引用本文： 王海涛, 周继丹, 曾露, 叶程伟, 钟仁明. 光学表面成像引导热塑模固定盆腔肿瘤放射治疗的临床可行性研究. 华西医学, 2021, 36(3): 391-395. doi: 10.7507/1002-0179.201907124 复制
现代的放射治疗（放疗）计划系统可以提供严格一致的剂量分布，具有陡峭的剂量梯度，以便保护在靶区附近的正常组织和危及器官，治疗时必须对患者进行准确的摆位以提高放疗精度[1-2]。影响盆腹部肿瘤放疗精度的主因素为放疗分次间的摆位误差（系统误差、随机误差），胃肠道运动、膀胱直肠充盈等也对精度产生影响[3]。图像引导放射治疗（image-guided radiation therapy，IGRT）技术的出现让精度得以提高。IGRT 技术主要包括电子射野影像装置、平片及锥形束 CT（cone beam CT，CBCT）等，CBCT 是目前 IGRT 最常用的方式。但是，每次 CBCT 扫描会对其他组织施加 5～83 mGy 的额外辐射剂量[4]，同时也不能实现分次内的误差监测。因此，用无辐射且能对患者进行实时动态监测的技术已成为放疗领域研究的新方向。光学表面成像（optical surface imaging，OSI）系统能够重建出患者的三维表面图像[5]，基于患者表面跟踪的扫描，将实时体表影像与参考影像进行形变配准引导摆位，获得摆位位移且无创零剂量，治疗期间可实时监测患者身体运动情况，实现实时无辐射地监测分次内误差[6-7]。盆腔肿瘤放疗常采用热塑模固定，采用三点式激光标记线摆位，通常存在较大的摆位误差。本研究以 CBCT 为参考标准，比较 OSI 系统与传统三点式激光的摆位，分析 OSI 系统在热塑模固定盆腔肿瘤放疗的临床可行性研究。现报告如下。
1 资料与方法
1.1 临床资料
选取四川大学华西医院 2019 年 1 月—5 月采用热塑模固定的盆腔肿瘤患者 20 例，其中男 14 例，女 6 例；年龄 32～78 岁，中位年龄 52 岁。收集到 CBCT 和 OSI 配准数据共计 155 对。本研究已通过四川大学华西医院生物医学伦理委员会审查，审批号：2018 年审（178）号。
1.2 OSI 系统
OSI 系统采用瑞典 C-RAD AB 公司 Catalyst 系统，其由 3 个大功率的二极管和电荷耦合器件摄像头 2 个部分组成，发光源可发射波长分别为 405、528、624 nm 的蓝色、绿色、红色 3 种颜色的可见光。在使用时 Catalyst 发出蓝色光且以 202 帧/s 的频率进行探测；再由相机捕获皮肤的激光反射，通过光学三角法[8]确定反射线的位置。获取到的图像与参考图像匹配，红光和绿光作为位置提示光，配对有误差时会通过红光和绿光在配对没有重合的地方提示，我们可通过观察设备投到体表不同的颜色来局部纠正摆位。
1.3 OSI 使用流程和数据的采集
研究中 OSI 参考图像由 Catalyst 获取，首次治疗在摆位完成后经 CBCT 扫描纠正摆位误差后再从机架为 0° 或 180° 拍照并保存作为后期摆位的参考图像，建立患者经校准验证的表面标记，然后选择感兴趣的区域进行监测，并通过调整 Catalyst 中的增益和整合时间等参数来调整图像的质量。后期治疗先以传统三点式标记摆位，记录传统三点式标记摆位后 OSI 误差数据，然后 CBCT 扫描纠正误差，若误差在 Catalyst 阈值范围内直接出束治疗（阈值为任意平移方向超过 2 mm），超过误差阈值则对 Catalyst 数值置零后继续监测分次内误差。
1.4 CBCT 图像的获取和数据采集
