扇形束CT引导头颈肿瘤根治性放疗摆位精准度分析

严晓婷 陆神斌 周昌海 郭嘉俊 王孝深

(复旦大学附属眼耳鼻喉科医院放疗科 上海 200031)

放射治疗(简称放疗)是头颈部肿瘤的主要治疗手段之一，放疗的精准度是决定头颈肿瘤局部控制率的重要因素之一，而影响放疗精准度的原因主要包括系统误差和随机误差。近10年来，放疗相关设备(CT模拟定位机、直线加速器，等)的机械性能愈加完美，系统误差越来越小，摆位的随机误差则成为影响放疗精准度的主要因素。患者放疗期间体重减轻导致体表轮廓改变，与头颈肩膜的贴合性变差所引起的摆位误差是随机误差的主要来源[1]。

体重指数(body mass index，BMI)与此类患者的放疗摆位误差密切相关[2]，而单纯给出BMI下降的数值难以统一反映患者自身前后的变化规律。此外，每个患者每次摆位都具有随机性并且每周体重变化也不同。因此有必要根据患者的每周相对体重变化比率进行细化，以便于及时修改放疗计划。

本研究通过患者体重变化推导摆位误差范围(制定95%参考值范围法)，从摆位误差值反推患者体重变化[受试者工作特征曲线法(receiver operating characteristic curve，ROC曲线法)]，综合2个角度来定量探讨体重变化对头颈肿瘤患者摆位误差的影响程度，利用联影新一代设备uRT-linac 506c的扇形束CT引导的放疗(fan beam CT guided radiotherapy, FBCT-RT)后处理功能来深入分析误差来源。

1.1 资料 本项目为前瞻性研究。选取复旦大学附属眼耳鼻喉科医院放疗科2021年9月～2022年6月期间住院接受根治性放疗的头颈肿瘤患者，要求一般情况良好，放疗前未经手术治疗，共50例为研究对象。包括鼻腔肿瘤16例、鼻咽癌27例和口咽癌7例。患者年龄18～70岁，平均(49.0±14.5)岁，其中男性31例、女性19例。放疗过程当中患者均接受顺铂单药75 mg/m2每3周方案同期化学治疗(简称化疗)。

1.2 方法

1.2.1 体位固定与图像采集规范 依照我科放疗定位程序施行，具体如下：临床医师确认患者需要接受根治性放疗，口腔科预处理牙齿，患者理短发，取掉头颈部的所有装饰物品，采用舒适仰卧位，人睡正，双腿伸直，两手自然置于身体两侧，根据颈部曲度选择合适型号的塑胶枕头，常规模拟机透视下确定体位合适，采用头颈肩部热塑面膜进行体位固定。面膜成型后使患者保持体位固定5 min以上[3]。等面膜充分冷却后再进行CT定位扫描，扫描范围自头顶至双侧锁骨下方2 cm，扫描层厚为 2.5 mm[4]，图像以DICOM格式传输至联影uRT-linac计划系统，在工作站上建立患者基本临床信息及三维坐标系标记。

1.2.2 实际摆位的图像获取 在联影uRT-linac 506c加速器上进行摆位和照射，照射之前的图像获取设备为该加速器自带的一体化CT，该CT为与加速器同轨同床的千伏级扇形束CT(fan beam CT，FBCT) 。在同一个机房同一张治疗床完成实时在线(real time)摆位验证和治疗，很大程度上节约了时间，减少了误差来源。头颈低剂量CT扫描协议具体参数如下：120.0 kV，25 mAs。配准范围：头顶至双侧锁骨下方2 cm。以放疗定位CT为基础，FBCT扫描结果与定位CT计划治疗区域进行详细配准比较。记录垂直方向(VRT)、头脚方向(LNG)、左右方向(LAT)的绝对偏移距离。

1.2.3 BMI与体重比率的检测 利用小米第二代体脂仪在CT模拟定位时测出各患者的基线体重(0w0) 并在放疗过程中每周行FBCT扫描当日测量1次体重(0w1～0w6)，均为患者晨起的空腹体重。并嘱咐患者及家属将体重尽量控制在基线水平。计算患者相对于CT定位时的每周体重变化比率(Δw，再利用公式：BMI=体重 (kg)/身高2(m2)来计算初次定位时脂肪占身体的比重。根据初次定位时的BMI将患者分成BMI≥24 kg/m2和BMI＜24 kg/m22类人群来讨论。BMI能直接衡量人体胖瘦程度，按照我国规定标准，BMI正常范围为18.5～24.0 kg/m2，≥24.0～27.0 kg/m2为超重，≥27.0～29.0 kg/m2为肥胖，＜18.5 kg/m2为 过轻。

