颅内肿瘤碳离子放射治疗中新型体位固定系统的应用
颅内肿瘤碳离子放射治疗中新型体位固定系统的应用
李万国,祁英,张雁山,朱芳芳,张一贺,叶延程,李小军,王开平,杨晓东,鲁会祥
甘肃省武威肿瘤医院重离子中心,甘肃 武威 733000
摘 要:目的 评估一种新的颅内固定系统,确定患者摆位误差及分次内靶区位移与治疗时长的依赖性关系,提高碳离子束放射治疗的精度。方法 选取2020-03-26-2022-11-26甘肃省武威肿瘤医院重离子中心收治的碳离子束治疗患者30例,按入组时间随机分为试验组(A组)和对照组(B组),每组15例。A组采用trUpoint ARCH定位系统(CIVCO,美国)固定,B组采用传统热塑膜配合船型枕固定。2组患者在治疗前、后分别进行碳离子图像配准(ciGPS),行自动配准与手动微调。统计六维摆位误差〔左右方向(X)、进出方向(Y)、升降方向(Z)、左右滚动(RX)、头尾旋转(RY)、俯仰方向(RZ)〕及治疗时长数据,评估分次内靶区器官位移与治疗时长的依赖性关系。此外,对A组患者额外进行治疗后鼻根组件图像配准,评估垂直束流方向射野条件下鼻根组件对治疗的影响。结果 治疗前A组六维摆位误差的旋转摆位误差较小,与B组比较差异有统计学意义(RX:t=4.481,P<0.001;RY:t=2.637,P=0.016;RZ:t=2.327,P=0.031);治疗后2组X(t=2.159,P=0.043)、Y(t=-2.419,P=0.025)、Z(t=2.176,P=0.042)及RY(t=2.305,P=0.032)方向误差比较差异有统计学意义。线性回归结果显示,2组患者靶区位移与治疗时长的依赖性关系相似(斜率k=0.06),但A组分次内靶区位移的稳定性更强(A组:R2=0.246,P<0.001;B组:R2=0.114,P<0.001),且A组无任何系统漂移。A组和B组计划靶区外扩边界(PTVmargin)在X、Y、Z三维线性方向的外扩分别为:4.02、2.72、2.66和4.97、3.28、3.30mm,使用trUpoint ARCH定位系统的A组三维线性方向的PTVmargin更低。结论 trUpoint ARCH定位系统用于碳离子束放射治疗六维方向摆位误差小,尤其是对旋转误差的可控性强;可提供更小的PTV外扩边界,从而保护正常组织;分次内靶区位移随治疗时长的变化小,较传统定位方式稳定性好,可用于高精度放射治疗。但受其鼻根组件不确定性的影响,为保证剂量的精确性,不建议用于垂直射野情况下的碳离子束治疗。
关键词:颅内恶性肿瘤;碳离子放射治疗;头部固定系统;摆位误差;分次内靶区位移;计划靶区外扩边界 中图分类号:R739.41;R730.55 文章
标识码:A 文章编号:1673-5269(2023)05-0275-07
Application of a new body position fixation system in carbon ion radiotherapy for intracranial tumors
LI Wanguo, QI Ying, ZHANG Yanshan, ZHU Fangfang, ZHANG Yihe, YE Yancheng, LI Xiaojun, WANG Kaiping, YANG Xiaodong, LU Huixiang
Wuwei Heavy Ion Radiotherapy Center,Wuwei Tumor Hospital,Wuwei 733000,China
Abstract: Objective To evaluate a new intracranial fixation system, determine the dependence of patient positioning error and fractional target displacement on treatment duration, and improve the accuracy of carbon ion beam radiotherapy. Methods Totally 30 patients treated with carbon ion beam from the Heavy Ion Center of Wuwei Cancer Hospital, Gansu Province were selected from March 26, 2020 to November 26, 2022 and randomly divide them into test group (group A) and control group (group B) according to the time of enrollment, with 15 patients in each group. Group A was fixed with trUppoint ARCH positioning system (CIVCO, USA), while group B was fixed with traditional thermoplastic film and ship type pillow. The two groups of patients