OSMS在乳腺癌术后放疗临床应用中体位固定方式优选研究

李俊禹，杜乙，周舜，吴昊，杨敬贤，于松茂，李廷廷，刘巍巍，岳海振

1. 北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所 放疗科 恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室，北京 100142；2. 解放军总医院 第五医学中心，北京 100039

引言

乳腺癌是女性常见恶性肿瘤之一，乳腺癌患者首选手术治疗，其中70%～80%术后患者需要进行放疗[1]。处于放射治疗执行端的影像引导技术（Image Guided Radiotherapy，IGRT）和辅助定位装置的优选对于提高摆位精度[2]，保证放疗剂量传递精度[3]，从而提高治疗效果[4]，减少肿瘤复发风险[5]，起到至关重要的作用。作为在线校位技术的参考标准，基于机载影像设备锥形束CT（Cone Beam CT，CBCT）的IGRT技术在临床实践中产生的额外辐射剂量、耗时较长等问题备受关注[6-7]，而光学体表监测系统（Optical Surface Monitoring System，OSMS）在放疗前辅助摆位和放疗中实时监测等方面的应用，在完全规避附加辐射剂量的前提条件下，有效提高了摆位效率和摆位精度[8-10]。研究显示，OSMS基于所监测到的患者体表轮廓引导摆位，辅助固定装置的选择会影响患者体位，进而影响OSMS引导摆位的精度[11]，尤其对于乳腺癌术后放疗病例，由于乳腺区域体表刚性不足，体位固定方式对OSMS引导摆位精度影响较大，但其原因为何，影响是否显著尚不明确。本研究以CBCT在线校位结果为参考，探讨基于OSMS引导摆位下真空垫和颈胸膜两种临床常用体位固定方式的摆位一致性和误差分析，为乳腺癌术后放疗患者的体位固定方式优选提供数据支持，并作为全流程质控思维整体结构中执行端的设备优选和方法优化方案的参考。

1 资料与方法

1.1 资料选取与分组

选取52例2019年4月至2019年12月于北京大学肿瘤医院行乳腺癌术后放疗的患者资料，均采用OSMS系统辅助摆位完成治疗，其中真空垫固定组（A组）24例，颈胸膜固定组（B组）28例，见图1。52例患者年龄19～72岁，中位年龄47.5岁，体质量指数（Body Mass Index，BMI）15.93～32.75 kg/m2，中位 BMI为 24.42 kg/m2。

图1 乳腺癌术后放疗体位固定方式

1.2 仪器设备与方法

1.2.1 仪器设备

英国Vision RT公司光学体表监测系统，美国瓦里安VitalBeam加速器（配备6维治疗床），德国西门子大孔径螺旋CT（Somation Sensation Open），德国LAP公司3维激光灯定位系统，美国Varian Eclipse放疗计划系统，比利时ORFIT体板。

1.2.2 体位固定和扫描方法

所有患者均采用仰卧、平躺、双手上举抱头体位。A组患者平躺于真空垫上，根据患者身体轮廓、手臂位置塑形真空垫，头枕放在真空垫上，并塑形头枕边缘轮廓。B组患者平躺于体板上，头枕采用体板上头枕下凹凸结构的方式与体板位置固定，制作颈胸膜。真空垫、体板均与治疗床位置相对固定。模具制作完成后在德国西门子大孔径螺旋CT和美国Varian Eclipse放疗计划系统上进行定位CT扫描和治疗计划制定，在配置六维碳纤维治疗床的瓦里安医用直线加速器VitalBeam执行治疗方案，可获取左右（x轴向）、升降（y轴向）、进出（z轴向）、床旋转（Rtn）、进出倾斜（Pitch）和左右转动（Roll）6个维度的配准误差。

1.2.3 操作流程

本研究所涉及病例，首次治疗均采用“两步法”，找到参考床值并通过OSMS获取修正后患者光学参考图像，具体操作可参考本中心前期研究成果[12]。后续治疗摆位流程如图2所示，可分为四步：（1）患者位置固定好后，将治疗床自动移至参考床值处；（2）使用OSMS实时调整患者体位，使OSMS摆位误差尽可能低，最大容差范围线性方向/旋转方向分别为±0.5 cm/±2°，结束摆位后获取6个维度的OSMS摆位误差；（3）采集CBCT图像后与定位CT图像进行基于骨性标记自动配准后，经过医生与技师共同确认靶区位置后对自动配准结果进行微调，获取6个维度CBCT配准误差；（4）按照CBCT配准结果进行移床并执行治疗计划方案完成当次照射。

