引用本文： 王海濤, 周繼丹, 曾露, 葉程偉, 鐘仁明. 光學表面成像引導熱塑模固定盆腔腫瘤放射治療的臨床可行性研究. 華西醫學, 2021, 36(3): 391-395. doi: 10.7507/1002-0179.201907124 復制
現代的放射治療（放療）計劃系統可以提供嚴格一致的劑量分布，具有陡峭的劑量梯度，以便保護在靶區附近的正常組織和危及器官，治療時必須對患者進行準確的擺位以提高放療精度[1-2]。影響盆腹部腫瘤放療精度的主因素為放療分次間的擺位誤差（系統誤差、隨機誤差），胃腸道運動、膀胱直腸充盈等也對精度產生影響[3]。圖像引導放射治療（image-guided radiation therapy，IGRT）技術的出現讓精度得以提高。IGRT 技術主要包括電子射野影像裝置、平片及錐形束 CT（cone beam CT，CBCT）等，CBCT 是目前 IGRT 最常用的方式。但是，每次 CBCT 掃描會對其他組織施加 5～83 mGy 的額外輻射劑量[4]，同時也不能實現分次內的誤差監測。因此，用無輻射且能對患者進行實時動態監測的技術已成為放療領域研究的新方向。光學表面成像（optical surface imaging，OSI）系統能夠重建出患者的三維表面圖像[5]，基于患者表面跟蹤的掃描，將實時體表影像與參考影像進行形變配準引導擺位，獲得擺位位移且無創零劑量，治療期間可實時監測患者身體運動情況，實現實時無輻射地監測分次內誤差[6-7]。盆腔腫瘤放療常采用熱塑模固定，采用三點式激光標記線擺位，通常存在較大的擺位誤差。本研究以 CBCT 為參考標準，比較 OSI 系統與傳統三點式激光的擺位，分析 OSI 系統在熱塑模固定盆腔腫瘤放療的臨床可行性研究。現報告如下。
1 資料與方法
1.1 臨床資料
選取四川大學華西醫院 2019 年 1 月—5 月采用熱塑模固定的盆腔腫瘤患者 20 例，其中男 14 例，女 6 例；年齡 32～78 歲，中位年齡 52 歲。收集到 CBCT 和 OSI 配準數據共計 155 對。本研究已通過四川大學華西醫院生物醫學倫理委員會審查，審批號：2018 年審（178）號。
1.2 OSI 系統
OSI 系統采用瑞典 C-RAD AB 公司 Catalyst 系統，其由 3 個大功率的二極管和電荷耦合器件攝像頭 2 個部分組成，發光源可發射波長分別為 405、528、624 nm 的藍色、綠色、紅色 3 種顏色的可見光。在使用時 Catalyst 發出藍色光且以 202 幀/s 的頻率進行探測；再由相機捕獲皮膚的激光反射，通過光學三角法[8]確定反射線的位置。獲取到的圖像與參考圖像匹配，紅光和綠光作為位置提示光，配對有誤差時會通過紅光和綠光在配對沒有重合的地方提示，我們可通過觀察設備投到體表不同的顏色來局部糾正擺位。
1.3 OSI 使用流程和數據的采集
研究中 OSI 參考圖像由 Catalyst 獲取，首次治療在擺位完成后經 CBCT 掃描糾正擺位誤差后再從機架為 0° 或 180° 拍照并保存作為后期擺位的參考圖像，建立患者經校準驗證的表面標記，然后選擇感興趣的區域進行監測，并通過調整 Catalyst 中的增益和整合時間等參數來調整圖像的質量。后期治療先以傳統三點式標記擺位，記錄傳統三點式標記擺位后 OSI 誤差數據，然后 CBCT 掃描糾正誤差，若誤差在 Catalyst 閾值范圍內直接出束治療（閾值為任意平移方向超過 2 mm），超過誤差閾值則對 Catalyst 數值置零后繼續監測分次內誤差。
1.4 CBCT 圖像的獲取和數據采集
