基于紅外定位系統放療實時擺位預警系統的擺位數據誤差統計

王語匯，王東燕，周俊東，吳傳鋒，葛云，陳穎，黃曉林，李偉峰

1.南京大學電子科學與工程學院，江蘇南京210023；2.蘇州市立醫院東區放療科，江蘇蘇州215000

前言

根據國家癌癥中心發布的2019年最新數據，2015年中國惡性腫瘤發病病例高達392.9 萬例，死亡病例約為233.8萬例。這意味著中國平均每天有1萬多人被診斷為惡性腫瘤，平均每天有6 400 多人死于癌癥［1］。我國癌癥的發病率和死亡率均呈上升趨勢。近十年來，中國惡性腫瘤的發病率每年約增長3.9%，死亡率每年約增長2.5%［2］。放療是腫瘤治療的重要手段［3-4］。由于腫瘤的類型和分期存在差異，需要進行放射治療的患者約占所有腫瘤患者的50%～65%［5］。若放射治療時擺位不夠準確，則有可能導致腫瘤部分欠照射或正常組織受損的情況，將直接影響腫瘤患者的治療效果，影響腫瘤患者的臨床生存率，也進一步影響腫瘤是否會根治與復發［6-7］。放射治療擺位的過程為：醫生在治療計劃系統的影像中對腫瘤進行勾畫，由影像確定腫瘤中心，物理師和治療師再根據這個腫瘤中心坐標，調整治療床，使病人腫瘤中心的位置與放射治療設備的機械等中心的位置重合［8］。

有些部位的腫瘤周邊有很多重要器官，這對放療擺位提出了很高的要求［9］。尤其是在分次間放射治療的過程中，準確而可靠的擺位對射線劑量的輸送就顯得更為重要。但由于放射治療的次數較多，周期較長，一個放射治療療程約為30～40 d，涉及的影響因素眾多而又復雜，這就導致保證每次擺位都有較高準確性有很大的難度［10］。而且在中國，物理師和治療師受到教育的程度以及臨床經驗都參差不齊，治療時物理師一般都不在現場，再者中國病人眾多，每位患者的擺位時間非常有限，一般不超過5 min，這使得擺位精度更加得不到保證［11］。

有了臨床放療擺位后產生的大量數據記錄，就可以對擺位設備、擺位方法、擺位精度、擺位腫瘤區域、放療設備相關機械性能等進行比較和研究，就可以及時發現各種問題，分析擺位誤差產生的原因，及時或實時地預警、提醒和糾正擺位錯誤。這將在放療擺位實施上形成“閉環思維”，更好地幫助醫學物理師和治療師及時發現擺位錯誤，控制擺位誤差，最終保證擺位質量，有望大幅度改善中國的放療療效［12-14］。

1 資料與方法

1.1 患者資料

本研究納入645 例擺位數據，其中有264 例腹部癌癥擺位數據，195 例頭頸部癌癥擺位數據以及186例頭部癌癥擺位數據。

1.2 復雜醫學坐標系轉換關系

不同擺位方法對應的擺位坐標系之間無法互相轉換，這是導致此前擺位精度無法比較和研究的關鍵所在。紅外定位系統（OPS）放療實時擺位預警系統含有一個放療擺位結果數據的收集裝置，即在加速器機房建立一個收集監控裝置，能夠收集監控轉換坐標系。該系統能夠將現有的擺位結果數據統一轉換到一個坐標系下，進行比較和研究。下面將對CT坐標系與OPS坐標系的轉換關系矩陣進行推導。

空間矢量(i j k )'需要經過一個三維空間的映射變換，才能轉換成另一個坐標系下的矢量，該變換由線性變換矩陣M和平移變換組成：

其中，線性變換矩陣M包含了空間方向以及軸縮放相關的所有信息，平移變換包含了原空間矢量的幾何位置信息。由于線性變換是矩陣相乘實現的，平移變換是矩陣相加，為了通過矩陣乘法來同時表示線性變換和平移變換，在此處我們引入增廣矩陣N：