underwent carbon ion image registration (ciGPS), automatic registration and manual fine adjustment before and after treatment. The six-dimensional positioning errors [left and right directions (X),in and out directions (Y),up and down directions (Z),left and right rolling (RX), head and tail rotation (RY),pitch direction (RZ)] and treatment duration data were counted, and the dependence of organ displacement in the target area on the treatment duration was evaluated. In addition, patients in group A were additionally registered with the image of the nasal root assembly after treatment to evaluate the effect of the nasal root assembly on treatment under the condition of vertical beam direction. Results Before treatment, the rotational positioning error of six-dimensional positioning error in group A was small, and the difference was statistically significant compared with that in group B (RX: t=4.481,P<0.001;RY: t=2.637,P=0.016;RZ: t=2.327,P=0.031);After treatment, there was statistically significant difference between the two groups in the direction error of X(t=2.159,P=0.043), Y(t=-2.419,P=0.025), Z(t=2.176,P=0.042) and RY(t=2.305,P=0.032). The linear regression results showed that the dependence of target displacement on treatment duration was similar in two groups (slope k=0.06),but the stability of target displacement in group A was stronger (group A:R2=0.246, P<0.001; group B:R2=0.114, P<0.001), and there was no system drift in group A. The plan target volume margin (PTVmargin) of group A and group B was 4.02, 2.72, 2.66 and 4.97, 3.28 and 3.30mm in the three-dimensional linear direction of X, Y and Z, respectively. The PTV margin of the three-dimensional linear direction of group A using the trUppoint ARCH positioning system was lower. Conclusions trUppoint ARCH positioning system is used for carbon ion beam radiotherapy with small positioning error in six directions, especially strong controllability of rotation error;It can provide smaller PTV expansion boundary to protect normal tissues; The displacement of the target area in the fractionation changes little with the treatment time, which is more stable than the traditional positioning method, and can be used for high-precision radiotherapy. However, due to the uncertainty of its nasal root component, in order to ensure the accuracy of the dose, it is not recommended to use it for carbon ion beam therapy in the case of vertical field.
