实验背景
对于宫颈癌、直肠癌、前列腺癌、膀胱癌等恶性肿瘤，盆腔放疗是其综合治疗的重要内容之一，对于控制肿瘤生长、降低复发风险等具有重大意义。传统常规放疗技术照射盆腔区域会使很大一部分小肠及直肠受到较高剂量的照射，继而引发较严重的急性及慢性副反应。上世纪九十年代后，三维适形放射治疗技术（3D-CRT)或调强放射治疗技术(IMRT)在临床中被广为应用。这些技术能让治疗计划中受到高剂量照射区域的形状更为贴近目标鞭区的实际形状，从而在保证目标祀区接受到充分剂量的基础上，减小了周围正常组织所受的剂量，达到降低副反应严重程度的目的[1-3]。但也正由于高剂量区域的形状与目标病灶的形状高度一致，对比常规放射治疗技术，3D-CRT和IMRT技术在病灶区域以外的剂量下降要更为陡峭和显著，因而对放射治疗的精准性提出了更高的要求。为了避免误差因素导致的过度剂量跌落影响到肿瘤的治疗效果，临床上通常推荐采用外扩边界的方式，即在临床範区（CTV)基础上对紀区范围进行适当外扩构成计划勒区（PTV)进行代偿。过大的外扩边界会增加正常组织的受损，过小的外扩边界又容易让紀区偏出高剂量区域以外而降低靴区实际受照剂量，因此选择一个合适的外扩边界是平衡放射治疗有效性与安全性的重中之重[4，5]。摆位误差是此前较易测定且占主导地位的误差因素之一，故边界的估算也主要围绕其数值进行。但随着图像引导下放射治疗技术（IGRT)理念的引入及放射治疗器械的进步，摆位误差可通过精确修正治疗床修正自身的位置甚至是倾斜角度予以缩小[6]。误差数值的缩小也导致了原有边界数值的过时[7]，但目前针对摆位误差被修正后的残余误差进行的研究尚未广泛开展，且由于医疗设备条件及具体测算方法在各研究机构的差异，一个研究机构测算出的结果对其他治疗机构可能不具备实际的指导价值。故针对治疗机构自身条件设计合适的残差测定方案，对自身合适外放边界的制定具有重大意义。
本研究将根据北京协和医院放疗中心现有设备条件及相关数据，借助患者的定位CT图像及第一次治疗前CBCT图像，对在线CBCT图像引导下盆腔肿瘤患者在骨盆不同区域存在的残差进行评估。由于图像配准过程中不可避免地存在误差，其对残差大小造成的影响也将被探索，以衡量缩小配准误差对进一步降低残差的意义。受本院放疗中心设备条件限制，治疗床尚不能完成对自身三个方向倾斜角度(pitch、yaw、roll)的修正，因而对定位CT图像及CBCT图像进行的配准仅限定在三个平移方向上，并使得骨盆的旋转及形变构成了除配准误差外残差的两个主要来源》骨盆的旋转及形变对骨盆不同区域残差的贡献同样会在本研究中予以探讨，以衡量图像的六维配准及治疗床的六维修正对进一步降低残差的意义。最后，将测定出的残差与在线配准过程中治疗床的位移相叠加，骨盆不同区域在没有图像引导下的总体误差亦可得到评价。残差及总体误差的分布状况均可为外放射治疗时合适外放边界数值的选取提供依据。
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数据收集及处理患者
图像收集及配准
本研究选取了 218名自2012年1月到2014年4月于北京协和医院放疗中心进行盆腔外放射治疗的盆腔肿瘤患者，其中妇科肿瘤（包括宫颈、子宫、阴道及卵巢来源的肿瘤）患者共141名，结直肠来源肿瘤患者43名，泌尿系统来源肿瘤患者31名，肿瘤来源尚不明确的盆腔肿瘤患者3名。治疗开始前，这些患者均采取双手抱头的姿势，以仰卧体位躺在CT模拟定位机（飞利浦大孔径CT模拟定位机）上，并以5min为层厚进行扫描以获取定位CT图像。扫描前患者将借助固定体架上的刻度、激光灯及热塑体膜进行体位固定，并在热塑体膜上激光灯的三个共轴面十字交叉点处粘贴铅点以标记定位CT图像的治疗等中心。扫描完成后，医生将根据激光灯的指示在患者皮肤上描画标记线，以尽可能减小患者后续治疗过程中因摆位造成的平移误差及旋转误差。随后，定位CT图像被传输到计算机中并借助Eclipse治疗计划系统进行IE区勾画。治疗计划完成并复核后，患者将在加速器上（Varian Trilogy直线加速器）进行治疗，并于第一次治疗开始前拍摄CBCT图像。CBCT图像的上界将至少包括餓骨岬，下界将至少包括尾骨末端及耻骨联合上缘，保证这几个解剖标志点能在轴面、矢状面及冠状面上均能被清晰地观察（见图1)，随后立即由计算机对定位CT图像及CBCT图像进行三维自动配准。自动配准完成后由医生对配准结果进行复核，并在必要时进行人工调整（同样是三维限定）。最终配准完成后，立即对治疗床的位置进行相应修正，同时记录下治疗床在三个方向上的位移数值。
