光学体表引导摆位在乳腺癌保乳放疗中的应用*

刘金迪,朱秋芳,王亚娟,何振宇,陈雪梅△

1华南肿瘤学国家重点实验室、中山大学肿瘤防治中心放疗科(广东广州 510060); 2中国医学科学院肿瘤医院深圳医院放疗科(广东深圳 518116)

乳腺癌是目前女性最常见的恶性肿瘤之一[1]。随着现代医学的进步,保乳术后联合放疗能有效提高局部控制率和长期生存率[2],放射治疗的准确性依赖于患者体位的重复性和剂量投递的准确性[3]。摆位方式的重复性会影响误差精度,有研究表明,患者通过体表复位标记线摆位的误差较大[4-5],如何改进是临床治疗中需要研究的重点和难点。锥形束计算机重组断层图像(cone-beam computed tomography,CBCT)采集患者断层影像与计划CT对比,虽能有效提高平移方向摆位的准确性,但若需校正患者的旋转误差,则需多次重复成像引导摆位,使危及器官的额外辐射风险显著增加[6-7]。光学体表引导放疗(surface guided radiation therapy,SGRT)技术可通过光学体表监测系统(optical surface monitoring system,OSMS)实现[8],OSMS具有亚毫米级精度和无辐射的特点,可以快速获取患者的表面影像并与参考体表轮廓相比较,进行六维摆位误差配准,实时快速地纠正患者体位,通过采集患者体表数据即可引导分次间摆位到靶区等中心层面。光学体表引导摆位已逐渐应用于放疗实践[9-10],既往文献多数认为在乳腺癌的应用中OSMS摆位是非常准确的,但也有研究证明该系统无法取代体表标记线[4]。在本项研究中,拟对乳腺癌保乳放疗患者使用OSMS引导摆位,以CBCT配准结果为金标准,比较OSMS与CBCT的差值(surface guidance,SG)和体表标记线与CBCT的差值(skin marker,SM)之间的差异,评估OSMS和CBCT之间的一致性,并计算SG和SM的外扩边界,从而探讨OSMS摆位应用于乳腺癌保乳放疗中的准确性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性分析2021年7月至2022年1月ELEKTA infinity加速器行乳腺癌保乳放疗的40例患者。年龄28～60岁,年龄中位数为45岁,均为女性。所有患者均签署知情同意书,并通过伦理委员会批准(B-2023-152-01)。

入组标准:(1)卡式评分≥60;(2)年龄20～60岁;(3)所有患者病理诊断均为乳腺癌,且已接受保乳手术;(4)术后分期为T1-2N0-2M0期病例。

排除标准:(1)既往胸部放疗史;(2)同时双侧乳腺癌;(3)接受乳房重建术;(4)存在放疗禁忌证。

1.2 主要设备 ELEKTA Infinity直线加速器,光学体表监测系统OSMS(Vision RT,London,United Kingdom)、Philips 16排螺旋CT模拟定位机、Monaco放疗计划系统、碳纤维头颈肩架、医用发泡胶、三维激光灯定位系统等。

1.3 实验方法

1.3.1 体位固定 所有患者的体位固定装置采用“碳纤维头颈肩架+发泡胶”组合固定。利用激光灯使患者身体正中矢状面平行于治疗床中线。患者采用仰卧位、双手上举、头偏向健侧,使胸壁充分暴露。将异氰酸聚亚甲基聚亚苯基酯和复合聚醚类多元醇两种液体迅速摇匀后倒入自制防水布袋内,调整患者身体保持水平,使头颈部、上腹部、双臂塑形完整,等待7～10 min后发泡胶变硬。制作完毕后让患者重新躺入,检查患者体位与发泡胶的贴合性与稳定性。

