肺癌千伏级CBCT图像引导下放疗摆位误差及摆位边界的研究

摘要

数据统计显示，全球范围内，肺癌列在癌症死亡的第一位，每年近120万人死于肺癌，死亡人数超过乳腺癌、结肠癌和前列腺癌三者总和。最新数据统计，2013年美国新增癌症病例约170万例，癌症死亡病例约60万例，男性肺癌约占其中28％，女性约占其中26％。
　　放射治疗是治疗肺癌的重要手段之一，近年来，随着以三维适形放疗(three-dimensional conformal radiotherapy，3D CRT)及调强适形放疗(intensity modulated radiotherapy，IMRT)为代表的精确放疗技术的日益蓬勃发展，逐渐将传统放疗方式取而代之。精确放疗的剂量梯度急剧变化，尤其是临近危及器官的边缘，高剂量梯度变化也使危及器官存在潜在风险。所以在放疗过程中需要更加准确的定位、摆位来减少外放边界范围，减少误差带来的影响。
　　图像引导放疗(image guided radiation therapy，IGRT)技术通过在放疗前、放疗中对治疗靶区、重要脏器的实际位置与计划位置在时间、空间上的误差进行检测，并进行校正。使用直线加速器机载千伏级锥形束CT（kilovolt cone-beam tomography，KV-CBCT）是一种常用的IGRT方法，获取图像成像质量较好，密度、空间辨识度均较高，有助于和计划CT配准，纠正摆位误差。
　　本研究首先对46例肺癌患者在三维适形或调强放疗前行锥形束CT扫描，对不同发病部位肺癌患者的摆位误差进行了研究，后根据Van Herk公式计算出计算出摆位边界(setup margin，SM)，给出外放边界临床建议。
　　现将各部分内容概述如下。
　　第一部分肺癌千伏级CBCT图像引导下放疗配准方法及摆位误差的研究
　　目的：通过应用KV-CBCT研究我院肺癌放疗中摆位误差的大小，并根据发病位置的不同对摆位误差进行分析。
　　方法：
　　1选取2010年1月到2013年12月在我院接受调强放疗的肺癌患者46例，收集到CBCT图像378次。系统自动重建断层图像，与治疗计划CT图像相匹配。
　　2使用软件自动配准方式，配准模板选取软组织配准模板，以外轮廓作为配准参照物，机载影像系统将CBCT图像与定位CT图像进行自动配准，配准后屏幕上自动显示在左右(X轴)、头脚(Y轴)、前后(Z轴)方向上的摆位误差值，并作记录。
　　3选择手动配准方法，以肿瘤作为配准参照物，手动反复调节模板至CBCT图像与定义CT图像得到最佳重合，重合后认为配准完毕，屏幕上自动显示出患者靶体积中心位置与定位CT扫描时靶体积中心位置在左右(X轴)、头脚(Y轴)、前后(Z轴)方向上的误差值，并作记录。
　　结果：
　　1本研究共46例患者，共收集378次CBCT扫描图像。中央型肺癌236次/29例，其中左中央型87次/13例，右中央型149次/16例。周围型142次/17例，其中左肺癌45次/6例，又分为左肺上叶34次/4例，左肺下叶11次/2例。右肺癌97次/11例，又分为右肺上叶39次/5例，右肺中叶10次/2例，右肺下叶48次/4例。由于右主支气管分出右上叶支气管后，再向下走行一段后分出右中叶支气管和右下叶支气管，所以本研究将中叶(10次/2例)并入下叶组，因此右肺下叶组共有58次/6例。
　　2自动配准摆位误差在 X、Y、Z轴方向绝对值最大分别为13mm、19mm、8mm。小于3mm的误差在X、Y、Z轴方向上的发生率分别为79.1％、54.8％、61.5％；5mm以内的误差在X、Y、Z轴方向上分别为95.5％、73.6％、95.5％；位移大于10mm的误差在 X、Y、Z轴方向发生频率为0.3％、9.5％、0％。
　　3手动配准摆位误差在 X、Y、Z轴方向绝对值最大分别为13mm、21mm、10mm。小于3mm的误差在 X、Y、Z轴方向上的发生率分别为74.3％、54.2％、59.5％；5mm以内的误差在 X、Y、Z轴方向上分别为88.9％、70.1％、88.9％；位移大于10mm的误差在X、Y、Z轴方向发生频率为1.3％、10.8％、0％。4自动配准方式下，中央型与周围型摆位误差Y、Z轴有统计学差异，（Y轴P=0.048 Z轴P=0.034）。上叶肺癌与下叶肺癌摆位误差在Y、Z轴有统计学差异，（Y轴P=0.044 Z轴P=0.033）。左肺癌与右肺癌无统计学差异；5手动配准方式下，中央型与周围型摆位误差在Y轴、Z轴具有统计学差异。（Y轴P=0.038 Z轴P=0.026）上叶肺癌与下叶肺癌摆位误差在Y轴、Z轴均有统计学差异（Y轴P=0.014 Z轴P=0.022）。左肺癌与右肺癌无统计学差异。
