Analysis of setup errors in stereotactic body radiotherapy for lung cancer using two immobilization devices
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摘要:目的 比较分析在立体定向放射治疗中使用热塑体模和负压真空垫两种体位固定方式治疗肺癌患者分次间的摆位误差，并比较两种摆位的时间。方法 回顾性分析2015年1月至2016年11月间浙江省肿瘤医院121例体部立体定向放射治疗的肺癌患者，分为热塑体模组（A组）43例，真空负压垫组（B组）78例。在每次治疗之前使用锥形束CT（cone-beam CT，CBCT）进行扫描，再进行手动配准得出患者左右（X轴）、上下（Y轴）、前后（Z轴）方向的摆位误差，比较两组的摆位误差大小，并记录其摆位时间。结果 A组和B组X方向的摆位误差分别为0.16 0.09/0.25 0.11 cm，（P＜0.05），在Y轴方向摆位误差分别为0.27 0.13/0.25 0.15 cm，（P＞0.05），在Z轴方向的摆位误差分别为0.19 0.13/0.26 0.12 cm，（P＜0.05），A组和B组平均摆位时间分别为57.66 s/58.09 s，（P＞0.05）。结论 在X轴和Z轴方向上A组优于B组，在Y轴方向上无明显差异，A组摆位时间低于B组。在使用立体定向放射治疗治疗肺癌患者时在不考虑患者年龄、心肺功能时热塑体模无疑是最好的固定方式。Abstract:Objective To compare the differences in interfraction setup accuracy and setup time between lung cancer patients treatedwith stereotactic body radiotherapy using thermoplastic masks and vacuum cushion system.Methods A retrospective study was performed on 121 patients during January 2015 to November 2016 and included thermoplastic fixation mask for 43 cases and vacuum fixation cushion for 78 cases.Before irradiation, a kilovoltage cone-beam computed tomography(KV-CBCT)scan was performed and image registration was done automatically and manually to obtain setup errors from the X, Y, and Z axes.The differences of setup errorsbetween the two immobilization methods were analyzed and the setup time was recorded.Results The setup errors for thermoplasticmasks and vacuum cushion in the X, Y, and Z axes were(0.16±0.09 versus 0.25±0.11) cm(P < 0.05), (0.27±0.13 versus 0.25±0.15) cm(P > 0.05), and(0.19±0.13 versus 0.26±0.12) cm(P < 0.05), respectively.The setup time for thermoplastic masks and vacuum cushion were(57.66 versus 58.09) s(P > 0.05).Conclusion Thermoplastic masks offer better reproducibility and significantly less interfractional setup displacement than vacuum cushions in the X and Z axes.No significant difference was found in the Y axis.Moreover, thesetup time of thermoplastic masks is less than vacuum cushions.The thermoplastic mask is the best choice if the age and cardio-pulmonary function of patients can be ignored.
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近年来，我国肿瘤放射治疗学科迅猛发展，开展和引进了诸多先进的放射治疗技术，从三维适形（3DCRT）、调强放射治疗（IMRT）到图像引导放射治疗（IGRT），特别是螺旋断层放射治疗和立体定向放射治疗（SRS/SBRT）等最新治疗技术的发展[1-2]，成为肿瘤事业发展的新篇章。自上世纪90年代开展体部立体定向放射治疗（stereotatic body radiotherapy，SBRT）技术以来，由于其“三高一低”，即高精度、高剂量、高治疗增益比和靶区周围剂量低的特点[3-4]，越来越受到临床医生的青睐。SBRT的等效生物剂量高达100 Gy，通常达到常规放疗的2倍[5-6]，所以对定位的精度要求非常高，如何尽可能地降低摆位误差对于提高肿瘤的局部控制率以及降低正常组织的并发症是至关重要的。在肺癌放疗中热塑体模和真空垫是两种常用的固定方式[7-9]，本研究通过对立体定向放射治疗肺癌患者分次间的摆位误差进行回顾性分析，比较这两种体位固定方式对肺癌患者进行立体定向放射治疗摆位误差的影响，以便更好地为临床应用提供参考。
