王彬冰 单国平

补偿角度算法纠正放射治疗摆位旋转误差

王彬冰①单国平①

目的：阐述一种在未配备六维治疗床的直线加速器上，使用旋转误差补偿角度消除患者旋转误差的方法。方法：使用锥形束CT(CBCT)获得患者每次六维摆位误差，在刚体假设下，根据摆位误差定义加速器坐标系和患者坐标系的变换矩阵。使用2个独立矢量描述加速器机架角、治疗床转角和准直器转角3个变量，对这2个矢量作坐标变换后，即可得到加速器旋转误差补偿角度。结果：使用加速器旋转误差补偿角度，能完全纠正治疗过程中的摆位旋转误差，纠正旋转误差耗时少，可以加入图像引导放射治疗(IGRT)的日常操作流程中。结论：用旋转误差补偿角度替代六维治疗床，纠正摆位旋转误差的方法简单可行，可以使未配备六维治疗床的加速器具备纠正摆位旋转误差的能力。

摆位旋转误差；六维治疗床；旋转误差补偿角度算法；图像引导放射治疗

[First-author’s address] Department of Medical Physics, Zhejiang Tumor Hospital, Hangzhou 310000, China.

摆位误差和器官运动是肿瘤放射治疗过程中不确定性的主要因素。近年来，随着图像引导放射治疗(image guidance radiotherapy，IGRT)的发展以及锥形束CT(cone beam CT，CBCT)和图像配准软件的应用，放射治疗中的摆位误差已能被精确测量，从传统的三维平移误差精确到三维平移误差加三维旋转误差[1-4]。虽然平移误差可以简单地通过移动普通治疗床即可消除，但目前主流的加速器治疗机上都未配备纠正旋转误差的特殊治疗床，如Elekta的六维机械治疗床HexaPod。本研究通过矩阵变换，计算出无六维床下采用机架和治疗床的旋转误差等效补偿角度。

1 设备与方法

1.1 摆位误差数据获取

采用热塑型体罩固定患者体位，在患者体表勾画定位标记，使用美国Philips大孔径CT模拟机行CT模拟定位扫描，扫描层厚5 mm；该CT图像作为图像融合配准的参考图像。患者每次治疗前调整体位，使治疗室激光灯系统和患者体表标记重合；在Elekta加速器X射线容积影像(X-ray volume imaging，XVI)系统行KV-CBCT扫描并作摆位分析。先将获取的图像与参考CT图像依据骨性或软组织自动配准，再由临床医生和物理师根据电脑配准结果进行手动调整，并最后得到患者X(左右)、Y(头脚)、Z(前后)3个方向上的平移误差和U(绕X轴旋转)、V(绕Y轴旋转)及W(绕Z轴旋转)方向上的旋转误差。

1.2 摆位误差的矩阵描述

将患者的摆位误差考虑为刚体问题，定义加速器坐标系为全局坐标系，定义患者坐标系为局部坐标系。患者的摆位平移、旋转误差即为这两个坐标系间的平移、旋转变换。若每次患者治疗时无摆位误差，则加速器坐标系和患者坐标系完全重合。三维坐标变换矩阵T可依据沿X，Y，Z方向上的旋转角度θx，θy，θz获得，即为公式1、公式2：

1.3 加速器治疗机械参数的矢量描述

使用2个独立矢量即可以描述加速器机架角、治疗床转角和准直器转角3个变量。定义描述机架角、治疗床转角的矢量为VG,T，定义描述准直器转角的矢量为VC。

在全局坐标系下VG,T随坐标旋转，a角即为加速器机架角度，b角即为治疗床旋转角度。在球坐标下对变换获得的矢量作还原即得到旋转误差补偿角度(如图1所示)。

图1 矢量VG,T随坐标旋转后示意图

1.4 代码

VXL即计算机视觉研究和实现库集(the visionsomething-libraries)，其中包含丰富的计算机图形处理实现函数，而研究所涉及的操作均在该函数库的基础上完成。

2 结果

选取1例腹部肿瘤病例，在Elekta的XVI系统上使用CBCT做摆位前扫描，使用Grey Value(T+R)与CT模拟定位获得的计划图像配准，从XVI系统上读取平移误差(0.09，-0.28，-0.07)和旋转误差(2.7o、-3.6o和1.4o)。

在Oncentra计划系统使用调强放射治疗计划测试算法。治疗计划使用5野共面布野方式，在多叶准直器(multi-leaf collimator, MLC)的Elekta Precise直线加速器上进行照射，射线能量10 MV。旋转误差为(2.7o，-3.6o，1.4o)情况下的加速器初始角度和考虑摆位旋转误差后的补偿角度见表1。

表1 在旋转误差下加速器初始角度和考虑摆位旋转误差后的补偿角度(o)