Keywords: intracranial malignant tumor; carbon ion radiotherapy; head fixation system; setup error; intrafractional target displacement;plan target volume margin
重离子治疗颅内恶性肿瘤虽具有独特的物理和生物优势,但受固定束流角度限制,无法使用旋转机架进行多角度治疗实现剂量权重优化分配。因此,在重离子治疗中,患者精准的体位固定成为放射治疗高质量实施的重要研究方向[1-2]。为了减少毒副作用和最大限度地提高肿瘤放射剂量,临床靶体积和实际治疗体积之间的扩展量,需要高度准确的剂量传递[3-4]。然而,对于这种治疗,需要考虑一些不确定性:计算机断层扫描(computed Tomography, CT)到碳离子图像配准(carbon ion guide position system, ciGPS)的不确定性[5];轮廓、患者摆位和加速器提供的不确定性;以及患者体内的器官运动[6-7]。立体定向放射治疗(stereotactic radiotherapy, SRT)是基于框架的侵入性治疗,目的是尽量减少位置的不确定性。SRT使用一种刚性的、可重新定位的框架系统,虽然在图像引导和即时在线校正方面有了新的可能性,且准确性较高,但比现代的固定系统更耗时、更复杂[8]。在这种背景下,亟需寻求一种易用性强、准确性高的定位方法来提高碳离子放射治疗患者的依从性及治疗精度。本研究评估了一种新的可用于碳离子放射治疗患者的定位系统,旨在确定患者的摆位误差、计划靶区外扩边界(plan target volume margin, PTVmargin)以及分次内靶区位移量与治疗时间的依赖性关系。此外,还评估了trUpoint ARCH碳离子放射治疗临床实践中的不足,以充分发挥该定位系统与碳离子放射治疗的优势[9]。
1. 对象与方法
1.1 病例选择及一般资料
收集2020-03-26-2022-09-26甘肃省武威肿瘤医院重离子中心收治的颅内恶性肿瘤行碳离子放射治疗的患者资料。纳入标准:(1)年龄>18岁;(2)复发性颅内肿瘤、未行手术治疗或手术治疗后肿瘤未全切除患者;(3)无远处或椎管内播散转移;(4)评价心肺功能及血液系统检验能耐受碳离子放疗。排除标准:(1)一般状况差,卡氏功能状态量表(Karnofsky Performance Status, KPS)<40分,或体力活动状态评分(Performance Status, PS)>2分;(2)一年内接受过放疗的患者;(3)不可控制的颅内高压、有脑疝发生倾向及严重的癫痫发作未控者。符合入组标准的患者30例,年龄38~81岁,中位年龄58岁;根据国际抗癌联盟第八版TNM临床分期,Ⅰ期3例,Ⅱ期16例,Ⅲ期11例。按患者定位方式不同进行分组,其中15例患者采用trUpoint ARCH定位系统(CIVCO,美国)固定,设为试验组(A组);另外15例患者使用传统热塑膜配合船型枕固定,设为对照组(B组)。患者均无放疗禁忌证,本研究由本院医学伦理委员会批准(2020-伦理审查-25),患者均知情同意。患者基线特征见表1。
表1 30例颅内恶性肿瘤患者基线特征
Tab.1 Baseline characteristics of 30 patients with intracranial malignancy


图1 trUpoint ARCH固定系统
Fig.1 trUpoint ARCH fixation system

图2 个体化咬合杯制作流程
Fig.2 Individual occlusal cup production process

图3 头颈部传统定位方式
Fig.3 Traditional positioning of head and neck
1.2 体位固定技术
A组:使用CIVCO trUpoint ARCH固定系统行碳离子放射治疗,患者平躺于治疗床,双手置于体侧,
头部枕骨高度适形个体化头枕,制作咬合杯保证上颚及牙齿轮廓清晰、高度适形(图1和图2)。待咬合杯混合胶固化,制作开放式三角热塑头膜,保证前额及下颌的塑形及固定,最后放置弓形架,记录咬合杯、鼻根组件参数,确保在后期的治疗中体位的重复性。B组:使用个体化船型头枕配合头颈肩热塑膜(传统头颈部定位)固定行碳离子放射治疗,患者平躺于治疗床,双手置于体侧,制作热塑膜面罩时,重点塑形鼻尖、下颌等面部骨性标记较为明显的部位。见图3。
1.3 患者模拟定位及治疗计划制作