式中的增廣矩陣N被稱為轉換矩陣，由此建立CT 坐標系與OPS 坐標系的轉換關系。常見的CT 掃描體位至少有8種，每一種掃描體位都對應不同的轉換關系。我們以HFS 頭先進仰臥位為例，在CT 坐標系中，x、y、z 軸正方向分別為：從右到左、從腹到背、從腳到頭，而在OPS 坐標系中，x、y、z 軸正方向分別為：從右到左、從背到腹、從頭到腳，由此可知線性變換矩陣M為：

據此類推，8 種掃描體位對應的轉換關系就都能夠得到，由此我們可以得到轉換關系為：

在實際的工程應用中，我們采用6 對點，用貪心算法對轉換矩陣N進行參數優化。通過每一步貪心選擇，尋找問題的局部最優解。從6 對點坐標開始，然后用5、4、3對點自頂向下遍歷，得到局部最優解即停止遍歷。轉換矩陣N進行參數優化后得到N'：

OCT是CT 坐標 系 下某點 的坐標，OOPS是OPS 坐標系下對應該點的坐標。通過使用貪心算法進行參數優化，最終建立了CT 坐標系和OPS 坐標系的轉換關系矩陣。

1.3 擺位誤差評估方法

1.3.1 判斷等中心偏差是否異常不同部位受到身體內部組織運動的影響不同，因此對擺位誤差判定也有不同。由于腹部受呼吸運動、器官蠕動、器官充盈狀態等因素的影響較大，容易引起較大的誤差，因此腹部x、y、z 3 個方向任一方向上的偏差大于5 mm時，則判定為異常。頭頸部腫瘤的位置受到呼吸運動或心臟跳動的影響較小，因此x、y、z 3 個方向任一方向上的偏差大于2 mm 時，則判定為異常。頭部腫瘤的位置受到呼吸運動及其他內部組織運動的影響很小，因此頭部x、y、z 3 個方向任一方向上的偏差大于2 mm 時，則判定為異常。進一步判斷產生該偏差的原因。檢查當日等中心與注冊等中心的偏差，如果擺位偏差與注冊偏差大體一致，則判斷等中心注冊偏差異常。

1.3.2 判斷相機移動偏差是否異常如果擺位數據沒有異常，但是當日注冊等中心與歷史等中心有明顯偏差，則判斷相機移動偏差異常。

1.3.3 判斷激光線偏差擺位偏差值異常，但是當日注冊等中心與歷史等中心沒有明顯區別，則判斷是激光線偏差。

1.3.4 判斷體膜是否變形膜發生形變會導致球的位置發生變化，若一個病人過半的膜球變形度這一治療數據都產生了問題，則可能是因為膜發生了形變。每個病人的每次擺位數據都進行檢測。

1.3.5 錐形束CT（CBCT）本身機械問題將同一病人的所有數據進行比較，以折線圖的方式展示出來，如果某個病人的某次數據有問題，則可能當天或者更久的所有病人的數據都有問題。某一器官成像時的圖像分辨率問題，如肺影像不清楚會產生擺位誤差，影響療效。

2 結果

圖1 表示264 例腹部癌癥數據的等中心注冊偏差、相機移動偏差、激光線偏移3種偏差的監控情況，圖2 表示195 例頭頸部癌癥數據3 種偏差的監控情況，圖3 表示186 例頭部癌癥數據3 種偏差的監控情況。

圖1 264例腹部癌癥數據3種誤差的監控情況Fig.1 Monitoring results of 3 kinds of errors in 264 cases of abdominal cancer

圖2 195例頭頸部癌癥數據3種誤差的監控情況Fig.2 Monitoring results of 3 kinds of errors in 195 cases of head and neck cancer

圖3 186例頭部癌癥數據3種誤差的監控情況Fig.3 Monitoring results of 3 kinds of errors in 186 cases of head cancer

腹部x、y、z 3個方向任一方向上的偏差大于5 mm時，則判定為異常。在264例腹部癌癥數據中，有5例數據等中心注冊偏差異常，1 例數據相機移動偏差異常，11 例數據激光線偏差異常。3 種偏差分別占所有腹部癌癥數據的1.9%、0.4%、4.2%。