擺位完成后通過 CBCT 掃描獲取連續圖像并對圖像進行 3D 重建，本研究掃描時機架逆時針旋轉，掃描范圍為 50～210°，掃描時 CBCT 的參數為電壓 120 kV、曝光電流時間積 310 mAs、S20 過濾。掃描結束后與計劃 CT 圖像進行骨性平移和旋轉（Bone T+R）方向上的配準。記錄平移方向 X（左右）、Y（頭腳）、Z（前后）和旋轉方向 Rx（繞 X 軸）、Ry（繞 Y 軸）、Rz（繞 Z 軸）的誤差數據并通過移動治療床糾正。但由于加速器未采用 6D 治療床，不能糾正旋轉誤差，所以當 Rx、Ry、Rz 這 3 個方向的旋轉大于 3° 時要重新對患者進行擺位，再次掃 CBCT 進行圖像配準和誤差的糾正。由于采用三點式激光擺位后進行 CBCT 掃描，本研究將 CBCT 掃描結果作為“金標準”，將 CBCT 掃描的結果定義為三點式擺位誤差；OSI 擺位誤差與 CBCT 掃描結果的差異定義為 OSI 的精度[9]；由于 OSI 系統獲取的誤差數據是采用三點式激光擺位后的結果，因此將 OSI 擺位誤差數據定義為 OSI 與三點式激光擺位的差異。外擴邊界采用 van Herk 等[10]建議的公式計算：PTV=2.5Σ+0.7σ，其中 PTV 為計劃靶區；Σ 為系統誤差，是每例患者誤差均值的標準差；σ 為隨機誤差，是每例患者誤差均值標準差的均方根。
1.5 統計學方法
采用 SPSS 22.0 軟件進行統計分析。計量資料以均數±標準差表示，CBCT 和 OSI 擺位誤差數據在平移方向左右、頭腳、前后和旋轉方向 Rx、Ry、Rz 進行配對樣本 t 檢驗。采用 Pearson 相關分析 CBCT 和 OSI 在 6D 方向誤差的相關性。雙側檢驗水準 α=0.05。
2 結果
2.1 CBCT 掃描結果和 OSI 擺位誤差差異檢驗結果
20 例患者共 155 組數據，對該數據進行分析。配對 t 檢驗結果顯示，CBCT 和 OSI 除 Rz 方向差異有統計學意義（P<0.05）外，其余方向差異均無統計學意義（P>0.05）。見表 1。
表1
20 例患者 CBCT 和 OSI 誤差配對 t 檢驗結果（n=155，
）
2.2 CBCT 掃描誤差及邊界與 OSI 精度及邊界
OSI 在左右、頭腳、前后方向的系統誤差分別為 0.14、0.37、0.14 cm，隨機誤差分別為 0.20、0.57、0.23 cm，相應邊界分別為 0.49、1.32、0.51 cm。見表 2。
表2
CBCT 掃描誤差及邊界與 OSI 精度及邊界（cm）
2.3 OSI 與三點式激光擺位的差異
OSI 與三點式激光擺位的差異主要集中在頭腳方向，系統誤差與隨機誤差分別為 0.25 cm 與 0.34 cm。見表 3。
表3
OSI 與三點式激光擺位的差異
2.4 三點式激光擺位和 OSI 擺位不同邊界下靶區覆蓋率
在 0.8 cm 邊界下，三點式激光擺位和 OSI 擺位在左右、頭腳及前后方向靶區覆蓋率比例分別為 100.00%、80.65%、100.00% 和 100.00%、95.48%、99.35%。三點式激光擺位和 OSI 引導擺位在±0.2、±0.4、±0.6、±0.8 cm 邊界下左右、頭腳、前后方向靶區覆蓋的比例詳見圖 1。
圖1
三點式激光擺位和 OSI 擺位不同邊界下靶區覆蓋率
a. 三點式激光擺位；b. OSI 引導擺位。
2.5 三點式激光擺位和 OSI 擺位在 6D 方向相關性
在平移左右、頭腳方向 CBCT 和 OSI 2 個系統的擺位相關性具有統計學意義（P<0.05），但是呈弱相關；其余方向相關性均無統計學意義（P>0.05）。CBCT 和 OSI 相關性詳見表 4，6D 方向的誤差數值相關分布詳見圖 2。
表4
155 次治療 CBCT 和 OSI 在 6D 方向相關性