摆位完成后通过 CBCT 扫描获取连续图像并对图像进行 3D 重建，本研究扫描时机架逆时针旋转，扫描范围为 50～210°，扫描时 CBCT 的参数为电压 120 kV、曝光电流时间积 310 mAs、S20 过滤。扫描结束后与计划 CT 图像进行骨性平移和旋转（Bone T+R）方向上的配准。记录平移方向 X（左右）、Y（头脚）、Z（前后）和旋转方向 Rx（绕 X 轴）、Ry（绕 Y 轴）、Rz（绕 Z 轴）的误差数据并通过移动治疗床纠正。但由于加速器未采用 6D 治疗床，不能纠正旋转误差，所以当 Rx、Ry、Rz 这 3 个方向的旋转大于 3° 时要重新对患者进行摆位，再次扫 CBCT 进行图像配准和误差的纠正。由于采用三点式激光摆位后进行 CBCT 扫描，本研究将 CBCT 扫描结果作为“金标准”，将 CBCT 扫描的结果定义为三点式摆位误差；OSI 摆位误差与 CBCT 扫描结果的差异定义为 OSI 的精度[9]；由于 OSI 系统获取的误差数据是采用三点式激光摆位后的结果，因此将 OSI 摆位误差数据定义为 OSI 与三点式激光摆位的差异。外扩边界采用 van Herk 等[10]建议的公式计算：PTV=2.5Σ+0.7σ，其中 PTV 为计划靶区；Σ 为系统误差，是每例患者误差均值的标准差；σ 为随机误差，是每例患者误差均值标准差的均方根。
1.5 统计学方法
采用 SPSS 22.0 软件进行统计分析。计量资料以均数±标准差表示，CBCT 和 OSI 摆位误差数据在平移方向左右、头脚、前后和旋转方向 Rx、Ry、Rz 进行配对样本 t 检验。采用 Pearson 相关分析 CBCT 和 OSI 在 6D 方向误差的相关性。双侧检验水准 α=0.05。
2 结果
2.1 CBCT 扫描结果和 OSI 摆位误差差异检验结果
20 例患者共 155 组数据，对该数据进行分析。配对 t 检验结果显示，CBCT 和 OSI 除 Rz 方向差异有统计学意义（P<0.05）外，其余方向差异均无统计学意义（P>0.05）。见表 1。
表1
20 例患者 CBCT 和 OSI 误差配对 t 检验结果（n=155，
）
2.2 CBCT 扫描误差及边界与 OSI 精度及边界
OSI 在左右、头脚、前后方向的系统误差分别为 0.14、0.37、0.14 cm，随机误差分别为 0.20、0.57、0.23 cm，相应边界分别为 0.49、1.32、0.51 cm。见表 2。
表2
CBCT 扫描误差及边界与 OSI 精度及边界（cm）
2.3 OSI 与三点式激光摆位的差异
OSI 与三点式激光摆位的差异主要集中在头脚方向，系统误差与随机误差分别为 0.25 cm 与 0.34 cm。见表 3。
表3
OSI 与三点式激光摆位的差异
2.4 三点式激光摆位和 OSI 摆位不同边界下靶区覆盖率
在 0.8 cm 边界下，三点式激光摆位和 OSI 摆位在左右、头脚及前后方向靶区覆盖率比例分别为 100.00%、80.65%、100.00% 和 100.00%、95.48%、99.35%。三点式激光摆位和 OSI 引导摆位在±0.2、±0.4、±0.6、±0.8 cm 边界下左右、头脚、前后方向靶区覆盖的比例详见图 1。
图1
三点式激光摆位和 OSI 摆位不同边界下靶区覆盖率
a. 三点式激光摆位；b. OSI 引导摆位。
2.5 三点式激光摆位和 OSI 摆位在 6D 方向相关性
在平移左右、头脚方向 CBCT 和 OSI 2 个系统的摆位相关性具有统计学意义（P<0.05），但是呈弱相关；其余方向相关性均无统计学意义（P>0.05）。CBCT 和 OSI 相关性详见表 4，6D 方向的误差数值相关分布详见图 2。
表4
155 次治疗 CBCT 和 OSI 在 6D 方向相关性
