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中下肺肿瘤SBRT放疗中分次内误差影响因素及PTV外扩边界分析

2024-10-30 112 上传者：管理员

摘要：目的:探讨中下肺肿瘤立体定向放射治疗(stereotactic body radiotherapy, SBRT)过程中分次内误差影像因素并计算PTV-margin(PM)。方法:收集2022年2月至2023年6月德阳市人民医院肿瘤科收治的21例行中下肺SBRT治疗的患者，采用仰卧位双手上举抓杆，热塑头颈胸膜固定，三维CT和四维锥形束CT(cone beam computed tomography, CBCT)融合定位，确定内靶区(internal target volume, ITV),分割模式总剂量48～60 Gy,单次6～12 Gy/次，总共4～10次。患者治疗前行3D-CBCT扫描，移床纠正摆位误差后开始治疗，完成后进行第二次3D-CBCT扫描并记录误差数据作为分次内误差，计算分次内误差的矢量距离，分析其与治疗时间、体质指数(body mass index, BMI)、患者年龄三个方面的相关性。分别记录两次3D-CBCT所得误差数据，利用PM计算公式分别计算分次间和分次内误差所需PM。用SPSS 26.0进行数据统计分析。结果:分次内误差在三维方向上的矢量距离均值±标准差为(0.17±0.16) cm,与治疗时间的相关性有统计学意义(r=0.38,P<0.01),与患者年龄的相关性无统计学意义(r=-0.09,P=0.33),与患者BMI的相关性无统计学意义(r=0.18,P=0.06)。分次间误差与分次内误差在三维方向均数±标准差分别为：左右方向(Left-Right, LR):(-0.08±0.26)cm,(-0.01±0.1)cm;头脚方向(Superior-Inferior, SI):(-0.1±0.36)cm,(-0.01±0.15)cm;前后方向(Anterior-Posterior, AP):(-0.05±0.17cm),(0.02±0.14)cm。分次间和分次内误差在LR、SI、AP方向所需PM分别为：LR 0.54 cm、0.11 cm; SI 0.78 cm、0.16 cm; AP 0.31 cm、0.14 cm。结论:中下肺癌SBRT治疗中分次内误差和治疗时间存在相关性，与患者年龄、患者BMI指数无相关性。在中下肺SBRT治疗中，使用4D-CBCT辅助ITV勾画后，0.5 cm PM能够补偿分次内误差带来的位置变化。

关键词：
3D-CBCT
BMI
PTV-margin
SBRT
中下肺肿瘤
分次内误差
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对于不能手术的非小细胞肺癌或肺寡转移性肿瘤患者，立体定向放射治疗(stereotactic body radiation therapy, SBRT)的治疗效果已经得到广泛认同。与常规放疗相比，SBRT是利用小分割大剂量的方式给予治疗，提高了治疗肿瘤的效果的同时减少损害正常组织和不良反应的发生，局部控制率可达到90%[1-6]。

在行SBRT时，单次的高剂量要求靶区外扩边缘足够小，需要处理好分次内误差以及分次间误差[7]。分次间误差定义为患者治疗前采集的三维锥形束CT(three-dimensional cone beam computed tomography, 3D-CBCT)影像与定位CT配准得出的误差。分次内误差定义为患者在开始出束治疗到治疗结束时所产生的位置变化，由治疗结束后采集的3D-CBCT影像与定位CT配准得出的误差来表示。文献报道，肺部肿瘤放射治疗分次内误差的影响因素包括：患者年龄、治疗时间、患者体质指数(body mass index, BMI)以及肿瘤靶区随患者呼吸运动度等[8-10]。其中呼吸运动带来的肿瘤位置变化，通过四维锥形束CT(four-dimensional cone beam computed tomography, 4D-CBCT)与3D-CT融合定位来进行修正[11-14]。

本研究基于3D-CBCT影像，分别收集患者治疗前和治疗后的分次间与分次内误差数据，将三维方向分次内误差数据转化为矢量位移与患者体治疗时间、BMI、年龄之进行相关性分析，并且以分次间和分次内误差数据来计算中下肺SBRT治疗所需的PTV外扩边界(PTV-margin, PM),来指导临床计划设计。

1、材料与方法

1.1研究对象

选择2022年2月至2023年6月德阳市人民医院肿瘤科收治的21例行SBRT治疗的肺部肿瘤患者，其中男性患者10例，女性患者11例，最小年龄44岁，最大年龄79岁，中位年龄64岁。纳入标准需符合：肿瘤直径≤5 cm;位于中下肺的周围性肺癌，根据美国放射肿瘤协会(Radiation Therapy Oncology Group, RTOG)0813报告[15]定义为远离近端支气管树周围2 cm的区域，不邻近纵隔、心包或者胸膜；不存在放疗禁忌症，如低氧血症，高碳酸血症，严重肺动脉高压，严重的大脑、心血管或周围血管疾病，严重的慢性心脏病或伴有末端器官损伤的糖尿病等。本研究通过德阳市人民医院伦理审查(伦理审查号：2023-04-015-K01),所有患者签署知情同意书。