1.3.2 CT模拟定位和计划设计 患者仰卧躺在发泡胶上,利用激光定位系统在患者大约第10胸椎层面与两侧腋中线交点处标记患者摆位点,用直径1 mm的金属标记CT mark点。然后使用Philips 16排螺旋大孔径CT模拟定位机采集图像,扫描层厚为5 mm,管电压为120 kV,扫描范围为第2颈椎上缘到第2腰椎下缘。将扫描后得到的CT图像导入Monaco放疗计划系统,由医生和剂量师进行靶区勾画和计划设计。根据肿瘤的分期、病理类型等,每例患者治疗总次数25～30次,总剂量50～60 Gy,其中A段常规放疗25次/50 Gy、B段瘤床补量5次/10 Gy,单次剂量2 Gy/d。

1.3.3 AlignRT参数设置 将治疗计划和CT体表外轮廓导入OSMS系统。勾画感兴趣区(region of interest,ROI),用于引导摆位。ROI的勾画原则为:体表稳定的三维曲面,包含等中心层面,不包括呼吸运动或生理变化较大的不稳定体表(如腹部,腋窝、手臂、锁骨等),并充分暴露皮肤,本研究ROI勾画如图1所示。设置左右(ML)、头脚(SI)、前后(AP)3个平移方向的阈值为±0.3 cm,Yaw、Roll、Pitch 3个方向的角度±3°。为避免影像探测板、臂架对摄像头的遮挡,每次采集体表图像需保证机架在0°或180°。

1.3.4 图像采集 使用ELEKTA的XVI成像系统进行CBCT扫描。kV准直器参数设置为M20,滤线器参数设置为F1,扫描电压120 kV,机架转速360°/min,扫描角度360°。配准框的范围和大小包括计划靶体积(planning target volume,PTV)和周边重要结构(危及器官),并以靶区及乳腺轮廓进行配准。CBCT配准方式选取“自动灰度配准GreyT+R+手动调整”的方法,为避免心、肺受到过高的辐射剂量,配准时以胸壁内缘为基准。

1.4 治疗流程 所有患者在分次治疗前均使用OSMS引导摆位,步骤如下:先通过激光灯对准CT mark点,确定患者与固定器之间的相对位置,再打开OSMS系统,移床至等中心附近后,根据系统提示的六维方向误差,手动微调患者身体,纠正误差在±1 mm(±2°)以内,记录此时等中心点的对应床值。前3次行CBCT扫描配准,后每周至少行1次CBCT扫描。根据配准结果调整治疗床,进行移床修正,记录CBCT校准后等中心对应的床值及旋转误差。CBCT配准移床后,若OSMS六维方向的误差≥2 mm(2°),OSMS需重新抓取此时的体表轮廓作为后续引导摆位的参考体表;否则继续沿用之前的参考体表影像。治疗结束后,将激光移至复位体表标记线上,并记录此时的床值。

1.5 数据收集 40例患者在整个治疗流程中共扫描325次,每次扫描需记录3组ML、SI、AP方向的数据:CBCT扫描前OSMS摆位的床值、配准后的床值和复位标记线对应的床值。计算OSMS与CBCT的差值SG和体表标记线与CBCT的差值SM,共325组数据。统计所有数据中两者的平移误差分布,计算SG和SM的靶区外扩边界。van Herk等[11]提出:为确保90%患者CTV(clinical target volume)至少接受95%的处方剂量,CTV-PTV(planning target volume)外放公式MPTV(外放)=2.5Σ+0.7σ,系统误差用每位患者误差均值的标准差Σ表示,随机误差用误差标准差的均方根σ表示。患者治疗时均使用的是三维床,因此为了分析摆位时的六维旋转角度,本研究对325次扫描图像进行重新配准和记录旋转误差。

1.6 统计学方法 采用SPSS 25.0统计软件对数据进行分析。先对SM和SG的平移和旋转误差数据进行Shapiro-Wilk(S-W)正态性检验,结果不符合正态分布,用M(P25,P75)表示,两组比较行秩和检验,P<0.05表示为差异有统计学意义。采用Bland-Altman法分析各点的偏移情况,评估SG与CBCT的一致性。

