控器上的实时误差值发生较大变化时，OPS会发出报警以提醒技师停止照射患者，并进行相关处理。

在食管癌的放射治疗中，CBCT和OPS各有优劣。CBCT系统更能真实反映患者摆位误差，目前仍然是一种很好的、能有效减少摆位误差的系统，但其摆位引导过程具有烦琐、耗时、低剂量辐射等缺点。而OPS只能反映患者体表膜体的摆位误差，无法直接反映患者身体的真实摆位误差，这也是OPS的最大不足。尽管如此，根据本研究结果，OPS在一定程度上可间接反映摆位随机误差，具有一定参考意义。但本研究也存在一些不足之处:一是病例数不够多（统计样本数不够多），统计学分析结果的准确度稍差；二是研究对象为胸段食管癌患者，没有对头颈部、腹盆部等肿瘤进行对比的研究，导致该结论可能存在一定的局限性，而这也是下一步研究需要解决的问题。

综上所述，OPS具有方便、快捷、无低剂量辐射、在线监测并进行误差报警等优点。因此，对于没有开展CBCT技术的相关医疗单位，可以考虑使用OPS来减少依靠激光线来摆位所产生的随机误差；对于已经开展CBCT等图像引导技术的医疗单位，可以考虑增设OPS作为辅助摆位手段来引导放疗治疗师快速初摆位，然后再借助CBCT等图像引导技术进行后续摆位修正。将这2种摆位引导技术进行有效结合，各取所长，可以大大提升摆位效率和摆位精确性，对患者治疗具有重要的积极作用。