3 讨论

摆位误差对放射治疗的成败有重要影响，在IGRT以及图像配准软件的帮助下，可根据患者CT扫描图像中骨或软组织的相对位置确定摆位误差，而非单纯参照体表标志，该方法极大提高了治疗精确度。图像配准软件通常给出6个自由度，即沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向的平移自由度和围绕这三个坐标轴的旋转自由度，取代了单纯参照体表标志获得的三个自由度(平移自由度)。图像引导技术的应用，使消除旋转误差的必要性越来越受到研究者的关注。Guckenberger等[5]认为，旋转误差可以对剂量学结果产生较大影响。Hanley等[6]报道，＞2o的旋转误差会对图像配准的结果产生影响并进而影响到剂量学结果。Kim等[7]的研究结果显示，对于鼻咽部肿瘤，未校正的摆位误差会使脊髓在治疗过程中增加6.4%的剂量，腮腺剂量则增加2.7%。Laursen等[8]认为5 mm的CTV到PTV边界可以抵消旋转误差对靶区的影响，但对于包含腹主动脉旁的靶区，需要特别留意旋转误差，必要时需要重新制订治疗计划。大量的研究结果表明，旋转误差会对放射治疗的剂量学结果产生严重的影响，应该受到足够的重视[9-13]。

本研究阐述了一种在直线加速器上使用旋转误差补偿角度消除患者旋转误差的方法，根据CBCT影像和CT模拟影像配准的结果，获得患者六维摆位误差。在刚体假设下，摆位误差直接反映了患者在治疗时坐标系与CT模拟定位扫描时坐标系的偏差[14-15]。根据已知的摆位误差对患者坐标系作三维坐标变换后，患者的体位便与CT模拟定位扫描时的参考图像体位一致。同样的，根据已知的摆位误差对加速器坐标系作相同变换，即获得加速器旋转误差补偿角度。

使用补偿角度方法消除患者旋转误差，不仅可以节省设备开销，与使用六维治疗床相比，还具有以下两点优势：①六维治疗床由于受到机械设计的影响，只能纠正3个旋转方向上，分别＜3o的旋转误差，而使用补偿角度方法则不受这些影响，可以纠正较大角度旋转误差；②六维治疗床在纠正摆位旋转误差时会产生的倾斜床面，可能导致患者在治疗中产生滑动位移，从而带来其他的治疗误差。对于体型较大的患者或治疗时间较长的患者，治疗中位移不可忽略。而使用补偿角度不会带来床面的倾斜，患者在治疗中体位相对固定，不会引入该类误差。在实际操作过程中，获得六维摆位误差后即可计算补偿角度，耗时少，而且仅需一次摆位，可以加入IGRT的日常操作流程中，具有很强的临床可操作性。

补偿角度方法消除患者旋转误差存在一定的局限性。①这种方法只能运用在固定野照射技术中，如大部分的三维适形放射治疗或调强放射治疗。对于一些特殊的照射技术，如旋转调强治疗(在治疗过程中，加速器治疗机架角连续转动)，则不能使用补偿角度方法消除患者旋转误差；②补偿角度方法还受制于某些加速器治疗机的机械参数限制，如对于Varian直线加速器，其准直器的旋转角度为195o～360o或0o～165o，治疗床的旋转角度为260o～360o或0o～100o，超出此范围的补偿角度将无法执行且被用于临床实施。此外，在使用补偿角度方法消除患者旋转误差之前，还需要注意实施的补偿角度是否会对治疗床上的患者存在碰撞的可能性，如果存在此类角度应该避免实施。

4 结语

补偿角度方法具有很强的实际可操作性，适合于未配备六维治疗床的医院，纠正放射治疗摆位中存在的旋转误差，为不具备六维治疗床设备条件的医院提供了一种实施精确的放射治疗手段。

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Using compensate angles to correct rotation set-up errors in radiotherapy

WANG Bin-bing,SHAN Guo-ping
China Medical Equipment,2015,12(6):28-30.

Objective: The purpose of this paper is to introduce a method of using compensate angles to eliminate rotation set-up errors without six-degree of freedom couch. Methods: To detect six-degree of freedom set-up errors, cone-beam computed tomography (CBCT) scans were acquired. These set-up errors were defined as a matrix to transform from accelerator coordinate system to patient coordinate system. Two independent vectors were defined to describe angles of gantry, collimator and couch in accelerator machine. Transformation of vectors were determined by transformation matrix and re-calculated back to the machine angles. Results: It was found that compensate angles can fully corrected the rotation angles in set-up with limited time consuming. It is feasible to implement compensate angles in routinely radiation procedure. Conclusion: With this method, it is possible to implement the complete corrections of set-up errors in radiotherapy without six-degree of freedom couch and it is convenient in operation as well.

Rotation set-up errors; Six-degree of freedom couch; Compensate angles algorithm; Image guidance radiotherapy

王彬冰,男,(1980- ),硕士，工程师。浙江省肿瘤医院物理室，从事放射物理研究工作。

1672-8270(2015)06-0028-03

R815

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.06.009

2014-10-10

①浙江省肿瘤医院物理室 浙江 杭州 310000