2 结果

2.1 摆位误差统计结果

2.1.1 SM摆位和SG摆位的平移误差 平移方向对40例患者的325次三维摆位偏差和频值分布作统计分析。SG在ML、SI、AP方向平移误差绝对值≤0.3 cm分别为94.2%、81.5%、76.0%;SM为79.4%、65.2%、40.9%,分别减少了14.8%、16.3%、35.1%。SG摆位在ML、SI、AP方向平移的误差明显小于SM摆位,差异均有统计学意义(P<0.05),见表1。

表1 40例SM摆位和SG摆位放疗患者平移误差统计 M(P25,P75)

2.1.2 3种旋转方向误差分析 OSMS摆位时,旋转误差数据均不符合正态分布,用M(P25～P75)表示,Pitch、Roll、Yaw 3个方向上的旋转角度分别为-0.10(-0.60～0.30)°、0.00(-0.40～0.45)°、0.10(-0.20～0.90)°,旋转误差的中位数在0°上下浮动,且绝大多数误差分布在±2°以内,见图2。

注:A:Pitch旋转;B:Roll旋转;C:Yaw旋转

2.2 OSMS与CBCT配准的相关性分析 在ML、SI、AP 3个平移方向上,散点在标准线差内均匀分布,均值分别为0.03 cm、0.01 cm、0.13 cm,95%的一致性界限为(-0.30～0.35)cm、(-0.38～0.40)cm、(-0.21～0.48)cm,见图3。

注:A:SG与CBCT的ML方向摆位误差差异;B:SG与CBCT的SI方向摆位误差差异;C:SG与CBCT的AP方向摆位误差差异

2.3 SM和SG的外扩边界计算 SM摆位的外扩边界值分别为0.66 cm、0.82 cm、0.93 cm,远大于SG摆位的0.36 cm、0.38 cm、0.30 cm。本中心的M值为5 mm,SG的外扩值均在5 mm以内,是完全满足临床要求的,见表2。

表2 40例患者的外扩边界计算 cm

3 讨论

在前3次治疗中通过OSMS引导摆位,获取1个患者体位重复性好、最大程度接近计划设计时的体位作为参考体表。通过比较体表标记线和SG摆位的治疗等中心的对应床值,分析发现SG(0～0.10 cm)在ML、SI、AP方向的平移误差均小于SM(0～0.30 cm),特别是在AP方向上,SG具有非常明显的优势。Hattel等[4]认为使用SG和SM摆位的差异并不大,误差的均方根值仅从0.54 cm降低至0.42 cm,在AP轴方向上并无差异;Stanley等[12]发现SG的配准误差是0.6 cm,明显小于SM的1.4 cm,减少的幅度虽大,但误差仍>0.5 cm,本研究与两者的结论均有差异,使用SG摆位的误差为0.10 cm,远<0.6 cm,证明了SG引导摆位的准确性和可行性。通过放疗的进程,患者皮肤表面的标记线可能会产生一定的变化,如乳房变形肿胀等,在摆位时因对准标记线产生的皮肤牵拉会导致靶区中心与标记并不一致,这可能是体表标记线摆位产生较大误差的重要因素。而OSMS系统提供了一种准确简便的方式来检测和量化放疗过程中的乳腺水肿[13],每周至少1次的CBCT扫描和摆位参考体表的更新,是提高患者摆位精度的最大助力。本研究还对ML、SI、AP 3个平移方向误差绝对值≤0.3 cm的范围进行了统计,结果显示SG占比为76.0%～94.2%,比SM高14.8%～35.1%。Kügele等[14]使用SM和SG两种方法基于正交成像配准发现,SG摆位误差结果明显优于SM。Shah等[15]对50例接受全乳腺放疗的患者进行研究,结果显示SG辅助摆位的误差≤0.3 cm的比例高达80%以上,与本研究相似。