1.2.4 颈部皮下脂肪的测量 由同一操作者对患者CT定位图像和第1～6周放疗摆位时获取的FBCT进行图像配准，默认脂肪的CT值为-190～-30 HU，调整窗宽为160 HU，窗位为-110 HU，并于正中矢状面上测量患者第二颈椎椎体上缘平面的颈部皮下脂肪厚度(f0，f1～6)，该平面位于颈上段，脂肪厚度相对较厚便于测量，而且该平面基本上是放疗计划的等中心层面。统计每例患者体重最轻周次所取得FBCT图像的颈部皮下脂肪厚度(fmin)与对应该周次的VRT方向摆位误差。随后计算得到放疗过程中体重最轻周次与CT定位时比较该平面的皮下脂肪厚度的差值(Δf，Δf=f0－fmin)。通过绘制散点图探索Δf与VRT方向误差的相关性。

1.2.5 分组 在治疗期间按患者相对于CT模拟定位时的每周体重变化比率(Δw)分4组：A组(Δw＜2%)、B组(2%≤Δw＜4%)、C组(4%≤Δw＜6%)和D组(Δw≥6%)。同一患者的每周摆位误差数据会根据当时的体重变化比率进入到不同组别。

1.3 统计学处理 共采集得到270组有效的体重变化比率对应的摆位误差数据。剔除体重测量偏倚6次，如未在FBCT当日检测或未在晨起空腹检测。剔除摆位测量偏倚5次，如未在高年资技师指导下摆位或患者行FBCT时剧烈咳嗽。

各项数据均输入SPSS 21.0软件进行统计学处理，计量资料以表示。采用方差分析比较各组在VRT、LNG、LAT方向摆位的差异。采用单因素线性回归模型建立体重变化影响摆位误差的模型。以BMI=24 kg/m2为界，将50例头颈肿瘤患者按定位CT时的BMI分组分别制订体重变化在0～2%、≥2～4%、≥4～6%摆位误差的单侧95%参考值范围(+1.64s)，并利用ROC曲线法找到误差达2 mm时的体重变化临界值即cut-off值。P＜0.05为差异具有统计学意义。

2.1 各体重变化段VRT、LNG、LAT 3个方向摆位误差比较 随着体重减轻比率的逐步加大，VRT方向摆位误差也逐步增大，差异具有统计学意义(F=6.324，P＜0.05；
表1)。而LNG、LAT方向差异无统计学意义(P值均＞0.05；
表1)，但LNG方向可见随体重变化摆位稳定性变差即标准差增大。针对VRT方向的多重比较结果显示，体重变化在0%～2%组和≥4%组的VRT比较差异具有统计学意义(P＜0.01)，体重变化在≥2%～4%组和≥4%组的VRT比较差异也具有统计学意义(P＜0.05)，而体重变化0～2%组和≥2% ～ 4%组的VRT比较差异无统计学意义(P＞0.05)，体重变化≥4% ～ 6%组和≥6%组的VRT比较差异也无统计学意义(P＞0.05)。

表1 各体重变化段摆位误差的结果比较(mm，)

表1 各体重变化段摆位误差的结果比较(mm，)

体重变化 n VRT LNG LAT 0～2% 126 0.73±0.53 1.39±0.96 1.24±1.35≥2%～4% 63 0.80±0.61 1.66±1.08 1.02±0.80≥4%～6% 43 1.14±0.87 1.42±1.03 1.04±0.70≥6% 38 1.13±0.87 1.60±1.29 1.04±0.76 F值 6.324 1.139 0.836 P值 ＜0.001 0.334 0.475

2.2 体重变化比率与VRT摆位误差的线性相关模型建立 将体重变化比率作为影响摆位随机误差的重要因素，其余系统误差因素作为残差，得到BMI＜ 24 kg/m2人群体重变化＜6%时的单因素线性回归模型：VRT=0.680+5.1×Δw(P＜0.05)以及BMI≥ 24 kg/m2人群体重变化＜6%时的单因素线性回归模型：VRT=0.580+12.3×Δw(P＜0.05)，详见表2。当患者体重减轻＞6%时，Δw与VRT不成线性关系 (P＞0.05)，说明体重的进一步下降不一定总是伴随着VRT方向摆位误差的增加。