1.2方法

1.2.1体位固定与模拟定位

所有患者均采用仰卧位平躺的方式，利用头颈胸的热塑膜进行体位的固定。在SIMENS confidence CT模拟定位机上进行3D-CT模拟定位。采用放疗专用肺扫描序列，电压120 kV,FOV 500 mm,扫描范围以及层厚参照美国医学物理学家协会(American Association of Physicists in Medicine, AAPM)TG101报告[16]对于SBRT治疗定位要求从环甲膜水平到肝脏下缘，层厚3 mm,分别进行平静状态下自由呼吸普通平扫和增强扫描。患者完成3D-CT模拟定位后，在医科达Synergy系统上，按照同中心进行4D-CBCT定位扫描，为了保证4D-CBCT单时相图像质量满足靶区勾画需求，我们对扫描序列进行了修改，增加了扫描角度，同时将原有低分辨重建序列修改为中分辨，具体如下：kV=120 ,kV Collimator=S20,kV Filter=F1,Start Angle=180,Stop Angle=-90,Gantry Speed=45,Total Frames=1947,Total mAs=623,Nominal Scan Does=20mGy, Reconstruction Presets=S20 4D-Med_Res。获得10个时相4D-CBCT定位图像传至Monaco系统与3D-CT图像融合配准用于靶区勾画[12](图1)。

图1 4D-CBCT辅助模拟定位勾画ITV三维方向示意图

1.2.2靶区勾画及计划制定

根据RTOG 0915协议[17],肿瘤内靶区(internal target volume, ITV)在定位CT肺窗上勾画，ITV到临床靶区(clinical target volume, CTV),没有添加额外的边界。计划靶体积(planning target volume, PTV)的定义根据AAPM101报告[16]建议，采用4D技术进行模拟定位时，PTV等于ITV三维方向均匀外扩0.5 cm。

分割模式：总剂量48～60 Gy,单次6～12 Gy/次，总共4～10次。计划标准基于RTOG 0915报告[17],至少95%的PTV被处方剂量覆盖。评估的关键计划指标包括V100%(处方剂量覆盖目标的百分比)和D95%(剂量覆盖目标的95%)。

1.3计划执行与误差数据收集

所有误差数据在医科达Synergy XVI 5.0 (Elekta, Crawley, UK)系统上收集，在治疗前扫描3D-CBCT,所得图像与定位3D-CT图像配准得出左右(Left-Right, LR)、头脚(Superior-Inferior, SI)、前后(Anterior-Posterior, AP)三个方向的分次间误差，移动治疗床消除位置误差后开始治疗。采用灰度加手动配准，范围包括PTV、同侧胸壁与椎体，确保整个靶区完全包绕肿瘤。由于未配备六维床，配准旋转误差被忽略，任何方向旋转误差大于3°,则重新摆位。治疗结束后进行第二次3D-CBCT扫描，得出的LR、SI、AP三个方向分次内误差数据。两次3D-CBCT扫描结束时间定义为患者治疗时间。

1.4统计学方法

所收集数据用SPSS V26.0软件进行分析。定量数据用均值±标准差表示。分次内误差矢量距离与治疗时间、BMI指数以及患者年龄的相关性采用皮尔逊相关性检验。P<0.05,表示差异有统计学意义。分次间与分次内误差所需PTV外扩边界采用Stone JJ公式[18]计算

定义为系统误差，为单个病例误差均数的标准差，σ定义为随机误差，为单个病例误差标准差的均方根。

2、结果

2.1 3D-CBCT引导下的分次内误差影响因素结果

治疗后3D-CBCT共收集108组分次内误差数据，根据公式：矢量距离,计算出分次内误差在LR、SI、AP三维方向上的矢量距离均值±标准差为(0.17±0.16)cm。患者年龄均值±标准差为(62.4±10.00)岁。患者BMI指数均值±标准差为22.44±2.50。治疗时间均值±标准差为(10.16±5.13) min(表1)。

表1分次内误差矢量距离、治疗时间、患者年龄、BMI等统计描述

将分次内误差矢量距离与治疗时间、患者年龄、患者BMI之间进行皮尔逊相关性分析，得出分次内误差矢量距离与治疗时间的相关性有统计学意义(r=0.38,P<0.01),矢量距离与患者年龄的相关性无统计学意义(r=-0.09,P=0.33),矢量距离与患者BMI的相关性无统计学意义(r=0.18,P=0.06;表2、图2)。