患者治疗时未使用六维床校正旋转误差,通过回顾性分析的方式获取了40例患者325次CBCT扫描数据,结果发现Pitch、Roll、Yaw 3个旋转方向的误差中位数为-0.10°、0.00°、0.10°,且三个方向的旋转误差绝大多数分布在±2°以内,说明SG摆位与CBCT在旋转方向上具有高度的一致性。在平移方向上,本研究利用Bland-Altman法评估SG与CBCT的一致性,仅有0.1%分布在95%一致性界限以外,在ML、SI、AP 3个平移方向其差值的平均值为0.03 cm、0.01 cm、0.13 cm,说明SG摆位与CBCT在平移方向上同样具有较好的一致性,与Ma等[16]的研究结果相同。Walter等[17]采用光学体表摆位将45例保乳术后全乳腺放疗患者平均分成3组:SM组、SM+SRGT组、SGRT组,并与正交影像DRR图进行比较,3种摆位技术的三维总体偏差均值分别为0.38 cm、0.28 cm、0.27 cm,大于本研究结果中均值。本研究结果显示,在95%的一致性界限范围内,差值的最大绝对值分别为0.30 cm、0.40 cm、0.40 cm,这种差异是临床可以接受的,与以往报道[18-19]基本一致。这为减少CBCT的使用频率提供了有力证据,在治疗分次不进行CBCT扫描时,可以直接用OSMS辅助摆位。

本研究通过计算SM和SG的系统误差和随机误差,得到了两种不同摆位方式的PTV外扩边界,SG摆位的各方向外扩边界值均<0.40 cm,远小于SM的外扩边界值0.66 cm、0.82 cm和0.93 cm,说明OSMS引导摆位可以显著降低日常治疗的PTV外扩边界。但对于日常仅使用SM摆位的患者而言,使用5 mm的外扩边界是远远不够的,需要将外扩值调整到10 mm。在Hlavka等[20]发现使用体表标记线摆位时,外扩边界需要扩大至12 mm,而使用IGRT进行每天校正时,外扩边界仅需6 mm,两种摆位方式的结果均大于本研究的外扩值;Liu等[21]使用光学体表摆位后计算保乳术后放疗患者的外扩边界值均<5 mm,与本研究结果一致。为降低摆位误差的影响,增大PTV外扩边界是否能保证放疗的安全呢?Zhou等[22]的研究证明增加外扩边界能保证靶区的覆盖率,但与此同时会降低危及器官的剂量限制,肺、心脏等受照剂量可能会增加,因此更小的PTV外扩边界才是乳腺癌放疗的最优选择。

本研究证明了SG摆位在乳腺癌放疗中的可行性,但也有不足之处。局限性之一在于没有设立对比组,SG和SM的误差对比仅属于纵向比较,无法获取SM摆位对应的旋转角度;之二在于本研究仅收集了摆位分次间数据,并没有监控患者治疗的分次内运动。在未来的研究中,还可以考虑让患者在深吸气屏气状态下放疗,延伸探讨分次间和分次内误差的变化,并评估局部残余误差的影响。

综上所述,OSMS摆位均有无辐射、高精度、高效率、低成本的特点,可有效提高摆位精度,减少PTV外扩边界。OSMS与CBCT在六维误差上的一致性,可适当降低CBCT的使用频率,避免患者在放疗过程中接受过多额外的辐射剂量。在乳腺癌保乳放疗中,SGRT技术的使用具有较好的临床应用价值。

利益相关声明:本研究由署名作者按以下贡献声明独立开展,排名无争议。论文不涉及任何利益冲突。

作者贡献说明:刘金迪负责进行实验、撰写论文;朱秋芳负责文献调研与整理并收集数据;王亚娟负责收集数据;何振宇负责实验过程中难题解惑;陈雪梅负责提出研究方向、设计研究思路、实施研究过程并参与论文修订。