图2
CBCT 和 OSI 在 6D 方向的数值分布
a～c. 分别为
3 讨论
OSI 系统通过实时获取的表面影像与原来采集的参考影像配准，以指导摆位和监测分次内运动。参考影像可在第一次治疗时经过 CBCT 扫描验证纠正摆位误差后采集，这样可以减少随着时间变化患者身体变化而造成的误差，这样获取的表面参考影像的配准精度较高[11]。Stieler 等[12]与 Kim 等[13]相关研究表明，在头部和胸部，OSI 在 6D 方向的摆位误差均<2 mm/2°。Wiersma 等[14]的研究表明，盆部、腹部在左右方向的误差值均在 2～3 mm，头脚、前后方向误差值均在 4.5～5.5 mm，各个方向的旋转均在 2°以内。杨露等[15]的研究表明 OSI 引导治疗 CBCT-OSI 在左右、头脚、前后方向上的误差分别为（0.13±3.83）、（1.01±6.96）、（0.78±4.07）mm。本研究分析了 OSI 在盆腔肿瘤引导摆位的精度和实用性，研究数据表明用 ISO 引导放疗摆位在平移方向误差差值均<0.1 cm，旋转误差方向<0.5°。但是在误差中出现和以上研究相同的问题，在所有方向的误差中头脚方向误差相对较大，其余方向误差很小，说明 OSI 系统在整个临床的应用中在头脚方向误差较大。
与文献报道的结果类似，本研究中 CBCT 与 OSI 误差结果配对检验虽然多无统计学差异，但是两者相减代表 OSI 的精度，研究结果显示在左右与前后方向的差异较小，但是在头脚方向仍有较大差异（系统误差与随机误差分别为 0.37 与 0.57 cm），采用临床上计算外扩边界的公式 PTV=2.5Σ+0.7σ[10] 进行计算，相应的边界为 1.32 cm。CBCT 和 OSI 在平移左右、头脚方向的摆位相关性具有统计学意义，但是呈弱相关（相关系数最高 0.332），其余方向均无统计学意义。临床放疗中对盆腔肿瘤常采用 0.8 或 1.0 cm 的外扩边界，本研究采用 0.8 cm 分析三点式激光摆位和 OSI 摆位在左右、头脚、前后方向靶区覆盖的比例，结果显示 OSI 与三点式激光摆位的靶区覆盖率基本一致，在头脚方向的覆盖率均在 80% 左右。如果没有 CBCT 引导，只是采用 OSI 摆位在头脚方向需要 1.28 cm 的边界。以上结果说明，利用 OSI 摆位测量的结果不能代替 CBCT 进行摆位引导。
传统三点式激光摆位后 OSI 测量到的误差结果即 OSI 摆位与传统三点式激光摆位的差异，该结果表明采用这 2 种摆位获取的结果仍有一定误差，主要集中在头脚方向。这与 Pallotta 等[16]报道胸部肿瘤应用 OSI 系统以及 Wiersma 等[14]对腹、盆部的研究结果很相似，均有效地佐证了 OSI 系统在引导非刚性结构放疗中以头脚方向的差异最为明显。
值得注意的是，不同颜色的表面需要在 OSI 中设置不同增益与吸收时间以完整地获取该表面的影像。本研究中患者均采用热塑模固定，增益设置为 200%，整合时间为 2 000 μs，该设置对黄色的皮肤不能显示其表现影像，只能获取热塑模的影像，因此其误差结果只能代表热塑模的固定效果。热塑模不能代替盆腔肿瘤患者的外轮廓，同时，患者外轮廓与靶区位置相关性受到患者体重、外轮廓、直肠、膀胱充盈等相关因素的影响。因此，在盆腔肿瘤放疗中，如果需要采用热塑模固定，应采用 0.43、1.28、0.39 cm 的外扩边界；如采用 OSI 进行引导，采用真空垫、发泡胶等固定方式避免对患者体表轮廓的覆盖。而 OSI 在盆腔肿瘤放疗中的效用应进一步研究。