表2 不同BMI人群体重变化＜6%时的VRT摆位误差单因素线性模型 单位：mm

2.3 不同体重变化段人群VRT方向的95%摆位误差参考值范围 BMI≥24 kg/m2和BMI＜24 kg/m2两大人群的各体重变化段的摆位误差直方图均呈近似正态分布。各体重变化段VRT方向摆位误差的95%单侧参考值范围详见表3。可见，对体重减轻＜ 2%的患者，摆位误差基本都能控制在1.64 mm以内。但随着患者体重变化的增大，BMI≥24 kg/m2人群误差变化幅度明显超过BMI＜24 kg/m2人群，当此类人群体重减轻达≥4%～6%后，VRT方向有95%概率控制在2.98 mm内，接近警示值3 mm。由于本研究对体重减轻＞6%的患者采集数据较少，体重变化跨度较大，不具备制订95%参考值范围的条件，故暂不讨论。

表3 不同BMI患者各体重变化段VRT的95%单侧参考值范围(+1.64s) 单位：mm

表3 不同BMI患者各体重变化段VRT的95%单侧参考值范围(+1.64s) 单位：mm

BMI＜24 kg/m2人群 BMI ≥24 kg/m2人群0～2% ≥2%～4% ≥4%～6% 0～2% ≥2%～4% ≥4%～6%摆位验证次数 75 26 19 51 37 24 VRT参考上限 1.64 1.65 1.93 1.57 1.91 2.98项目

2.4 利用ROC曲线寻找VRT方向误差在2 mm对应的体重变化比率cut-off值 ROC曲线下面积为0.810(P＜0.01；
图1)。体重变化比率的cutoff值为3.30% (此时约登指数最大为0.596)对应的敏感度为93.3%， 特异度为33.7%。即当患者体重变化达3.30%时，预测本次VRT方向误差达 2 mm以上的敏感度为93.3%， 特异度为33.7%。

图1 ROC曲线分析体重变化预测VRT达2 mm效力

2.5 利用FBCT探索头颈肿瘤患者脂肪厚度变化与VRT方向误差关联性 结果显示，第二颈椎椎体上缘平面的皮下脂肪厚度变化量(Δf)与该次测得VRT方向误差呈线性正相关(r=0.330，P＜0.05；
图2)。说明体重减轻所致颈后脂肪的减薄致使VRT方向摆位误差增大。

图2 50例患者体重最轻时的颈后脂肪厚度变化量对应VRT关系散点图

头颈肿瘤患者放化疗期间容易出现因营养摄入不足而体重下降，体表轮廓缩小，从而影响放疗体位固定的重复性。VRT方向摆位误差是衡量脑干脊髓是否有可能落入照射范围而接受高剂量照射的重要指标[5～6]。一项2 433例的患者跟踪研究还指出体重减轻＞5%会显著降低患者的生存率[7]。

尽管目前已经全面进入精准放疗时代，但很少有肿瘤中心对头颈部肿瘤的根治性放疗每一次都实行图像引导的放疗(image guided radiotherapy, IGRT)，因为频繁进行锥形束CT(cone beam CT，CBCT)扫描不仅增加设备的故障率风险，还给患者带来额外不必要的辐射[8～9]。多数单位是间断性实施IGRT,例如每周行一次CBCT验证。但每周一次的CBCT验证无法准确反映短期内摆位误差的变化，特别是遇到放假后的首次治疗，部分患者未轮到CBCT验证时机。根据本模型测量患者的体重下降程度可以初步估测摆位误差超过标准值的可能性，随后再另行CBCT验证假设，从而确定重新定位的时机。

本研究通过对50例头颈肿瘤患者共270次的摆位误差统计分析后发现，对于体重无明显变化患者(Δw＜2%)，VRT方向的摆位误差可以控制得很小。随着体重进一步下降(2%≤Δw＜4%)，VRT方向的摆位误差呈一定的增大趋势。但多重比较显示，这2组差异无统计学意义(P＞0.05)，可能因为人体能源起初的消耗并不以头颈轮廓皮下脂肪为主，而是先动员肝糖原或其他部位储备脂肪[10]。当然体重测量偏倚也可能是其中的原因(如内衣厚薄及摄食排泄)；
但当体重进一步减轻(4%≤Δw＜6%)时，VRT方向的摆位误差和前组比较差异有显著统计学意义(P＜0.01)，可能因为人体储备能源消耗殆尽，通过对此类患者每周即时获取的FBCT图像测量后发现大部分患者颈部皮下脂肪开始明显变薄；
当体重再一度减轻后(Δw＞6%)，VRT方向误差总体未见进一步增大，仅表现为摆位误差的稳定性变差即标准差的增大。FBCT图像测量后发现仅部分患者皮下脂肪厚度仍进一步变薄呈个体化差异，取决于基础皮下脂肪厚度、BMI、肥胖类型、颈部淋巴结受累情况、肿瘤进展情况等众多解剖病理因素，故因人而异。