使用西门子64排大孔径专用定位CT对患者进行扫描,CT扫描层厚为3mm,分别行平扫序列及增强序列,扫描后的CT图像传至“Rt station”计划系统进行靶区勾画。靶区勾画符合国际辐射单位和测量委员会(International Commission on Radiation Units and Measurements, ICRU)第50、62和83号报告。靶区勾画完毕,将CT图像及靶区数据传至ciPlan放疗计划系统制作放疗计划,要求95%等剂量线覆盖PTV,各危及器官受量满足碳离子放射治疗临床要求。
1.4 治疗技术
患者在碳离子治疗系统(中国科学院近代物理研究所)上执行碳离子放射治疗,束流配送技术为均匀扫描:二维扫描(2-dimension, 2D)或二维层叠扫描(2-dimension layer stacking, 2DLS)。分次剂量为2~8Gy,治疗总分次为12~16次;患者在治疗前均进行每日ciGPS图像配准,必要时由负责的临床配准医生手动纠正。由于没有六维度治疗床矫正,旋转摆位误差俯仰(RZ)或左右滚动(RX)值>1°,则重新进行患者摆位,并重复配准过程,直至摆位误差结果满足临床需求,并由值班配准医生审核签字方后可治疗。治疗结束后记录患者当次治疗时长,并进行第2次图像配准,以评估分次内靶区位移与治疗时长的依赖性关系。
1.5 数据统计与分析
分别记录患者治疗前和治疗后ciGPS配准数据、三维线性摆位误差:左右方向(X)、进出方向(Y)、升降方向(Z)及三维旋转摆位误差:左右滚动(RX)、头尾旋转(RY)及俯仰方向(RZ)的误差值。同时测量从第1个ciGPS开始到第2个ciGPS结束的治疗时间。采用线性回归评估分次内靶区运动对治疗时间的依赖性[10]。
分次内靶区位移量计算采用S=T+D[11],其中T为三维平移靶区位移量,T=√X2+Y2+Z2;D为三维旋转靶区位移量,D=R·tan(φ),其中R为治疗等中心到治疗靶区边界的最远垂直距,为保证计算的合理性,此处按碳离子均匀扫描最大开合射野的一半为R(R=6),φ为三维旋转方向中最大摆位误差[12]。
PTVmargin计算采用Van Herk[13]公式M=2.5Σ+0.7σ,其中患者摆位或呼吸运动产生的系统残差是所有分次摆位或呼吸运动残差的平均值,随机残差是所有分次摆位或呼吸运动残差的标准差,所有患者摆位或呼吸运动系统残差的标准差标记为Σ,所有患者摆位或呼吸运动随机残差的标准差标记为σ[14]。
此外,对A组患者额外进行治疗后鼻根组件图像配准,将组件配准结果与骨解剖配准结果进行比较,分析误差数据频次,以评估trUpoint ARCH鼻根组件在束流方向上对靶区剂量精度的影响。
1.6 统计学方法
采用SPSS 25.0对数据进行统计学分析,计量资料采用Shapiro-Wilk(S-W)法进行正态分布检验,符合正态分布以±s表示,组间差异比较采用两样本t检验,检验水准α=0.05(双尾)。
2. 结 果
2.1 六维摆位误差比较
治疗前,A组患者初始旋转摆位误差与B组比较,差异有统计学意义,均P<0.05。治疗后,2组患者体位形变数据在X、Y、Z和RY4个方向上表现出差异,差异均有统计学意义,均P<0.05。见表2。
表2 30例颅内恶性肿瘤患者摆位误差结果
Tab.2 Results of positioning errors between the experimental group and the control group for 30 patients
注:A组.使用CIVCO trUpoint ARCH固定系统行碳离子放射治疗;B组.使用个体化船型头枕配合头颈肩热塑膜(传统头颈部定位)固定行碳离子放射治疗。
2.2 分次内靶区位移与治疗时长的依赖性关系.结果显示,A组在任何方向上均没有系统漂移,最大纵向运动为3.2mm,95%的总位移为1.6mm;治疗期间平均总位移为(0.81±0.27)mm,平均治疗时间为(19.7±6.4)min,单位时间的分次内靶区位移量为0.06mm/min。线性回归分析显示,2组靶区位移量与治疗时长的依赖关系相似(斜率k=0.06),A组分次内靶区位移稳定性差异有统计学意义,R2=0.246,P<0.001。B组靶区位移有漂移,最大纵向位移为5.6mm,95%的总位移为2.3mm,治疗期间平均总位移为(1.68±0.54)mm,线性回归结果虽有统计学意义,但线性关系较弱,R2=0.114,P<0.001。见图4和图5。

注:A组.使用CIVCO trUpoint ARCH固定系统行碳离子放射治疗。
图4 A组分次内靶区位移量与治疗时长的依赖性关系
Fig.4 Dependence of the total shifts of the patients during the treatment fractions on the treatment time to the group A

注:B组.使用个体化船型头枕配合头颈肩热塑膜(传统头颈部定位)固定行碳离子放射治疗。
图5 B组分次内靶区位移量与治疗时长的依赖性关系
Fig.5 Dependence of the total shifts of the patients during the treatment fractions on the treatment time to the group B
2.3 计划靶区外扩边界比较