頭頸部x、y、z 3 個方向任一方向上的偏差大于2 mm 時，則判定為異常。在195 例頭頸部癌癥數據中，有13 例數據等中心注冊偏差異常，4 例數據相機移動偏差異常，40例數據激光線偏差異常。3種偏差分別占所有頭頸部癌癥數據的6.7%、2.0%、20.5%。

頭部x、y、z 3個方向任一方向上的偏差大于2 mm時，則判定為異常。在186 例頭部癌癥數據中，有10例數據等中心注冊偏差異常，3 例數據相機移動偏差異常，25例數據激光線偏差異常。3種偏差分別占所有頭部癌癥數據的5.4%、1.6%、13.4%。

圖4 表示某例腹部擺位數據體膜變形過大的情況，其中橫軸表示定位球編號，縱軸分別為在x、y、z 3個方向上的膜球變形度。腹部膜球變形度大于2 mm則認定為異?！，F有的頭頸部及頭部擺位數據未發現體膜形變異常數據。腹部體膜變形導致的偏差占所有腹部癌癥數據的1.5%。

圖4 某例腹部擺位數據體膜變形情況Fig.4 Deformation of body membrane in a case of abdominal positioning data

圖5 表示OPS 放療實時擺位預警系統記錄的同一病人CBCT 的所有擺位數據，以折線圖的方式展示，橫軸為患者的治療時間，縱軸為3 個方向上的擺位誤差，便于物理師查看。腹部、頭頸部、頭部x、y、z 3 個方向任一方向上的偏差分別大于5、2、2 mm 時，則偏差異常。腹部、頭頸部、頭部CBCT 數據異常分別占各個部位所有擺位數據的2.7%、13.8%、10.3%。

圖5 CBCT擺位情況監控Fig.5 Monitoring of CBCT positioning

表1顯示了OPS放療實時擺位預警系統對腹部、頭頸部以及頭部擺位數據5種誤差的監控情況，表中數據為每一類誤差出現的次數。

表1 OPS放療實時擺位預警系統對腹部、頭頸部以及頭部擺位數據5種誤差的監控情況Tab.1 Five kinds of errors in the abdominal,head and neck,and head positioning data monitored by OPS radiotherapy real-time positioning early warning system

由以上結果可以看出，OPS放療實時擺位預警系統能較為準確實時預警擺位質量和擺位精度，當擺位出現較大偏差時，該系統能夠迅速報警，及時指出擺位存在的問題，第一時間提醒參與擺位的物理師和醫療技術人員，糾正存在的問題，大大減小擺位難度，縮短擺位時間，提高擺位效果，在臨床中有實際意義。

3 討論

國內外目前對放療擺位質量的研究和實施，仍然停留在放療“擺位前”的相關設備和臨床技術實施過程中的質量控制上。至今還沒有出現過對放療“擺位后”產生的數據進行研究，以此用于擺位實時預警。本文的OPS 放療實時擺位預警系統能夠及時收集、分析擺位產生的數據，指出擺位所存在的問題，在臨床中有很大的優勢。常規的放療患者通常一周僅使用一次CBCT［15］來實現精準擺位：首先使用室內激光定位系統擺位，第二步使用CBCT對患者進行掃描，驗證室內激光定位系統的擺位誤差，最后對擺位誤差進行校正［16-18］。CBCT 在使用過程中較依賴使用人員的技術水平［19］，并且在治療過程中無法使用CBCT。室內激光定位系統利用3個方向的激光十字線定位，但任何一個方向出現偏差都會導致較大的擺位誤差［20］。而本文提出的OPS 放療實時擺位預警系統能夠及時發現各種擺位誤差，在一定程度上提高了患者治療的擺位精度和治療安全。且該系統所依賴的OPS 采用自由式配準技術，具有較高的抗干擾能力。OPS主要依賴計算機進行智能化擺位，由人員操作帶來的誤差幾乎忽略不計。

綜上所述，OPS放療實時擺位預警系統在放射治療擺位方面非常有效，能夠幫助實現準確、快速的患者擺位，及時發現現有的擺位問題。對于放療的患者而言，OPS放療實時擺位預警系統在滿足放射治療精度的情況下，還能具有如下特點：實時監控患者的擺位誤差，降低放療擺位時間成本，提高治療效率，增強治療安全性。