作为影响VRT方向摆位误差的主要因素，BMI≥ 24 kg/m2的患者此类现象较BMI＜24 kg/m2的患者更明显，这与肥胖患者颈后脂肪层比正常体重患者更厚有关。从线性模型中也可看出该类人群的体重减轻对VRT方向误差影响更大(系数分别为5.1和12.3)。除患者自身因素导致VRT方向误差外，系统误差也不能完全忽略。在摆位进床至计划设定的三维坐标系后，由于人体平躺的重心远离治疗床的固定支点，会导致治疗床床板远端的下沉，这一点在肥胖患者上最为明显。当患者变瘦后这种床板的下降程度反而会减弱。

我们也观察到患者因显著消瘦导致面部轮廓变小致使头顶上方变空，影响头脚方向摆位误差，具体表现为LNG方向的稳定性变差(标准差变大)，这也与技术员摆位时患者头顶是否每次均顶足面罩上方空隙有关。LNG与VRT也存在一定的关联性。当技术员嘱患者向上顶足面罩后，因颈背段肌肉筋膜较颈中段更为厚实，通过位置上移正好补足了减薄的厚度，因此部分患者即便体重下降＞6%，VRT方向的误差也能基本不变，但向上顶足后LNG方向误差会代偿性增大(可接受的范围之内)。

由于头颈部肿瘤患者营养摄入不足导致的是身体左右两侧的脂肪呈均匀性减少，因此左右两侧随机误差发生的概率相同，LAT方向的摆位误差差异无统计学意义。我们在统计过程中还发现头颈部肿瘤患者在放疗的第4周体重变化最明显，但随后几周趋于稳定，与魏学燕等[11]的研究发现基本一致。这提示技术员应密切监测放疗中后期的体重和摆位误差。

既往研究以描述性、定性研究为主。我们利用联影uRT-linac 506c的FBCT能得到高分辨率配准图像，加上规范严谨的操作和质控流程，采集得到精确可靠的摆位误差数据，预测建模同时给出体重与VRT方向摆位误差相关的95%单侧参考值范围；
利用其能做三维重建等多种图像后处理并且引导后实时测量的优势，获取患者每周头颈部脂肪轮廓的变化从而进一步探寻误差的来源。因联影uRT-linac 506c的床板支点接触面大十分牢固，在进床后不容易产生远端沉降，故测得VRT方向摆位误差也十分可靠。研究也充分考虑了体重测量和摆位的众多偏倚(如患者增减衣物、有无静脉营养补液、技术员摆位规范等)，尽了最大努力统一测量标准。

依据我科规范的放疗流程和科学的营养管理，患者的体重变化基本都控制在6%以内，摆位误差也大多控制在3 mm以内。为探究更精细化的放疗，我们还利用ROC曲线取cut-off值制订出了2 mm摆位误差控制范围以供参考。

建立模型与95%单侧参考值范围离不开大样本的患者数据库，一般认为至少120例并保证每组摆位验证次数足够方能得出可靠的结论[12]。我们后续会丰富各段BMI人群的各段体重变化数据库，给出更可靠的参考值范围；
受FBCT的扫描方式限制，CT扫描需先退出治疗位再延伸到一体化CT机内进行，存在治疗床的机械下沉因素，故本研究LNG方向的误差获取不一定完全代表了治疗位置时的摆位精度；
因CT图像上统一脂肪厚度测量标准较严苛，故结果仅能反映出脂肪厚度与VRT方向误差的大致趋势。本研究目前也只应用了传统的头颈肩膜+头枕的固定方式，尚未探究联合使用负压真空垫或发泡胶对体重减轻的固定效果和预测模型。但多位学者证实利用发泡胶能形成一个和头颈部及肩背部形状吻合的头颈肩泡沫垫，在此基础上再采用头颈肩面罩固定在减小摆位误差方面有着潜在的优势[13]。

采取更完善的固定方法，动态预估患者的摆位误差变化趋势，对放疗各个环节加强质控，必要时重新定位可有效提高治疗的精准度。