圖2
CBCT 和 OSI 在 6D 方向的數值分布
a～c. 分別為
3 討論
OSI 系統通過實時獲取的表面影像與原來采集的參考影像配準，以指導擺位和監測分次內運動。參考影像可在第一次治療時經過 CBCT 掃描驗證糾正擺位誤差后采集，這樣可以減少隨著時間變化患者身體變化而造成的誤差，這樣獲取的表面參考影像的配準精度較高[11]。Stieler 等[12]與 Kim 等[13]相關研究表明，在頭部和胸部，OSI 在 6D 方向的擺位誤差均<2 mm/2°。Wiersma 等[14]的研究表明，盆部、腹部在左右方向的誤差值均在 2～3 mm，頭腳、前后方向誤差值均在 4.5～5.5 mm，各個方向的旋轉均在 2°以內。楊露等[15]的研究表明 OSI 引導治療 CBCT-OSI 在左右、頭腳、前后方向上的誤差分別為（0.13±3.83）、（1.01±6.96）、（0.78±4.07）mm。本研究分析了 OSI 在盆腔腫瘤引導擺位的精度和實用性，研究數據表明用 ISO 引導放療擺位在平移方向誤差差值均<0.1 cm，旋轉誤差方向<0.5°。但是在誤差中出現和以上研究相同的問題，在所有方向的誤差中頭腳方向誤差相對較大，其余方向誤差很小，說明 OSI 系統在整個臨床的應用中在頭腳方向誤差較大。
與文獻報道的結果類似，本研究中 CBCT 與 OSI 誤差結果配對檢驗雖然多無統計學差異，但是兩者相減代表 OSI 的精度，研究結果顯示在左右與前后方向的差異較小，但是在頭腳方向仍有較大差異（系統誤差與隨機誤差分別為 0.37 與 0.57 cm），采用臨床上計算外擴邊界的公式 PTV=2.5Σ+0.7σ[10] 進行計算，相應的邊界為 1.32 cm。CBCT 和 OSI 在平移左右、頭腳方向的擺位相關性具有統計學意義，但是呈弱相關（相關系數最高 0.332），其余方向均無統計學意義。臨床放療中對盆腔腫瘤常采用 0.8 或 1.0 cm 的外擴邊界，本研究采用 0.8 cm 分析三點式激光擺位和 OSI 擺位在左右、頭腳、前后方向靶區覆蓋的比例，結果顯示 OSI 與三點式激光擺位的靶區覆蓋率基本一致，在頭腳方向的覆蓋率均在 80% 左右。如果沒有 CBCT 引導，只是采用 OSI 擺位在頭腳方向需要 1.28 cm 的邊界。以上結果說明，利用 OSI 擺位測量的結果不能代替 CBCT 進行擺位引導。
傳統三點式激光擺位后 OSI 測量到的誤差結果即 OSI 擺位與傳統三點式激光擺位的差異，該結果表明采用這 2 種擺位獲取的結果仍有一定誤差，主要集中在頭腳方向。這與 Pallotta 等[16]報道胸部腫瘤應用 OSI 系統以及 Wiersma 等[14]對腹、盆部的研究結果很相似，均有效地佐證了 OSI 系統在引導非剛性結構放療中以頭腳方向的差異最為明顯。
值得注意的是，不同顏色的表面需要在 OSI 中設置不同增益與吸收時間以完整地獲取該表面的影像。本研究中患者均采用熱塑模固定，增益設置為 200%，整合時間為 2 000 μs，該設置對黃色的皮膚不能顯示其表現影像，只能獲取熱塑模的影像，因此其誤差結果只能代表熱塑模的固定效果。熱塑模不能代替盆腔腫瘤患者的外輪廓，同時，患者外輪廓與靶區位置相關性受到患者體重、外輪廓、直腸、膀胱充盈等相關因素的影響。因此，在盆腔腫瘤放療中，如果需要采用熱塑模固定，應采用 0.43、1.28、0.39 cm 的外擴邊界；如采用 OSI 進行引導，采用真空墊、發泡膠等固定方式避免對患者體表輪廓的覆蓋。而 OSI 在盆腔腫瘤放療中的效用應進一步研究。