　　结论:
　　46例肺癌患者摆位误差在头脚（Y轴）方向最为明显，前后（Z轴）方向次之，左右（X轴）方向最小。无论自动配准方式还是手动配准方式，中央型与周围型、上叶与下叶摆位误差在Y、Z轴方向上有差异，考虑与患者胸廓直径、皮肤松弛度、摆位时身体旋转度不同所致。建议临床进行CTV-PTV外放时，充分考虑发病部位的不同，根据个体化原则进行外放。
　　第二部分肺癌千伏级CBCT图像引导下放疗摆位边界的研究
　　目的：根据第一部分测得的系统误差(Σ)和随机误差(σ)，结合Van Herk公式计算出不同部位肺癌的摆位边界，并进行分析研究。
　　方法:
　　1选取我院2010年1月到2013年12月在我院接受调强放疗的肺癌患者46例，收集到CBCT图像378次。根据ICRU规定，在治疗系统中勾画大体肿瘤区（GTV）、临床靶区（CTV）及危及器官（organs at risk，OARs），根据病变的具体位置和个体化原则决定临床靶体积的CTV-PTV外放边界，形成计划靶体积（PTV）。
　　2本研究选取公式2.5Σ+0.7σ对不同发病部位、不同CBCT图像配准方式下的肺癌患者进行对比。公式中的Σ是系统误差，为所有患者所有分次治疗摆位误差的平均值，σ是随机误差，为所有患者所有分次治疗摆位误差的标准差。将第一部分中自动配准方式下、手动配准方式下获取的每组患者群体系统误差(Σ)和随机误差(σ)分别代入公式2.5Σ+0.7σ，获得自动配准方式、手动配准方式的摆位边界，旨在观察不同发病部位、不同配准方式对摆位边界大小的影响。
　　结果：
　　1通过公式2.5Σ+0.7σ计算出自动配准方式下不同组别患者的摆位边界，中央型肺癌在X、Y、Z轴方向上的摆位边界分别为3.21、7.04、4.62mm；周围型肺癌在X、Y、Z轴方向上的摆位边界分别为3.54、9.98、6.26mm；左肺癌在X、Y、Z轴方向上的摆位边界分别为2.79、9.53、5.31mm；右肺癌在X、Y、Z轴方向上的摆位边界分别为3.05、7.04、4.62mm；上叶肺癌在X、Y、Z轴方向上的摆位边界分别为2.36、6.15、4.89mm；下叶肺癌在X、Y、Z轴方向上的摆位边界分别为4.02、10.46、7.82mm。
　　2通过公式2.5Σ+0.7σ计算出手动配准方式下不同组别患者的摆位边界，中央型肺癌在X、Y、Z轴方向上的摆位边界分别为2.69、9.58、6.31mm；周围型肺癌在X、Y、Z轴方向上的摆位边界分别为3.96、9.21、8.15mm；左肺癌在X、Y、Z轴方向上的摆位边界分别为3.30、8.32、7.41mm；右肺癌在X、Y、Z轴方向上的摆位边界分别为3.75、8.44、6.81mm；上叶肺癌在X、Y、Z轴方向上的摆位边界分别为2.68、7.23、6.74mm；下叶肺癌在X、Y、Z轴方向上的摆位边界分别为4.68、10.74、9.75mm。
　　3公式2.5Σ+0.7σ计算结果表现为周围型大于中央型，下叶大于上、中叶。4自动配准方式、手动配准方式对摆位边界的影响不大。
　　结论:
　　46例肺癌患者 CBCT扫描获取的系统误差和随机误差，代入公式2.5Σ+0.7σ，周围型肺癌比中央型肺癌摆位边界大，周围型肺癌中，上叶摆位边界小，下叶摆位边界大。无论自动配准方式还是手动配准方式，摆位边界差异不大。建议肺癌患者CBCT与定位CT图像配准时使用自动配准方式。

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引言

第一部分肺癌千伏级CBCT图像引导下放疗配准方法及摆位误差的研究

前言

材料与方法

结果

附图

附表

讨论

小结

参考文献

第二部分肺癌千伏级CBCT图像引导下放疗摆位边界的研究

前言

材料与方法

结果

附表

讨论

小结

参考文献

结论

综述:肺癌图像引导放射治疗的研究进展

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