肿瘤放射
头颈部放疗定摆位:由颈部引发的误差分析与改善措施
发布时间:2021-06-23

本文对头颈肩部固定误差进行分析,从头颈肩固定现状、现有固定产品限制到最大误差产生的区域及原因进行文献分析,并讨论了复合固定的系统性头颈肩精度提高方案。


近年来,中国的头颈部肿瘤的年发病率约为15.22/10万,占全身恶性肿瘤的4.45%(男性2.51/10万,女性1.92/10万)。头颈部解剖结构复杂,其器官种类之多、病理之复杂居全身肿瘤之首,使头颈部肿瘤的手术治疗存在很大困难和很高风险,而放射治疗具有无创、无痛苦、安全等优势,加之由于放疗技术水平的大幅提升,放射治疗在头颈部肿瘤的治疗中发挥着越来越重要的作用


01 头颈部摆位偏差大的原因

从解剖结构来看,头颈部区域由刚性部位和活动部位组合而成,可活动的下颌骨附着在刚性结构的颅骨上,颈椎和上部胸椎的水平位置由柔软的韧带连接维持(图1),这种结构特性会带来头颈肩躯体旋转和平移的不确定性[4]


头颈肩部放疗摆位,摆位误差

图1


目前头颈部放疗体位固定主要采用头颈肩固定架结合头颈肩定位膜的方式(图2),这种方式通常需使用标准头枕来支撑患者后脑部位,而由于市面上的标准头枕仅限于几种常用的规格,无法很好解决由于患者脖子长短不同、体型胖瘦各异以及驼背等差异性导致的颈部位置虚空问题,因此也大大限制了精确定位的实现。


头部放疗,科莱瑞迪SRS

图2


据Martijn Engelsman[1]等对多种体位固定装置进行了分次间和分次内患者运动幅度的研究(图3),结果显示,不管是哪种固定方式,最大定位误差均出现在y轴(头脚方向)上,作者针对这种现象进行系统性研究发现,在放射治疗过程中,由于患者为寻求颈部的舒适性,可能会自发调整头部位置,由此导致y轴出现的平移和旋转误差会大于x轴(左右) 和z轴(前后)两个方向(图4)


头部摆位,摆位误差

图3


头部摆位,摆位误差

图4


该研究所体现出来的定摆位精度问题主要集中在颈椎区域的固定上,在仅使用标准头枕进行固定的情况下,规格有限、形状固定的标准头枕不能很好满足不同类型患者的体位固定需要;而如果患者得不到合适的固定装置对颈部、背部、后脑进行充分支撑,容易导致患者由于不舒适以及体位限制不足而产生自发性移动。在这种情况下,改善颈部区域的固定舒适度是提高头颈部放疗体位固定精度的重要方向。


类似的,LIFEI Zhang[2]等对头颈肩区域的3个ROI区域进行了不确定性研究,3个ROI分别设定为C2椎体、C6 椎体以及上颌骨的腭突。研究发现,由于C6颈椎通常位于头枕与颈部接触末端,头枕无法对C6颈椎位置及后侧的颈肩部形成有效支撑,从而产生一定程度的悬空,导致C6椎体位置及后侧颈肩部位置的不确定性变大,这将增加头颈部放疗定位摆位的整体误差(图5)


头部CT,头部放疗

头部放疗,头部摆位

图5


我们对C6位置悬空的原因进行分析,临床证据大多指向标准头枕无法个性化适配每位患者的颈部曲线(图6)标准头枕由于需要兼顾尽量多的患者体型,使其设计本身具有一定的局限性,无法准确地适配每位患者的头颈部轮廓。


在这种情况下,患者可能会根据自身的舒适度去移动、扭动自己的脖颈,使头颅与脖颈发生位移错位,产生内部形变,而颈椎部位偏大的活动度 , 也容易引发患者头部后仰、前屈等过伸展的现象发生[7]


头部摆位,头部放疗,塑形垫,头枕

图6


有关颈椎部位定摆位误差对头颈部放疗的影响,赖建军[8]等也曾经做过类似研究,研究者通过比较常用的Clinical ROI与5个特定局部解剖区域配准,分析误差的相关性,由此量化分析头颈部肿瘤放射治疗过程中不同解剖区域的位置精度,为定义靶区外放边界和危及器官的精准勾画提供参考。