综上所述，采用热塑模对盆腔肿瘤患者进行固定，在头脚方向存在较大的摆位误差；相比传统三点式摆位，OSI 并不能提高热塑模固定盆腔肿瘤放疗的摆位精度；OSI 获取的是热塑模的影像，热塑模与患者实际靶区位置存在较大差异，应在临床运用中改进其使用方法。
现代的放射治疗（放疗）计划系统可以提供严格一致的剂量分布，具有陡峭的剂量梯度，以便保护在靶区附近的正常组织和危及器官，治疗时必须对患者进行准确的摆位以提高放疗精度[1-2]。影响盆腹部肿瘤放疗精度的主因素为放疗分次间的摆位误差（系统误差、随机误差），胃肠道运动、膀胱直肠充盈等也对精度产生影响[3]。图像引导放射治疗（image-guided radiation therapy，IGRT）技术的出现让精度得以提高。IGRT 技术主要包括电子射野影像装置、平片及锥形束 CT（cone beam CT，CBCT）等，CBCT 是目前 IGRT 最常用的方式。但是，每次 CBCT 扫描会对其他组织施加 5～83 mGy 的额外辐射剂量[4]，同时也不能实现分次内的误差监测。因此，用无辐射且能对患者进行实时动态监测的技术已成为放疗领域研究的新方向。光学表面成像（optical surface imaging，OSI）系统能够重建出患者的三维表面图像[5]，基于患者表面跟踪的扫描，将实时体表影像与参考影像进行形变配准引导摆位，获得摆位位移且无创零剂量，治疗期间可实时监测患者身体运动情况，实现实时无辐射地监测分次内误差[6-7]。盆腔肿瘤放疗常采用热塑模固定，采用三点式激光标记线摆位，通常存在较大的摆位误差。本研究以 CBCT 为参考标准，比较 OSI 系统与传统三点式激光的摆位，分析 OSI 系统在热塑模固定盆腔肿瘤放疗的临床可行性研究。现报告如下。
1 资料与方法
1.1 临床资料
选取四川大学华西医院 2019 年 1 月—5 月采用热塑模固定的盆腔肿瘤患者 20 例，其中男 14 例，女 6 例；年龄 32～78 岁，中位年龄 52 岁。收集到 CBCT 和 OSI 配准数据共计 155 对。本研究已通过四川大学华西医院生物医学伦理委员会审查，审批号：2018 年审（178）号。
1.2 OSI 系统
OSI 系统采用瑞典 C-RAD AB 公司 Catalyst 系统，其由 3 个大功率的二极管和电荷耦合器件摄像头 2 个部分组成，发光源可发射波长分别为 405、528、624 nm 的蓝色、绿色、红色 3 种颜色的可见光。在使用时 Catalyst 发出蓝色光且以 202 帧/s 的频率进行探测；再由相机捕获皮肤的激光反射，通过光学三角法[8]确定反射线的位置。获取到的图像与参考图像匹配，红光和绿光作为位置提示光，配对有误差时会通过红光和绿光在配对没有重合的地方提示，我们可通过观察设备投到体表不同的颜色来局部纠正摆位。
1.3 OSI 使用流程和数据的采集
研究中 OSI 参考图像由 Catalyst 获取，首次治疗在摆位完成后经 CBCT 扫描纠正摆位误差后再从机架为 0° 或 180° 拍照并保存作为后期摆位的参考图像，建立患者经校准验证的表面标记，然后选择感兴趣的区域进行监测，并通过调整 Catalyst 中的增益和整合时间等参数来调整图像的质量。后期治疗先以传统三点式标记摆位，记录传统三点式标记摆位后 OSI 误差数据，然后 CBCT 扫描纠正误差，若误差在 Catalyst 阈值范围内直接出束治疗（阈值为任意平移方向超过 2 mm），超过误差阈值则对 Catalyst 数值置零后继续监测分次内误差。
1.4 CBCT 图像的获取和数据采集
