最大误差图像配准方法对肝癌患者摆位误差及外扩边界的影响

邓源，邹金华（通信作者），李新宇，许健柱，罗经杰，邝倍，林耿贤，叶锡渠

南方医科大学南方医院放疗科 （广东广州 510515）

肝癌是世界上发病率和病死率较高的癌症之一，放射治疗是目前治疗肝癌患者的主要方法之一。近年的研究结果显示，早、中、晚期肝癌患者均可接受放射治疗，并取得了较好的临床效果。目前，关于肝癌放射治疗的临床研究主要关注如何最大限度增加肝内肿瘤的受照射剂量，减少正常肝组织的受照射剂量，控制放射性肝损伤，减少放射性肝病（radiation induced liver disease，RILD）的发生。除系统误差外，肝脏受呼吸影响最大，上下有1～3 cm 的移动范围，器官移动变形所造成的靶区不确定性，可使肝癌放射治疗时从临床靶区（clinical target volume，CTV）至计划靶区（planned target volume，PTV）外扩过大，增加了正常肝脏的受照射剂量，并限制了放射治疗剂量的增加，也使得适形和调强放射治疗的优越性得不到充分发挥[1]。因此，在锥形束CT（cone beam CT，CBCT）引导下进行图像验证并纠正误差非常有必要，同时也可为CTV 至PTV 的外扩提供参考依据。

肝癌放射治疗摆位中采用热塑体膜联合发泡胶加Klarity 一体板固定。发泡胶可限制患者的左右和前后移动，提高治疗的精准度；而热塑体膜则可有效控制呼吸运动的影响。本研究通过图像引导放射治疗将定位CT 与放射治疗前获取的CBCT 图像进行对比，并通过肝脏软组织配准，得出精准的摆位误差；然后离线通过靶区内最大误差图像配准方法可得出最大误差值，根据Van Herk[2]推导的摆位扩边公式，外扩边界＝2.5Σ+0.7σ，可推算出CTV 至PTV 的外扩边界，尽可能以最小的外扩边界值保证覆盖肿瘤靶区、控制肿瘤的同时，减少危及器官的受照射剂量，降低治疗的不良反应，提高患者的生命质量。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2019年10月至2020年3月于我院行放射治疗的肝癌患者30例作为研究对象，均采用瓦里安VitalBeam直线加速器行图像引导放射治疗。30例患者中，男26例，女4例 ；年龄35～65岁，平均（55.4 ± 4.7）岁。本研究经医院医学伦理委员会批准，患者及其家属均自愿签署知情同意书。

纳入标准：（1）经病理检查确诊为肝癌；（2）病理分期为ⅠB ～ⅢB 期；（3）无远处转移；（4）临床资料完整；（5）卡氏功能状态评分≥70分。排除标准：（1）合并其他恶性肿瘤的患者；（2）精神障碍、认知障碍的患者；（3）依从性差，无法配合研究的患者。

1.2 方法

1.2.1 体位固定

30例患者均取仰卧位，只留内裤并双手抱肘置于额前，左手在上，热塑体膜联合发泡胶加Klarity 一体板固定。

1.2.2 计划CT 图像的采集

患者在CT 模拟定位机下定位，由激光定位系统进行体表标记，然后使用Philips 公司的大孔径BigBore 螺旋CT 模拟定位机以5 mm 层厚获取CT 增强扫描图像，扫描范围为主动脉弓至双肾下极，并将图像传输至计划系统，由临床医师参考相关文献[3-4]勾画靶区，物理师通过瓦里安计划系统软件完成放射治疗计划的设计。计划设计完成后，将计划CT 图像及患者的治疗中心信息传输至瓦里安的验证系统上，作为图像配准的参考图像。

1.2.3 CBCT 图像的获取

采用瓦里安VitalBeam 直线加速器的kV 级CBCT 进行扫描，参数为125 kV、 1 080 mAs，扫描角度为360°。每位患者第1次放射治疗前行CBCT 扫描，后续治疗期间每周行1次CBCT 扫描，进行在线校位，共扫描150次。

1.2.4 最大图像配准及摆位误差校正

图像配准功能由瓦里安VitalBeam 直线加速器的OBI 系统软件完成；将每次获取的CBCT 图像与计划 CT 图像进行自动+手动配准，得出校正前左右（LR） 、头脚（SI）和前后（AP）方向的摆位误差数据，离线通过靶区内最大误差图像配准方法可得出最大误差值，并通过此值计算外扩边界；若摆位误差过大或反复配准不能满意纠正时，需要重新摆位，再次行CBCT 扫描，必要时重新定位，若CBCT 扫描发现连续多次摆位呈同方向误差时，可调整等中心标记点。

1.3 观察指标

分析LR 、SI 和AP 方向的摆位误差，并计算CTV 至PTV 的LR、SI 和AP 方向上的外扩边界。

2 结果

2.1 误差分析

结果显示，30例患者LR、SI 和AP 方向的摆位误差分 别 为（0.014±0.287） cm、（0.048±0.363） cm 和（0.028±0.229） cm。