1. 材料与方法
1.1 病例资料
回顾性分析2015年1月至2016年11月浙江省肿瘤医院收治的121例体部立体定向放射治疗的肺癌患者共579次锥形束CT（cone-beam CT，CBCT）影像资料。分为热塑体模组（A组）43例，负压真空垫组（B组）78例，根据解剖学分类分为上、中、下三叶分别为62、18、41例。其中肺上、中、下叶分别为62、18、41例。男性71例，女性50例，年龄30~80岁，中位年龄65岁。其中26例患者的处方剂量为5 000 cGy/4 F，95例患者单次剂量为5 000 cGy/5 F。所有患者卡氏评分>70分。两组肺癌患者在性别、年龄上差异均无统计学意义（P＞0.05）；使用设备：飞利浦32排大孔径CT模拟定位机（Philips，BrillianceTM CT Big Bore荷兰）；Varian Trilogy直线加速器（美国），KV级机载影像验证系统（美国，OBI），RayStation v4.5.1.14治疗计划系统（瑞典），负压真空垫和热塑体模，秒表。
1.2 方法
1.2.1 步骤
对拟行SBRT放疗患者，进行四维CT扫描，扫描层厚为3 mm，层距为3 mm，图像分辨率为512×512，记录其呼吸运动波形，并对呼吸波形曲线进行修正，并重建获取10个时相的CT影像、最大密度投影、最小密度投影及平均密度投影的CT图像。所有CT图形经DICOM网络传入到RayStationv4.5.1.14治疗计划系统，由放疗科医生勾画出靶区及危机器官，然后由物理师根据医生勾画的靶区做放射治疗计划，再经Aria网络传输到加速器系统中用于患者的治疗。摆位时所有患者均采取双手抱头的仰卧位（图 1、2），以便从各个方向设置照射野；患者固定在一个舒适的体位以保证治疗期间靶区定位的重复性，在治疗之前对患者进行CBCT扫描。机架从178~182度进行扫描，层厚为3 mm，图像分辨率为512×512与模拟定位时的扫描条件一致便于更好的匹配图像。根据肿瘤位置将CBCT图像与计划CT图像手动配准，并且由放疗医师、物理师、技师共同确认匹配是否合格，得出左右、前后、上下三个方向的误差并记录下来。在每次摆位时使用秒表记录技师摆位的时间，从患者躺在治疗床上开始计时到摆位完成技师锁床结束计时。
1.3 统计学分析
采用SPSS 20.0软件进行统计学分析。计数以（x±s）表示，两种体位固定之间采用独立样本的t检验。P＜0.05为差异具有统计学意义。
2. 结果
121例患者共行579次CBCT扫描，通过配准后在X轴（左右）、Y轴（上下）、Z轴（前后）分别计算出579次的摆位误差值（表 1），两种固定方式摆位误差在左右（X轴）方向和前后方向（Z轴）方向的误差具有统计学意义（P＜0.05），上下（Y轴）方向差异无统计学意义（P＞0.05），其中左右方向偏差最大。热塑体模和负压真空垫在X，Y，Z轴方向的误差分布（图 3~5）。通过分析不同病变部位的三个方向的摆位误差得出肺上叶X轴和Z轴差异具有统计学意义（P＜0.05），肺中叶三个方向上差异均无统计学意义（P＞0.05），肺下叶只有X轴方向上差异具有统计学意义（P＜0.05）。肺肿瘤位于肺上中下叶摆位的误差分析（表 2~4）。通过分析技师两种固定方式的摆位时间得出热塑体模组的平均用时要小于负压垫组但差异无统计学意义（表 5，P＞0.05）。
表 1 两种固定方式不同方向的摆位误差的比较（x±s）（cm）Table 1. Comparison of setup errors of the two fixed devices in different directions (x±s) (cm)
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图 3 两种固定方式X方向的摆位误差分布Figure 3. Distribution of setup errors on the two fixed devices in the X axis![]()
图 4 两种固定方式Y方向的摆位误差分布Figure 4. Distribution of setup errors on the two fixed devices in the Y axis![]()
图 5 两种固定方式Z方向的摆位误差分布Figure 5. Distribution of setup errors on the two fixed devices in the Z axis表 2 两种固定方式肺上叶组（n=62）的摆位误差的比较（x±s）（cm）Table 2. Comparison of setup errors between the two fixed devices in the upper lobe group (n=62) (x±s) (cm)
表 3 两种固定方式肺中叶组（n=18）的摆位误差的比较（x±s）（cm）Table 3. Comparison of setup errors between the two fixed devices in the middle lobe group (n=18) (x±s) (cm)
表 4 两种固定方式肺下叶组（n=41）的摆位误差的比较（x±s）（cm）Table 4. Comparison of setup errors between the two fixed devices in the lower lobe group (n=41) (x±s) (cm)
表 5 两种固定方式摆位时间的比较（s）Table 5. Comparison of setup time of the two devices