摆位完成后通过 CBCT 扫描获取连续图像并对图像进行 3D 重建，本研究扫描时机架逆时针旋转，扫描范围为 50～210°，扫描时 CBCT 的参数为电压 120 kV、曝光电流时间积 310 mAs、S20 过滤。扫描结束后与计划 CT 图像进行骨性平移和旋转（Bone T+R）方向上的配准。记录平移方向 X（左右）、Y（头脚）、Z（前后）和旋转方向 Rx（绕 X 轴）、Ry（绕 Y 轴）、Rz（绕 Z 轴）的误差数据并通过移动治疗床纠正。但由于加速器未采用 6D 治疗床，不能纠正旋转误差，所以当 Rx、Ry、Rz 这 3 个方向的旋转大于 3° 时要重新对患者进行摆位，再次扫 CBCT 进行图像配准和误差的纠正。由于采用三点式激光摆位后进行 CBCT 扫描，本研究将 CBCT 扫描结果作为“金标准”，将 CBCT 扫描的结果定义为三点式摆位误差；OSI 摆位误差与 CBCT 扫描结果的差异定义为 OSI 的精度[9]；由于 OSI 系统获取的误差数据是采用三点式激光摆位后的结果，因此将 OSI 摆位误差数据定义为 OSI 与三点式激光摆位的差异。外扩边界采用 van Herk 等[10]建议的公式计算：PTV=2.5Σ+0.7σ，其中 PTV 为计划靶区；Σ 为系统误差，是每例患者误差均值的标准差；σ 为随机误差，是每例患者误差均值标准差的均方根。
1.5 统计学方法
采用 SPSS 22.0 软件进行统计分析。计量资料以均数±标准差表示，CBCT 和 OSI 摆位误差数据在平移方向左右、头脚、前后和旋转方向 Rx、Ry、Rz 进行配对样本 t 检验。采用 Pearson 相关分析 CBCT 和 OSI 在 6D 方向误差的相关性。双侧检验水准 α=0.05。
2 结果
2.1 CBCT 扫描结果和 OSI 摆位误差差异检验结果
20 例患者共 155 组数据，对该数据进行分析。配对 t 检验结果显示，CBCT 和 OSI 除 Rz 方向差异有统计学意义（P<0.05）外，其余方向差异均无统计学意义（P>0.05）。见表 1。
表1
20 例患者 CBCT 和 OSI 误差配对 t 检验结果（n=155，）
2.2 CBCT 扫描误差及边界与 OSI 精度及边界
OSI 在左右、头脚、前后方向的系统误差分别为 0.14、0.37、0.14 cm，随机误差分别为 0.20、0.57、0.23 cm，相应边界分别为 0.49、1.32、0.51 cm。见表 2。
表2
CBCT 扫描误差及边界与 OSI 精度及边界（cm）
2.3 OSI 与三点式激光摆位的差异
OSI 与三点式激光摆位的差异主要集中在头脚方向，系统误差与随机误差分别为 0.25 cm 与 0.34 cm。见表 3。
表3
OSI 与三点式激光摆位的差异
2.4 三点式激光摆位和 OSI 摆位不同边界下靶区覆盖率
在 0.8 cm 边界下，三点式激光摆位和 OSI 摆位在左右、头脚及前后方向靶区覆盖率比例分别为 100.00%、80.65%、100.00% 和 100.00%、95.48%、99.35%。三点式激光摆位和 OSI 引导摆位在±0.2、±0.4、±0.6、±0.8 cm 边界下左右、头脚、前后方向靶区覆盖的比例详见图 1。
图1
三点式激光摆位和 OSI 摆位不同边界下靶区覆盖率
a. 三点式激光摆位；b. OSI 引导摆位。
2.5 三点式激光摆位和 OSI 摆位在 6D 方向相关性
在平移左右、头脚方向 CBCT 和 OSI 2 个系统的摆位相关性具有统计学意义（P<0.05），但是呈弱相关；其余方向相关性均无统计学意义（P>0.05）。CBCT 和 OSI 相关性详见表 4，6D 方向的误差数值相关分布详见图 2。
表4
155 次治疗 CBCT 和 OSI 在 6D 方向相关性
图2
CBCT 和 OSI 在 6D 方向的数值分布
a～c. 分别为
3 讨论