图2 后续治疗操作流程图

本研究中采用真空垫固定方式的A组在治疗过程中使用OSMS实时监测治疗，线性方向和旋转方向阈值分别设置为±0.3 cm/±2°，B组扣模具固定患者体位后治疗，后续治疗过程均按照图2所示流程进行操作。所有患者前3次放疗前均进行CBCT验证，随后每周进行1次CBCT验证。对后续治疗6维方向误差结果进行统计分析，A组和B组分别取得144组和168组6维OSMS摆位误差数据和CBCT配准误差数据。

本研究中OSMS感兴趣区（Region of Interest，ROI）选为整个胸部，上界锁骨、下界肋骨，侧面A组真空垫边缘以上、B组腋中线，均包括了相对稳定体表，如胸骨、肋骨，不包含腹部，腋窝、手臂、肩胛骨等不稳定体表不做勾画。

1.2.4 评价指标

① 摆位误差：即为CBCT与定位CT图像配准误差的绝对值，数值越小则说明误差越低；② 摆位一致性：OSMS摆位误差与同次对应方向的CBCT配准误差的差值，绝对化后用于量化OSMS与CBCT在线校位系统的一致性。

1.2.5 统计学处理

采用SPSS25.0对摆位一致性和摆位误差数据进行统计分析，经正态性检验呈非正态分布，两组病例对应摆位一致性和摆位误差数据行曼恩-惠特尼U检验，以中位数（下四分位数～上四分位数）表示。此外据文献报道，患者任意方向0.5 cm线性误差或2°旋转误差会导致靶区剂量变化5%[13]，为更好分析摆位一致性累积分布，本研究设定线性方向、旋转方向分别以0.3 cm和1°为标准对摆位一致性累积分布率进行χ2检验。我中心通过研究旋转与线性误差相关性得出，对于胸部肿瘤旋转超过1.5°等同于平移0.5 cm的误差[14]，因此在乳腺肿瘤放疗中确保摆位误差线性方向和旋转方向分别控制在0.5 cm和1.5°以内，以上述标准对摆位误差累积分布率进行χ2检验。

2 结果

2.1 摆位误差和摆位一致性统计分析

A组和B组6个维度的摆位误差和摆位一致性中位数（上四分位数～下四分位数）见表1～2。摆位误差除z方向外A组均优于B组，但仅x（Z=-2.942，P=0.003）、z（Z=-3.832，P=0.000）方向差异均有统计学意义。对于摆位一致性，除z方向外，A组均优于B组，x（Z=-4.175，P=0.000）、y（Z=-8.188，P=0.000）、z（Z=-1.976，P=0.048）、Pitch（Z=-2.448，P=0.014）、Roll（Z=-3.030，P=0.002）等方向差异均有统计学意义。

表1 乳腺癌放疗两种体位固定方式不同方向和旋转角度摆位误差比较

表2 乳腺癌放疗两种体位固定方式不同方向和旋转角度摆位一致性比较

2.2 摆位误差和摆位一致性累积分布统计分析

A组和B组摆位误差和摆位一致性累积分布比例见表3～4。摆位误差累积分布除z方向外，A组均优于B组，仅z方向具有统计学差异（P=0.029＜0.05），综合6维方向摆位误差累积分布A组优于B组。摆位一致性累积分布除z方向外，A组均优于B组，且x（χ2=4.730，P=0.030）、y（χ2=65.712，P=0.000）、Rtn（χ2=8.108，P=0.004）、Pitch（χ2=6.572，P=0.010）和 Roll（χ2=4.938，P=0.026）五个方向差异均具有统计学意义，综合6维方向摆位一致性累积分布A组显著优于B组，具有统计学差异（χ2=50.062，P=0.000）。