綜上所述，采用熱塑模對盆腔腫瘤患者進行固定，在頭腳方向存在較大的擺位誤差；相比傳統三點式擺位，OSI 并不能提高熱塑模固定盆腔腫瘤放療的擺位精度；OSI 獲取的是熱塑模的影像，熱塑模與患者實際靶區位置存在較大差異，應在臨床運用中改進其使用方法。
現代的放射治療（放療）計劃系統可以提供嚴格一致的劑量分布，具有陡峭的劑量梯度，以便保護在靶區附近的正常組織和危及器官，治療時必須對患者進行準確的擺位以提高放療精度[1-2]。影響盆腹部腫瘤放療精度的主因素為放療分次間的擺位誤差（系統誤差、隨機誤差），胃腸道運動、膀胱直腸充盈等也對精度產生影響[3]。圖像引導放射治療（image-guided radiation therapy，IGRT）技術的出現讓精度得以提高。IGRT 技術主要包括電子射野影像裝置、平片及錐形束 CT（cone beam CT，CBCT）等，CBCT 是目前 IGRT 最常用的方式。但是，每次 CBCT 掃描會對其他組織施加 5～83 mGy 的額外輻射劑量[4]，同時也不能實現分次內的誤差監測。因此，用無輻射且能對患者進行實時動態監測的技術已成為放療領域研究的新方向。光學表面成像（optical surface imaging，OSI）系統能夠重建出患者的三維表面圖像[5]，基于患者表面跟蹤的掃描，將實時體表影像與參考影像進行形變配準引導擺位，獲得擺位位移且無創零劑量，治療期間可實時監測患者身體運動情況，實現實時無輻射地監測分次內誤差[6-7]。盆腔腫瘤放療常采用熱塑模固定，采用三點式激光標記線擺位，通常存在較大的擺位誤差。本研究以 CBCT 為參考標準，比較 OSI 系統與傳統三點式激光的擺位，分析 OSI 系統在熱塑模固定盆腔腫瘤放療的臨床可行性研究。現報告如下。
1 資料與方法
1.1 臨床資料
選取四川大學華西醫院 2019 年 1 月—5 月采用熱塑模固定的盆腔腫瘤患者 20 例，其中男 14 例，女 6 例；年齡 32～78 歲，中位年齡 52 歲。收集到 CBCT 和 OSI 配準數據共計 155 對。本研究已通過四川大學華西醫院生物醫學倫理委員會審查，審批號：2018 年審（178）號。
1.2 OSI 系統
OSI 系統采用瑞典 C-RAD AB 公司 Catalyst 系統，其由 3 個大功率的二極管和電荷耦合器件攝像頭 2 個部分組成，發光源可發射波長分別為 405、528、624 nm 的藍色、綠色、紅色 3 種顏色的可見光。在使用時 Catalyst 發出藍色光且以 202 幀/s 的頻率進行探測；再由相機捕獲皮膚的激光反射，通過光學三角法[8]確定反射線的位置。獲取到的圖像與參考圖像匹配，紅光和綠光作為位置提示光，配對有誤差時會通過紅光和綠光在配對沒有重合的地方提示，我們可通過觀察設備投到體表不同的顏色來局部糾正擺位。
1.3 OSI 使用流程和數據的采集
研究中 OSI 參考圖像由 Catalyst 獲取，首次治療在擺位完成后經 CBCT 掃描糾正擺位誤差后再從機架為 0° 或 180° 拍照并保存作為后期擺位的參考圖像，建立患者經校準驗證的表面標記，然后選擇感興趣的區域進行監測，并通過調整 Catalyst 中的增益和整合時間等參數來調整圖像的質量。后期治療先以傳統三點式標記擺位，記錄傳統三點式標記擺位后 OSI 誤差數據，然后 CBCT 掃描糾正誤差，若誤差在 Catalyst 閾值范圍內直接出束治療（閾值為任意平移方向超過 2 mm），超過誤差閾值則對 Catalyst 數值置零后繼續監測分次內誤差。
1.4 CBCT 圖像的獲取和數據采集