表2分次内误差矢量距离与治疗时间、BMI指数、年龄的相关性分析

图2分次内误差矢量距离与治疗时间、BMI指数、年龄的散点图

2.2分次间与分次内误差PTV边界

分别收集治疗前后108组误差数据，分次间误差在LR、SI、AP方向均数±标准差分别为：(-0.08±0.26)cm、(-0.1±0.36)cm、(-0.05±0.17)cm;分次内误在LR、SI、AP方向差均值±标准差分别为(-0.01±0.1)cm、(-0.01±0.15)cm、(0.02±0.14)cm。分次间误差在LR、SI、AP方向所需PM分别为：0.54 cm、0.78 cm、0.31 cm。分次内误差在LR、SI、AP方向所需PM分别为0.11 cm、0.16 cm、0.14 cm(表3)。

表3分次内、分次间误差在LR、SI、AP方向所需PM

3、讨论

SBRT治疗中除了分次间误差、肿瘤运动之外，分次内误差带来的影响也不可忽视。Lu等[20]研究中证实使用3D-CBCT对肺和肝脏分次间误差进行测量和纠正具有相当的可行性。SBRT治疗中单分次剂量高，治疗时间相对于常规分割会延长。Lee等[21]报道了乳腺癌放射治疗中BMI、年龄、治疗时间与分次内误差无关，而高BMI者分次内误差增大。目前的研究中对中下肺SBRT分次内误差影响因素的研究较少，因此对中下肺SBRT分次内误差影响因素进行相关性研究具有一定的临床意义。本研究分次内误差矢量距离与治疗时间具有正相关性，随着治疗时间增加，分次内误差增加。可能与SBRT单次剂量大，治疗时间长，患者在治疗体位无法长时间保持完全不动有关。

中下肺放射治疗中呼吸运动带来的影响不可忽视，目前最广泛的解决办法是通过4D-CT定位技术确定IVT的方法来弥补呼吸运动带来的影响[13,22-23]。Zhou等[24]报道利用4D-CBCT图像上的横隔膜与肿瘤位置之间的关系，可以精确预估肿瘤的横断面内位置。Thengumpallil等[25]报道，4D-CBCT和4D-CT在LR、SI、AP三个方向上的相关性系数，LR和SI方向R=0.96,AP方向R=0.92。本研究通过4D-CBCT与3D-CT相结合的方式来实现4D模拟定位，具有科学的理论基础与丰富的临床实践，相对于仅仅使用3D-CT定位，能更准确的勾画出ITV,在肺部SBRT治疗中能有效提高靶区覆盖率，降低呼吸运动带来的脱靶风险。

对分次间和分次内误差PM,大多数研究者采用van Herk公式[26]:2.5Σ+0.7σ来计算，Li等[12]使用4D-CBCT进行4D模拟定位，计算出分次间PM在LR、SI、AP方向分别为0.35 cm、0.75 cm和0.53 cm。Lu等[20]报道分次内误差PM在ML、AP、SI方向的分别为0.06 cm、0.29 cm、0.14 cm。本研究根据Stone JJ公式[18]PM=2.5∑+β-β计算所得分次间PM分别为0.54 cm、0.78 cm、0.31 cm,分次内误差PM分别为0.11 cm、0.16 cm、0.14 cm,与前两位研究结果略有差异。van Herk公式未充分考虑到呼吸运动带来的半影问题，Stone JJ公式中参数描述由累积高斯建模的半影的宽度，β是在规定的PTV最小剂量水平下的逆累积标准正态分布的值。在肺中，半影区较宽，半影区宽度估计为6.4 mm,对于肺部SBRT,使用β=0.84来应对80%处方等剂量线。

本研究的不足之处在于，由于样本量太少不足以支持我们进一步分析，去量化分次内误差与治疗时间之间的关系，暂时无法给出推荐治疗时间，我们将进一步进行相关研究。由于4D-CBCT扫描时间较长，单次扫描时间在5分钟左右，而3D-CBCT扫描时间大约1分钟，考虑到增加患者治疗时间会增大分次内误差，我们仅仅采用4D-CBCT辅助定位，没有采用4D-CBCT进行引导治疗。

综上所述，中下肺癌SBRT治疗中分次内误差和治疗时间存在相关性，与患者年龄、患者BMI指数无相关性。中下肺癌SBRT治疗中，使用4D-CBCT辅助勾画ITV,0.5 cm PM能够补偿分次内误差带来的位置变化。

作者声明:本文全部作者对于研究和撰写的论文出现的不端行为承担相应责任；并承诺论文中涉及的原始图片、数据资料等已按照有关规定保存，可接受核查。

学术不端:本文在初审、返修及出版前均通过中国知网(CNKI)科技期刊学术不端文献检测系统的学术不端检测。

同行评议:经同行专家双盲外审，达到刊发要求。

利益冲突:所有作者均声明不存在利益冲突。

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基金资助:德阳市科技局重点研发项目(编号:2021SZ008);四川省护理职业学院自然科学课题(编号:2023ZRY27)~~;

文章来源:曾伟,叶程伟,刘莉,等.中下肺肿瘤SBRT放疗中分次内误差影响因素以及PTV外扩边界分析[J].肿瘤预防与治疗,2024,37(10):898-903.