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骨盆不同区域残差的测定
定位CT图像、CBCT图像及最终配准结果均将传输到计算机上的Eclipse治疗计划系统中。在本研究里，我们以尽可能兼顾到骨盆上所有区域为原则，选取了九个特定解剖标志点作为骨盆不同区域的代表。这九个点分别定义于：点1:右侧髂前上棘最前缘；点2:左侧館前上棘最前缘；点3:右侧坐骨棘末端；点4:左侧坐骨棘末端；点5:右侧髋白顶部中心；点6:左侧髋白顶部中心；点7:正中矢状面(定义为定位CT图像上中间铅点所在的矢状面）上的骶骨岬前缘；点8:尾骨末端；点9:耻骨联合正中前上缘（见图2图10)。每个解剖标志点在定位CT图像及CBCT图像上的位置均将同时在轴面、矢状面及冠状面三个方向的图像上予以确认，以保证测算出的三维坐标的精确性。由于定位CT及CBCT图像事先已经过配准，故两幅图像上九个解剖标志点的三维坐标之差实质上就是这九个解剖标志点在完成在线三维配准及修正后的残差。以同一解剖标志点在定位CT图像及CBCT图像的坐标分别作为起点及终点，定义此矢量为该解剖标志点的残差三维矢量。
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实验结果.......... 15
骨盆上九个解剖标志点的残差分布......... 15
配准精确性对残差的影响 .........15
骨盆旋转及形变对残差的影响......... 18
骨盆不同区域总体误差的测定......... 19
分析讨论......... 20
以误差三维矢量长度计算统一外放边界......... 20
以误差矢量三方向分布计算三方向外放边界 .........20
配准精确性对残差的影响 .........22
骨盆旋转及形变对残差的影响......... 24
骨盆旋转及形变对残差的影响
由于缺乏六维配准后的图像，旋转误差得到纠正后残差标准差的大小无法通过直接测量获得，因而也无法直接对比得出六维修正的意义。本研究中通过计算定位CT图像及CBCT图像上任意两个解剖标志点之间的距离并进行对比，间接反映旋转及形变因素哪个在骨盆不同区域的残差中作出了更大的贡献。本研究中测算出两点距离之差的标准差普遍在(1.56±0.34mm)之间，仅有点7、点8及点9相互之间的距离变动标准差达到了 2inin以上，该数值要明显低于每个点的平均残差三维矢量长度（4.06±0.27mm)。该结果提示我们虽然骨盆上这九个解剖标志点在两幅图像间虽然普遍存在一定幅度的位移，但其中造成两点间距离拉长或缩短的形变成分并不多。绝大多数的残差并不会使骨盆两解剖标志点间的距离发生大的变动，这也意味着这些残差很大程度上能通过三个方向的旋转配准予以大幅消除，六维配准及六维修正很可能具备进一步显著缩小残差及外放边界宽度的潜力。该研究结果与Ahmad等人的研究结果相一致[14]，他们在完成六维配准后，对两幅图像间大于3度的旋转误差进行修正。这种部分的六维修正成功将三个方向的平均残差波动幅度缩小了一半以上，其中X轴方向由0.71mm~1.56mm缩小至了0mm-0mm，Y轴方向由2.11mm-4.61mm缩小至了 1.08mm-2.72mm; Z轴方向由1.00mm~4.47mm缩小至了 0.58mm~2.36mm。在Ahmad等人及主要针对平移修正后残余旋转误差进行研究的Laursen等人[i5]发布的研究结果中，均显示pitch是在不能完成旋转修正时误差角度最大、对残差波动幅度扩大也贡献最为显著的倾斜角度。
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结论
本研究最终根据LR、AP、SI方向上测出的残差标准差及总体误差标准差，以外放边界宽度等于2倍误差标准差时可完全覆盖95%以上骨盆肿瘤患者的目标IE区为原则，计算出在CBCT图像引导下，LR、AP、SI方向的外放边界应分别在2.34mm~3.87mm、4.78mm-6.32mni及5.70mm-7.81inni之间。而在没有图像引导的情况下，LR、AP、SI方向的外放边界则应分别在4.88inin~5.63min、6.85mm-9.24mm及8.77mm~10.73mm之间。配准误差是本研究测出的残差里一个重要的混杂因素，修正后残差的标准差可显著缩小。造成残差的因素以骨盆的旋转为主，六维的配准修正具备进一步缩小外放边界所需宽度的潜力。
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参考文献（略）