2.2 CBCT 分次间摆位误差

30例患者共扫描150次，通过最大误差图像配准后的摆位误差见表1。

表1 30例肝癌患者的摆位误差（cm，±s）

表1 30例肝癌患者的摆位误差（cm，±s）

注：负值代表相反方向；LR 为左右方向，SI 为头脚方向，AP 为前后方向

序号 LR SI AP 1 -0.05±0.21 0.12±0.07 -0.08±0.04 2 0.07±0.05 0.15±0.31 0.13±0.08 3 -0.14±0.24 0.22±0.10 0.20±0.17 4 0.01±0.12 0.08±0.25 0.04±0.12 5 -0.23±0.22 0.10±0.22 0.03±0.08 6 -0.13±-0.15 0.25±0.09 0.05±0.04 7 -0.06±0.17 -0.03±0.23 -0.09±0.11 8 0.10±0.12 0.23±0.13 0.13±0.09 9 0.10±0.07 0.06±0.21 0.03±0.15 10 0.13±0.12 -0.10±0.17 0.20±0.14 11 0.22±0.15 -0.08±0.41 0.07±0.16 12 0.13±0.15 -0.07±0.30 0.02±0.13 13 -0.13±0.15 0.14±0.27 0.02±0.08 14 0.18±0.16 -0.05±0.19 0.17±0.12 15 0.25±0.08 0.12±0.21 -0.08±0.04 16 -0.17±0.01 0.34±0.08 0.17±0.02 17 -0.21±0.09 0.01±0.27 -0.04±0.10 18 0.10±0.10 0.13±0.12 0.05±0.14 19 -0.06±0.07 -0.14±0.17 -0.08±0.09 20 -0.09±0.18 -0.48±0.20 -0.02±0.09 21 0.30±0.09 -0.05±0.31 0.04±0.18 22 0.25±0.22 -0.30±0.15 0.05±0.09 23 -0.13±0.06 -0.13±0.16 0.10±0.10 24 0.02±0.13 0.40±0.28 0.08±0.12 25 0.03±0.22 0.28±0.34 0.18±0.15 26 -0.03±0.08 0.16±0.15 -0.09±0.07 27 -0.08±0.07 -0.25±0.27 0.05±0.10 28 -0.28±0.17 0.04±0.35 -0.27±0.09 29 -0.15±0.24 -0.13±0.14 0.07±0.15 30 -0.08±0.07 0.35±0.25 -0.13±0.15

2.3 不同方向的摆位误差构成比

30例患者不同方向的摆位误差构成比见表2。由表2可知，误差多数≤0.3 cm，而＞0.3～＜0.4 cm 的误差主要集中在SI 方向。

表2 150组CBCT 扫描图像不同方向的摆位误差构成比[次（%）]

2.4 CTV 外扩边界

样本总体系统误差（Σ）用个体系统误差的标准差表示，总体随机误差（σ）用个体随机误差的均方根表示。根据摆位扩边公式，外扩边界=2.5Σ+0.7σ，可得到CTV 至PTV的LR、SI、AP 方向上外扩边界分别为0.643、0.771、0.488 cm，见表3。

表3 30例患者的外扩边界（cm）

3 讨论

随着放射治疗技术的快速发展，临床对摆位误差的要求也越来越高。国际辐射单位与测量委员会（International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU）认为，3种来源的几何不确定性可能妨碍计划的实施：患者的摆位变化、器官运动及形状改变、机器的相关误差（通常被认为比前两种误差小）。分次间摆位误差通常包括系统误差和随机误差[5]。肝癌患者摆位中除存在系统误差外，肝脏会随着呼吸产生一定的运动，这种运动导致的随机误差是不可忽略的；同时，在图像配准时也会产生一定的误差。有研究指出，椎体不适于作为肝癌图像引导放射治疗的参照物[6]；可将肝脏等软组织或肿瘤本身作为配准目标，这是因为在肿瘤定位中软组织信息比其他代替方法（如骨解剖）更为重要[7]。此外，有研究指出，肝脏配准结果与手动配准结果最为接近，使用配准软件自动肝脏配准可用于肝癌图像引导放射治疗，但每次图像引导时均需有经验的医师和治疗师共同参与，且自动配准完成之后应根据肝脏外轮廓进行手动校正[8]。精准放射治疗时代的目标是亚毫米级，纯手动校正已无法做到，因此，整个放射治疗过程主要利用图像引导技术。图像引导放射治疗已成为精准复位和确定外扩边界的一个重要方式，其不仅能修正摆位误差，还能监测器官运动、特殊体位的变化，实现肝癌病灶精准定位和剂量的合理分布，并能实时观察肿瘤病灶的变化情况[9]。有研究显示，图像引导放射治疗提高了肿瘤控制率，缩短了放射治疗时间，适合于各期肝癌患者的治疗[10]。

患者放射治疗前需行CBCT 扫描，通过CBCT 图像和CT 图像采用最大误差配准，得出LR、SI 和AP 方向的摆位误差，为了使靶区覆盖肿瘤的运动范围，在计划设计时需在CTV 上外扩一定的边界，形成PTV。Van Herk[2]经典公式指出，为使90%的患者CTV 累积剂量达处方剂量的95%以上，CTV 至PTV 的外扩边界至少应为2.5Σ+0.7σ。本研究结果显示，CTV 至PTV 的LR、SI、AP 方向上外扩边界分别为0.643、0.771、0.488 cm。分析原因为：肝脏作为上腹部脏器对呼吸极为敏感，而热塑体膜固定可在一定程度上限制呼吸运动的影响，减少AP 方向上的误差；而SI 方向上误差为最大，可能与固定方式或皮肤牵拉导致标志线移位等因素有关。

综上所述，放射治疗中CTV 受多种因素的影响，可通过固定装置、固定方式的选用或改进控制摆位、呼吸产生的误差；同时，根据科室的情况，分析研究摆位误差，得出合理的外扩边界；合理的外扩边界可确保靶区受到足够的照射剂量，并最大限度减少正常组织的受照射剂量，进而有效改善患者的生命质量。