研究结果显示,相比其它解剖部位,C7及以下部位的随机误差偏大(图8),且与Clinical ROI配准获得的误差相关性偏弱(0.8<r≤1.0 为极强相关,0.6<r≤0.8 为强相关,0.4<r≤0.6 为中等程度相关)(图7)


在日常的IGRT验证中,上述这个现象提示我们可能会隐藏着某种风险,我们通过常用的Clinical ROI 配准来修正患者放疗体位,C7及以下区域的实际位置偏差可能未得到准确修正,要降低这个现象引发的风险,需增加靶区外放边界来防止C7及以下区域无法精确修正引起的照射脱靶。


头部摆位,头部放疗,塑形垫,头枕

图7


头部放疗,头部摆位

图8


查阅大量文献研究后发现,头颈部肿瘤放疗误差产生的原因,主要来自颈椎部位自由度偏大,治疗体位难以精确重复,进而由颈椎定位问题对关联部位产生连带性影响,而这种由颈部引发的误差是头颅相对于颈椎的扭曲形变所致,不是整体的平移和旋转偏移,我们无法通过六维床的平移、旋转进行准确修正,使颈椎问题引发的放疗风险变得难以控制。比如,由于颈部不舒适引发的患者自行体位调整,首先会引起颈部扭曲和移位,进而带动头部产生旋转、后仰、前屈,导致头颈部整体定摆位误差的产生。


02 头颈部定位的解决方案


近来,亚毫米等中心精度的放疗设备被广泛应用于临床,如何为靶区推量成为临床日常最频繁的讨论话题之一,而患者定摆位精度又是阻碍靶区推量的关键因素,对前述发表的临床研究分析发现,提高头颈部整体定摆位精度比较可行的研究方向是如何解决好颈部的复位精度问题。


在当前的头颈部体位固定中,采用头颈肩固定架结合热塑膜的体位固定方式已经被业内广泛使用,但无法满足高精度放射治疗的要求。临床研究显示,在使用头颈肩热塑膜的基础上,在患者背部增加一套可依据患者体表塑形的固定装置,让其形成对患者背部曲线和身体轮廓的个性化固定,填充背部的空缺,使患者可以更加精确、舒适、稳定地躺在固定架上,这种由上下两组模具组合而成的复合式体位固定概念正在被越来越多的业内专家所提及并应用于临床。


复合式体位固定方式将从提高患者颈部支撑(区域1)、提高患者背部与固定架的适形度(区域2)、降低患者自主性移动3个方面为由颈椎引发的头颈部体位固定精度问题提供系统性解决思路。


头部放疗,头部摆位,填充,塑形垫

图9:区域1--双侧支撑,区域2--背部填充


复合式固定方式的有效性在张云[10]等对鼻咽癌放疗患者的定摆位研究中得到了证明,研究者采用(A.头颈肩大面罩、B.发泡剂型泡沫垫结合头颈肩大面罩,C.热塑型塑形枕结合头颈肩大面罩)3种体位固定方式,用来研究使用不同体位固定方式下患者分次间摆位误差的差异性,通过对随机分组,每组 34 人的分次间摆位误差进行统计分析发现,采用复合式固定的B/C两组鼻咽癌患者分次间摆位精度均获得显著提升,提升效果依次为:热塑型塑形枕结合头颈肩大面罩,发泡剂型泡沫垫结合头颈肩大面罩,常规头枕结合头颈肩大面罩(图10)


摆位误差

图10


另外在美国梅奥医学中心的Courneyea[12]等研究中,对定位膜+口咬器+标准头枕的标准头枕体位固定组与定位膜+口咬器+塑形垫的个性化体位固定组进行对比,评估头颈部患者的分次内运动的情况,结果显示,标准头枕体位固定组的误差为1.8 ± 1.6mm,而个性化体位固定组的误差为1.0 ± 0.5mm(P=0.02)添加塑形垫可显著降低分次内体位固定误差,能显著降低患者的偏移幅度。


通过以上分析,解决好患者的后脑、颈部、背部特别是C7及以下部位的定摆位精度问题,对提高头颈部整体定摆位精度有着非常重要的意义,对于如何解决上述各部位的定摆位问题,我们推荐使用塑形垫来为患者实现个性化体位固定,让患者背面曲线与体位固定架适形,对颈椎背面及两侧,后脑、背部形成支撑,改善患者治疗过程的舒适性并对自发性移位形成有效限制,从而减少头颈部放疗定摆位误差的产生。