表3 乳腺癌放疗两种体位固定方式不同方向和旋转角度的摆位误差累积分布/%

表4 乳腺癌放疗两种体位固定方式不同方向和旋转角度的摆位一致性累积分布/%

3 讨论

OSMS通过减少体表轮廓的误差来提高放疗精度，目前研究表明体表轮廓与内部肿瘤位置有关联，近年来OSMS引导摆位已广泛应用于与体表皮肤位置关系密切的乳腺肿瘤中[15-18]，已被证实具有亚毫米精度[19]。真空垫与颈胸膜作为乳腺癌放疗常用的体位固定方式有各自的特点，颈胸模具有可塑性强、使用方便、制作简便等特性，能够固定患者头颈部并限制患者的不自主运动以及呼吸运动[20]。真空垫属于个性化体位固定方式，根据每位患者的体型特点进行塑形，对患者手臂、腰背部支撑效果好，紧贴患者身体限制患者不自主运动[21]，真空垫固定中OSMS在治疗期间实时监控并驱动门控开关，患者呼吸运动在阈值内时执行治疗，反之则自动中断治疗。

本研究摆位一致性和摆位一致性累积分布A组在x、y、Rtn、Pitch、Roll方向优于B组，主要原因在于：①B组颈胸膜固定由于患者腰背部、手臂缺乏支撑，体位缺乏限制，分次间患者身体姿势较A组真空垫固定易变，身体姿势改变造成基于刚性配准的OSMS提示误差准确性下降；②B组在扣颈胸膜时患者不可避免产生体位移动，造成结束摆位与CBCT扫描之间患者体位产生差异；③A组和B组患者获取OSMS参考图像分别在根据CBCT配准误差移床后直接获取以及移床治疗取下模具后获取，B组根据CBCT配准误差移床到获取OSMS参考图像时间间隔比A组长，时间间隔增加加大患者不自主运动可能性，取下模具过程亦可能造成患者体位的移动，使获取OSMS参考图像时患者体位与参考体位产生差异。

摆位一致性和摆位一致性累积分布B组在z方向优于A组，原因在于：① 头枕固定效果B组优于A组，头枕相对位置的变化会影响A组z方向摆位一致性；② 本中心对手臂上举功能不良患者偏重使用真空垫固定，上述患者手臂位置和手臂上举功能不良程度易随治疗进行发生变化，影响A组z方向摆位一致性。

表1和表3中，A组和B组6维方向摆位误差线性方向≤0.5 cm、旋转方向≤1.5°的累积分布比例分别为98.65%和97.54%，摆位误差和摆位误差累积分布A组和B组均满足临床要求，A组除z方向外均基本优于B组，分别与摆位一致性和摆位一致性累积分布的结果基本相同，分析原因为：摆位一致性和摆位一致性累积分布的差异造成A组和B组摆位误差和摆位误差累积分布的差异性。综合6维方向摆位一致性和摆位误差累积分布A组均优于B组，摆位一致性误差累积分布具有统计学差异，说明A组在摆位一致性和摆位误差累积分布方面整体优于B组。

需特别指出B组在y方向摆位一致性中位数（上四分位数～下四分位数）为0.32（0.18～0.48）cm，摆位一致性较差，而摆位误差为0.15（0.08～0.21）cm尚可。究其原因是因为B组OSMS参考图像在治疗结束取下模具后获取，OSMS引导摆位在扣膜之前进行，扣模具对患者y方向影响较大，造成y方向摆位一致性较差现象。本研究采用根据参考床值自动到位治疗，有效解决扣膜对y方向产生的影响，得到了摆位误差尚可的结果。

本研究不足之处在于：真空垫固定中头枕无法与真空垫相对位置绝对固定，产生了z方向摆位一致性不足的现象，后续研究中将使头枕更加稳固固定。颈胸膜固定扣模具时不可避免会产生患者体位的移动，后续研究中将尝试使用开放模具固定体位，扣模具后使用OSMS进一步微调患者体位，并可将开放区域作为ROI进行治疗中的实时监测。本研究中仅勾画胸部一个ROI，不包含头颈部、手臂等自由度高部位，后续研究将勾画胸部以及针对头颈部、手臂、患侧乳腺的多个ROI进行联合摆位。

综上所述，本研究表明乳腺癌术后放疗采用OSMS摆位时，真空垫和颈胸膜固定方式的摆位误差均在临床允许范围内；相对于CBCT摆位方式，采用OSMS摆位时，真空垫固定方式的摆位一致性整体优于颈胸膜并在一定程度上减少了摆位误差；真空垫固定方式可在治疗过程中对患者进行实时监测，综合考量固定效果较好，可使患者受益，在应用OSMS摆位时应予以优先考虑。