3. 讨论
在放射治疗过程中，安全应用SBRT技术治疗患者的前提是保证其几何上的高度精确性。治疗精度主要受呼吸运动，分次内及分次间位置的变化及肿瘤体积的变化等影响[10-11]，因此在放射治疗中能够采取合理的措施，合理的估算出分次间靶区器官的移动度，提高治疗的摆位精度，在保证临床靶区受到处方剂量照射的同时，降低正常组织卷入计划靶区内以免受到过量照射，这对患者保护正常组织剂量，降低放疗并发症，提高患者治疗后的生存质量是非常有意义的。尤其对于接受SBRT技术这一通常给予处方达100 Gy的治疗患者意义更加突出。本研究通过分析43例热塑体模和78例负压真空垫固定技术的肺癌患者的摆位误差，由于呼吸运动的存在使得模拟定位的CT图像和CBCT图像不可能完全配准。因此，图像配准时往往很难做到靶区与危及器官均能完全匹配，实际工作时，应首先根据肿瘤（GTVs）位置进行图像配准，然后评估危及器官和正常组织配准的一致性，如果靶区和危及器官能够较好地匹配则进行放射治疗，如果不能同时满足靶区和危机器官较好地匹配，则需根据治疗计划设定的靶区和危及器官受量情况以及剂量曲线分布情况进行综合评估，选择适当的倾向性匹配，如危及器官已达到或接近的剂量阈值则应尽可能保护正常组织受照范围并且同时要求PTV包绕靶区；如相邻无重要危及器官则图像配准以靶区配准为首选。
本研究表明通过分析摆位误差得出热塑体模组的摆位误差要好于真空垫组，并且热塑体模的平均摆位时间低于真空垫组。Navarromartin等[12]回顾性分析73例接受立体定向放射治疗的肺癌患者，比较了使用热塑体模和真空垫两种摆位误差，得出结论热塑体模摆位误差明显小于真空垫组，差异具有统计学意义，与本研究结果相似。颜桂明等[13]对22例周围型肺小细胞肺癌患者随机分为热塑体模组和真空垫组分析其摆位误差得出两者差异无统计学意义，与本结论不一致，其可能原因是收集的样本数太少。本研究结果显示使用热塑体模固定的摆位误差在左右方向和前后方向摆位误差要小于真空垫固定的摆位误差，分析其原因可能是热塑体模固定在患者身体上，这样能充分减少患者的左右移动度，同时还可以控制患者的呼吸幅度使患者保持平稳的呼吸[14]，其平均摆位时间也低于真空垫组，在放射治疗中大部分技师喜欢使用热塑体模摆位，理由是在摆位时只要找准标记点就不需要移动患者，这样可以减少摆位时间。但是早期肺癌患者首选治疗方式是外科手术，而立体定向放射治疗的一般是高龄、肺功能差、有心脏疾病等不能手术的患者[15]，采用真空垫固定方式时，患者躺在松软的真空垫上，再塑形成与人体轮廓一致的凹槽，因此舒适度要明显高于热塑体模。另外，本研究只是对肺上、中、下叶对摆位误差的影响进行了分析，因按大小、类型、与胸壁关系分别分析，数据量会较少，故文中未做进一步分析，将在后续的研究中进行探讨分析。
综上所述，在使用立体定向放疗技术治疗肺癌患者时在不考虑患者年龄、心肺功能时热塑体模无疑是最好的固定方式，但是对于年纪较大、身体状况差的肺癌患者，特别是采用强迫体位时，选择负压真空垫固定方式则更加合适。
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图 3 两种固定方式X方向的摆位误差分布
Figure 3. Distribution of setup errors on the two fixed devices in the X axis
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图 4 两种固定方式Y方向的摆位误差分布
Figure 4. Distribution of setup errors on the two fixed devices in the Y axis
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图 5 两种固定方式Z方向的摆位误差分布
Figure 5. Distribution of setup errors on the two fixed devices in the Z axis
表 1 两种固定方式不同方向的摆位误差的比较（x±s）（cm）
Table 1 Comparison of setup errors of the two fixed devices in different directions (x±s) (cm)
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表 2 两种固定方式肺上叶组（n=62）的摆位误差的比较（x±s）（cm）
Table 2 Comparison of setup errors between the two fixed devices in the upper lobe group (n=62) (x±s) (cm)
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表 3 两种固定方式肺中叶组（n=18）的摆位误差的比较（x±s）（cm）
Table 3 Comparison of setup errors between the two fixed devices in the middle lobe group (n=18) (x±s) (cm)
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表 4 两种固定方式肺下叶组（n=41）的摆位误差的比较（x±s）（cm）
Table 4 Comparison of setup errors between the two fixed devices in the lower lobe group (n=41) (x±s) (cm)
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