擺位完成后通過 CBCT 掃描獲取連續圖像并對圖像進行 3D 重建，本研究掃描時機架逆時針旋轉，掃描范圍為 50～210°，掃描時 CBCT 的參數為電壓 120 kV、曝光電流時間積 310 mAs、S20 過濾。掃描結束后與計劃 CT 圖像進行骨性平移和旋轉（Bone T+R）方向上的配準。記錄平移方向 X（左右）、Y（頭腳）、Z（前后）和旋轉方向 Rx（繞 X 軸）、Ry（繞 Y 軸）、Rz（繞 Z 軸）的誤差數據并通過移動治療床糾正。但由于加速器未采用 6D 治療床，不能糾正旋轉誤差，所以當 Rx、Ry、Rz 這 3 個方向的旋轉大于 3° 時要重新對患者進行擺位，再次掃 CBCT 進行圖像配準和誤差的糾正。由于采用三點式激光擺位后進行 CBCT 掃描，本研究將 CBCT 掃描結果作為“金標準”，將 CBCT 掃描的結果定義為三點式擺位誤差；OSI 擺位誤差與 CBCT 掃描結果的差異定義為 OSI 的精度[9]；由于 OSI 系統獲取的誤差數據是采用三點式激光擺位后的結果，因此將 OSI 擺位誤差數據定義為 OSI 與三點式激光擺位的差異。外擴邊界采用 van Herk 等[10]建議的公式計算：PTV=2.5Σ+0.7σ，其中 PTV 為計劃靶區；Σ 為系統誤差，是每例患者誤差均值的標準差；σ 為隨機誤差，是每例患者誤差均值標準差的均方根。
1.5 統計學方法
采用 SPSS 22.0 軟件進行統計分析。計量資料以均數±標準差表示，CBCT 和 OSI 擺位誤差數據在平移方向左右、頭腳、前后和旋轉方向 Rx、Ry、Rz 進行配對樣本 t 檢驗。采用 Pearson 相關分析 CBCT 和 OSI 在 6D 方向誤差的相關性。雙側檢驗水準 α=0.05。
2 結果
2.1 CBCT 掃描結果和 OSI 擺位誤差差異檢驗結果
20 例患者共 155 組數據，對該數據進行分析。配對 t 檢驗結果顯示，CBCT 和 OSI 除 Rz 方向差異有統計學意義（P<0.05）外，其余方向差異均無統計學意義（P>0.05）。見表 1。
表1
20 例患者 CBCT 和 OSI 誤差配對 t 檢驗結果（n=155，）
2.2 CBCT 掃描誤差及邊界與 OSI 精度及邊界
OSI 在左右、頭腳、前后方向的系統誤差分別為 0.14、0.37、0.14 cm，隨機誤差分別為 0.20、0.57、0.23 cm，相應邊界分別為 0.49、1.32、0.51 cm。見表 2。
表2
CBCT 掃描誤差及邊界與 OSI 精度及邊界（cm）
2.3 OSI 與三點式激光擺位的差異
OSI 與三點式激光擺位的差異主要集中在頭腳方向，系統誤差與隨機誤差分別為 0.25 cm 與 0.34 cm。見表 3。
表3
OSI 與三點式激光擺位的差異
2.4 三點式激光擺位和 OSI 擺位不同邊界下靶區覆蓋率
在 0.8 cm 邊界下，三點式激光擺位和 OSI 擺位在左右、頭腳及前后方向靶區覆蓋率比例分別為 100.00%、80.65%、100.00% 和 100.00%、95.48%、99.35%。三點式激光擺位和 OSI 引導擺位在±0.2、±0.4、±0.6、±0.8 cm 邊界下左右、頭腳、前后方向靶區覆蓋的比例詳見圖 1。
圖1
三點式激光擺位和 OSI 擺位不同邊界下靶區覆蓋率
a. 三點式激光擺位；b. OSI 引導擺位。
2.5 三點式激光擺位和 OSI 擺位在 6D 方向相關性
在平移左右、頭腳方向 CBCT 和 OSI 2 個系統的擺位相關性具有統計學意義（P<0.05），但是呈弱相關；其余方向相關性均無統計學意義（P>0.05）。CBCT 和 OSI 相關性詳見表 4，6D 方向的誤差數值相關分布詳見圖 2。
表4
155 次治療 CBCT 和 OSI 在 6D 方向相關性
圖2
CBCT 和 OSI 在 6D 方向的數值分布
a～c. 分別為
3 討論