A组和B组 PTVmargin在X、Y 、Z 三维线性方向的外扩边界分别为 4.02 、2.72 、2.66 和 4.97 、3.28 、3.30mm,使用trUpoint ARCH头部立体定位框架的A组三维线性方向的PTVmargin更低。见表3。

2.4 trUpoint ARCH组件为中心的配准结果
以咬合杯、鼻根固定组件为配准中心进行配准比对以靶区为中心的骨解剖配准结果如图6所示,三维线性方向最大纵向偏差为1.46mm,偏差值>1mm的发生频次在三维方向上共计21次(11.9%,n=176),其中仅有单方向偏差15次(71.4%,n=21),双方向偏差6次(28.6%,n=21)。

图6 以咬合杯鼻根组件为基准的摆位误差分布
Fig.6 Setup error distribution based on the occlusal cup nose root component
3. 讨 论
本研究评估了一种新的可用于碳离子放射治疗的颅内固定系统,较传统定位方式而言,使用trUpoint ARCH定位的患者摆位误差更小,靶区位移对治疗时长的稳定性更强,且在临床实践中可以给予更小的PTVmargin来降低危及器官受量。尤其对于固定终端的碳离子束放疗,靶区剂量的精确传递是保证疗效的基础,高精度的患者摆位愈发重要。目前越来越多的放疗中心将侵入式面罩系统更改为非侵入式固定系统,有利于提高患者放疗依从性。并且,使用trUpoint ARCH固定系统,患者在模拟定位CT时,由放射治疗师对口咬合器、热塑膜面罩和鼻根组件进行个性化定制,不再需要专业牙医来制作咬块,简化了流程。
trUpoint ARCH定位系统匹配一次性个体化头枕、咬合杯、鼻根固定组件和开放式热塑膜面罩。因患者面部开放,可在治疗的同时正常呼吸、睁眼,消除了患者的放疗恐惧心理。但是,由于此定位设备属于部分开放式热塑膜面罩,可能影响患者对治疗时长的依从性。本研究结果显示,使用trUpoint ARCH进行体位固定的患者分次内靶区位移与治疗时长稳定性关系更强,R2=0.246,P<0.001。
Verbakel等[15]分析43例接受SRT治疗患者共计79次的分次内靶区位移量发现,其分次内靶区位移为(0.35±0.21)mm,本研究分次内靶区位移量为(0.81±0.27)mm,略高于Verbakel等[15]的结果,这可能与患者自身状态有一定关系。Tryggestad等[16]评估了4种不同的CIVCO定位系统,发现平均分次内靶区位移为(0.70±0.32)mm,与本研究结果基本一致。
临床实践中,颅内恶性肿瘤PTVmargin会根据临床经验、肿瘤类型和位置等综合判定,一般选择范围为3~8mm,但实际的外扩边界要结合系统误差及随机误差计算得出。对固定终端的粒子放疗,由于无法通过多方向射野分配权重,导致单射野治疗对位置、剂量的精度要求更高,PTV过小有可能导致靶区剂量不足,达不到控制肿瘤的目的;PTV过大又会导致正常组织受量过高,从而伤害正常器官。因此,要得到合理安全的PTVmargin,必须考虑摆位误差因素(系统误差及随机误差)。有条件的放疗单位尽量通过实际统计计算来测定适合患者的PTVmargin[17-19]。
trUpoint ARCH定位系统鼻根组件及口咬合器是控制旋转摆位误差的关键组件,在临床实践中,有少数患者因口腔疾病无法制作口咬合器,缺失该组件后患者定位效果与传统头部定位方式比较并无差异。而鼻根组件位于患者正上方,是垂直束流终端的必经之路,组件的任何位置差异都会导致靶区剂量不准确。因此,本研究对A组患者额外进行了鼻根组件配准,对比解剖学骨配准,发现鼻根组件位置差异基本稳定,但仍有>1mm的误差情况出现。卢小丽等[20]分析固定终端二维碳离子放疗计划中摆位误差对靶区剂量的影响,在水模体中,单方向靶区中心偏移量≤1mm时,靶区90%和95%体积所受剂量的变化量较小;当靶区中心偏移量>1mm时,靶区90%和95%体积所受剂量的变化量存在不同程度的增大,多方向的偏移量同时出现时,对靶区剂量的影响更大。为保证患者治疗剂量不会出现热点及冷点,本研究认为trUpoint ARCH定位系统不适用于垂直射野的治疗,针对固定终端碳离子治疗系统,该设备的应用范围仅为90°(水平)及45°治疗终端。
本研究仅关注了治疗前及治疗后ciGPS显示的患者治疗位置变化,缺乏治疗期间患者的位置数据;PTVmargin应该包括摆位误差和射程不确定度,本研究仅评估了摆位误差单方面因素,未考虑射程不确定性。另外,样本量偏少也是本研究的不足之处。后期将加大对碳离子定位设备性能的研究,以更严谨的设计方案、更庞大的研究数据诠释设备性能,保证碳离子治疗的质量。
综上所述,trUpoint ARCH定位系统用于碳离子束放射治疗较常规头颈部定位方式具有明显优势,其可运用于颅内恶性肿瘤患者的碳离子束放射治疗,同时还可以为临床医生提供PTVmargin外扩参考。粒子放疗飞速发展,具备旋转机架技术的碳离子设备已在日本开展临床实践,且碳离子束多野聚焦调强技术可有效规避束流路径上的危及器官及不确定性介质,trUpoint ARCH定位系统组件不确定性对剂量的影响是否可以通过旋转机架技术完全规避或降到最低,可开展进一步研究。
利益冲突: 无
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初审:张莉红 复审:张洁