OSI 系统通过实时获取的表面影像与原来采集的参考影像配准，以指导摆位和监测分次内运动。参考影像可在第一次治疗时经过 CBCT 扫描验证纠正摆位误差后采集，这样可以减少随着时间变化患者身体变化而造成的误差，这样获取的表面参考影像的配准精度较高[11]。Stieler 等[12]与 Kim 等[13]相关研究表明，在头部和胸部，OSI 在 6D 方向的摆位误差均<2 mm/2°。Wiersma 等[14]的研究表明，盆部、腹部在左右方向的误差值均在 2～3 mm，头脚、前后方向误差值均在 4.5～5.5 mm，各个方向的旋转均在 2°以内。杨露等[15]的研究表明 OSI 引导治疗 CBCT-OSI 在左右、头脚、前后方向上的误差分别为（0.13±3.83）、（1.01±6.96）、（0.78±4.07）mm。本研究分析了 OSI 在盆腔肿瘤引导摆位的精度和实用性，研究数据表明用 ISO 引导放疗摆位在平移方向误差差值均<0.1 cm，旋转误差方向<0.5°。但是在误差中出现和以上研究相同的问题，在所有方向的误差中头脚方向误差相对较大，其余方向误差很小，说明 OSI 系统在整个临床的应用中在头脚方向误差较大。
与文献报道的结果类似，本研究中 CBCT 与 OSI 误差结果配对检验虽然多无统计学差异，但是两者相减代表 OSI 的精度，研究结果显示在左右与前后方向的差异较小，但是在头脚方向仍有较大差异（系统误差与随机误差分别为 0.37 与 0.57 cm），采用临床上计算外扩边界的公式 PTV=2.5Σ+0.7σ[10] 进行计算，相应的边界为 1.32 cm。CBCT 和 OSI 在平移左右、头脚方向的摆位相关性具有统计学意义，但是呈弱相关（相关系数最高 0.332），其余方向均无统计学意义。临床放疗中对盆腔肿瘤常采用 0.8 或 1.0 cm 的外扩边界，本研究采用 0.8 cm 分析三点式激光摆位和 OSI 摆位在左右、头脚、前后方向靶区覆盖的比例，结果显示 OSI 与三点式激光摆位的靶区覆盖率基本一致，在头脚方向的覆盖率均在 80% 左右。如果没有 CBCT 引导，只是采用 OSI 摆位在头脚方向需要 1.28 cm 的边界。以上结果说明，利用 OSI 摆位测量的结果不能代替 CBCT 进行摆位引导。
传统三点式激光摆位后 OSI 测量到的误差结果即 OSI 摆位与传统三点式激光摆位的差异，该结果表明采用这 2 种摆位获取的结果仍有一定误差，主要集中在头脚方向。这与 Pallotta 等[16]报道胸部肿瘤应用 OSI 系统以及 Wiersma 等[14]对腹、盆部的研究结果很相似，均有效地佐证了 OSI 系统在引导非刚性结构放疗中以头脚方向的差异最为明显。
值得注意的是，不同颜色的表面需要在 OSI 中设置不同增益与吸收时间以完整地获取该表面的影像。本研究中患者均采用热塑模固定，增益设置为 200%，整合时间为 2 000 μs，该设置对黄色的皮肤不能显示其表现影像，只能获取热塑模的影像，因此其误差结果只能代表热塑模的固定效果。热塑模不能代替盆腔肿瘤患者的外轮廓，同时，患者外轮廓与靶区位置相关性受到患者体重、外轮廓、直肠、膀胱充盈等相关因素的影响。因此，在盆腔肿瘤放疗中，如果需要采用热塑模固定，应采用 0.43、1.28、0.39 cm 的外扩边界；如采用 OSI 进行引导，采用真空垫、发泡胶等固定方式避免对患者体表轮廓的覆盖。而 OSI 在盆腔肿瘤放疗中的效用应进一步研究。
综上所述，采用热塑模对盆腔肿瘤患者进行固定，在头脚方向存在较大的摆位误差；相比传统三点式摆位，OSI 并不能提高热塑模固定盆腔肿瘤放疗的摆位精度；OSI 获取的是热塑模的影像，热塑模与患者实际靶区位置存在较大差异，应在临床运用中改进其使用方法。