OSI 系統通過實時獲取的表面影像與原來采集的參考影像配準，以指導擺位和監測分次內運動。參考影像可在第一次治療時經過 CBCT 掃描驗證糾正擺位誤差后采集，這樣可以減少隨著時間變化患者身體變化而造成的誤差，這樣獲取的表面參考影像的配準精度較高[11]。Stieler 等[12]與 Kim 等[13]相關研究表明，在頭部和胸部，OSI 在 6D 方向的擺位誤差均<2 mm/2°。Wiersma 等[14]的研究表明，盆部、腹部在左右方向的誤差值均在 2～3 mm，頭腳、前后方向誤差值均在 4.5～5.5 mm，各個方向的旋轉均在 2°以內。楊露等[15]的研究表明 OSI 引導治療 CBCT-OSI 在左右、頭腳、前后方向上的誤差分別為（0.13±3.83）、（1.01±6.96）、（0.78±4.07）mm。本研究分析了 OSI 在盆腔腫瘤引導擺位的精度和實用性，研究數據表明用 ISO 引導放療擺位在平移方向誤差差值均<0.1 cm，旋轉誤差方向<0.5°。但是在誤差中出現和以上研究相同的問題，在所有方向的誤差中頭腳方向誤差相對較大，其余方向誤差很小，說明 OSI 系統在整個臨床的應用中在頭腳方向誤差較大。
與文獻報道的結果類似，本研究中 CBCT 與 OSI 誤差結果配對檢驗雖然多無統計學差異，但是兩者相減代表 OSI 的精度，研究結果顯示在左右與前后方向的差異較小，但是在頭腳方向仍有較大差異（系統誤差與隨機誤差分別為 0.37 與 0.57 cm），采用臨床上計算外擴邊界的公式 PTV=2.5Σ+0.7σ[10] 進行計算，相應的邊界為 1.32 cm。CBCT 和 OSI 在平移左右、頭腳方向的擺位相關性具有統計學意義，但是呈弱相關（相關系數最高 0.332），其余方向均無統計學意義。臨床放療中對盆腔腫瘤常采用 0.8 或 1.0 cm 的外擴邊界，本研究采用 0.8 cm 分析三點式激光擺位和 OSI 擺位在左右、頭腳、前后方向靶區覆蓋的比例，結果顯示 OSI 與三點式激光擺位的靶區覆蓋率基本一致，在頭腳方向的覆蓋率均在 80% 左右。如果沒有 CBCT 引導，只是采用 OSI 擺位在頭腳方向需要 1.28 cm 的邊界。以上結果說明，利用 OSI 擺位測量的結果不能代替 CBCT 進行擺位引導。
傳統三點式激光擺位后 OSI 測量到的誤差結果即 OSI 擺位與傳統三點式激光擺位的差異，該結果表明采用這 2 種擺位獲取的結果仍有一定誤差，主要集中在頭腳方向。這與 Pallotta 等[16]報道胸部腫瘤應用 OSI 系統以及 Wiersma 等[14]對腹、盆部的研究結果很相似，均有效地佐證了 OSI 系統在引導非剛性結構放療中以頭腳方向的差異最為明顯。
值得注意的是，不同顏色的表面需要在 OSI 中設置不同增益與吸收時間以完整地獲取該表面的影像。本研究中患者均采用熱塑模固定，增益設置為 200%，整合時間為 2 000 μs，該設置對黃色的皮膚不能顯示其表現影像，只能獲取熱塑模的影像，因此其誤差結果只能代表熱塑模的固定效果。熱塑模不能代替盆腔腫瘤患者的外輪廓，同時，患者外輪廓與靶區位置相關性受到患者體重、外輪廓、直腸、膀胱充盈等相關因素的影響。因此，在盆腔腫瘤放療中，如果需要采用熱塑模固定，應采用 0.43、1.28、0.39 cm 的外擴邊界；如采用 OSI 進行引導，采用真空墊、發泡膠等固定方式避免對患者體表輪廓的覆蓋。而 OSI 在盆腔腫瘤放療中的效用應進一步研究。
綜上所述，采用熱塑模對盆腔腫瘤患者進行固定，在頭腳方向存在較大的擺位誤差；相比傳統三點式擺位，OSI 并不能提高熱塑模固定盆腔腫瘤放療的擺位精度；OSI 獲取的是熱塑模的影像，熱塑模與患者實際靶區位置存在較大差異，應在臨床運用中改進其使用方法。