降低定位误差,精准照射治疗区域,是放射治疗技术发展的无尽追求,模拟定位技术也需要跟随放疗设备的快速发展进一步更新迭代,以保证高精度放射治疗的实施。体位固定精度以外,患者的体验也得到越来越多的关注和重视,而患者能够在舒适、自然和放松的状态下完成整个放疗流程,对于精确放疗的实现起着至关重要的作用。


更多精彩内容,请扫描下方二维码,关注公众号“科莱瑞迪放疗”(ID:klarity-RT

科莱瑞迪放疗,公众号二维码,关注公众号



本文参考文献


[1] Engelsman, M., S. Rosenthal, S. Michaud, J. Adams, R. Schneider, S. G. Bradley, J. Flanz and H. Kooy. “Intra- and interfractional patient motion for a variety of immobilization devices.” Medical physics 32 11 (2005): 3468-74 .  53 Citations

[2]Zhang, L., A. Garden, Justin Lo, K. Ang, A. Ahamad, W. Morrison, D. Rosenthal, M. Chambers, X. Zhu, R. Mohan and L. Dong. “Multiple regions-of-interest analysis of setup uncertainties for head-and-neck cancer radiotherapy.” International journal of radiation oncology, biology, physics 64 5 (2006): 1559-69.  210 Citations

[3]Polat, B., J. Wilbert, K. Baier, M. Flentje and M. Guckenberger. “Nonrigid Patient Setup Errors in the Head-and-Neck Region.” Strahlentherapie und Onkologie 183 (2007): 506-511.  68 Citations

[4]Ahn, P., Andrew I. Ahn, C. Lee, J. Shen, E. Miller, A. Lukaj, E. Milan, R. Yaparpalvi, S. Kalnicki and M. Garg. “Random positional variation among the skull, mandible, and cervical spine with treatment progression during head-and-neck radiotherapy.” International journal of radiation oncology, biology, physics 73 2 (2009): 626-33.     52 Citations

[5]Kranen, S. V. van, S. van Beek, C. Rasch, M. V. van Herk and J. Sonke. “Setup uncertainties of anatomical sub-regions in head-and-neck cancer patients after offline CBCT guidance.” International journal of radiation oncology, biology, physics 73 5 (2009): 1566-73 .  153 Citations

[6]Robar, J., A. Day, J. Clancey, R. Kelly, M. Yewondwossen, H. Hollenhorst, M. Rajaraman and D. Wilke. “Spatial and dosimetric variability of organs at risk in head-and-neck intensity-modulated radiotherapy.” International journal of radiation oncology, biology, physics 68 4 (2007): 1121-30 . 134 Citations

[7]高云生. 图像引导的头颈部肿瘤放射治疗[D].复旦大学,2010.

[8]赖建军,俞玉凤,王佳浩,李夏东,吴稚冰,邓清华,吴式琇,马胜林,汪黎栋.头颈部肿瘤放射治疗不同解剖区域位置精度分析[J].浙江医学,2018,40(13):1469-1471+1474+1520.

[9]X. Wang et al. Image Guided Radiotherapy (IGRT) for Nasopharyngeal Cancer with Megavoltage Cone-beam CT (MV-CBCT)[J]. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, 2009, 75(3) : S605-S605.

[10]张云,曹舜翔,应惟良.鼻咽癌放疗3种体位固定方式的摆位误差研究[J].实用癌症杂志,2017,32(01):165-166.

[11] Wang H, Wang C, Tung S, Dimmitt AW, Wong PF, Edson MA, et al. Improved setup

and positioning accuracy using a three-point customized cushion/mask/bite-block

immobilization system for stereotactic reirradiation of head and neck cancer. J Appl

Clin Med Phys 2016;17:180–9.

[12] Courneyea L, Mullins J, Howard M, Foote R, Garces Y, Ma D, et al. Positioning

reproducibility with and without rotational corrections for 2 head and neck immobilization systems. Pract Radiat Oncol 2015;5:e575–81.


报名表
*姓名
*联系方式
*邮箱
*单位
*职位
验证码