胡斌，彭振軍

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院 腫瘤中心，湖北 武漢 430022

射波刀追蹤系技術(shù)研究進(jìn)展

胡斌，彭振軍

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院 腫瘤中心，湖北 武漢 430022

射波刀全稱(chēng)X射線立體定向放射外科治療系統(tǒng)，是新型的全身腫瘤放射治療設(shè)備，其核心技術(shù)是將“智能交互式機(jī)器人”和“影像導(dǎo)航技術(shù)”引用到放射治療領(lǐng)域，實(shí)時(shí)跟蹤患者體內(nèi)腫瘤的位置、正常器官的位置、運(yùn)動(dòng)變化位置等相關(guān)信息，在“四維影像導(dǎo)航技術(shù)”的定位下，能實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤病灶的“實(shí)時(shí)跟蹤、精確定位、重點(diǎn)打擊”。射波刀在治療中具有分次劑量高、分次數(shù)少、生物劑量高等特點(diǎn)，但其要求設(shè)備必須具有很高的精度和穩(wěn)定性。射波刀追蹤技術(shù)的應(yīng)用是保證射波刀精確性的重要因素，本文對(duì)射波刀的追蹤技術(shù)，如六維顱骨追蹤系統(tǒng)、交叉視野脊柱追蹤系統(tǒng)、金標(biāo)追蹤系統(tǒng)等追蹤技術(shù)的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

射波刀；追蹤技術(shù)；影像引導(dǎo)；治療精度；立體定向；肺部腫瘤

引言

1987年，美國(guó)斯坦福大學(xué)放射腫瘤學(xué)教授John R. Adler研制出射波刀[1-3]；1994年，世界上首臺(tái)射波刀于美國(guó)斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)中心安裝并開(kāi)始臨床應(yīng)用，主要用于治療頭部、頸部及脊柱上部的腫瘤；2001年，射波刀被FDA批準(zhǔn)用于治療全身各部位的腫瘤[4]。射波刀已經(jīng)廣泛用于以下疾病的治療：顱腦及頸部腫瘤[5]、肺癌、胰腺癌[6-7]、肝癌[8]、前列腺癌[9]、脊髓腫瘤及脊髓其它疾病[10]、良性腫瘤及可放射治療的其它疾病[11]。其融合了緊湊型加速器、機(jī)械臂、影像系統(tǒng)、呼吸追蹤系統(tǒng)[12]。

相比常規(guī)加速器，射波刀具有非常高的精度，對(duì)于靜態(tài)目標(biāo)，精度優(yōu)于0.95 mm；對(duì)于動(dòng)態(tài)目標(biāo)，精度優(yōu)于1.5 mm，改變以往以外部標(biāo)記線為擺位參考，而以體內(nèi)標(biāo)記為擺位和追蹤標(biāo)記[13]。機(jī)械臂的引入使射波刀特別靈活，射束可以更有效地分散，然后高度聚焦到腫瘤上，射波刀通常采用3～5 次低分割照射，每次治療時(shí)間在20～40 min；在治療期間，影像系統(tǒng)會(huì)間隔一定的時(shí)間獲取一對(duì)正交影像，因此會(huì)增加患者的額外輻射劑量[14]。

我國(guó)引進(jìn)的射波刀系統(tǒng)多為第3代（G3）或第4代（G4）射波刀產(chǎn)品。關(guān)佳恒等［15］報(bào)道了G3射波刀治療精度的驗(yàn)證與分析中得到的關(guān)于G3數(shù)據(jù)，李玉等［16］報(bào)道了G4射波刀照射精度的驗(yàn)證評(píng)價(jià)與第五代（VSI）進(jìn)行比較，可見(jiàn)射波刀的精度一代比一代高。這三代射波刀精度都處于亞毫米級(jí)內(nèi)，對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的治療精度＜1.5 mm，對(duì)固定目標(biāo)的治療精度＜0.95 mm，可以很好的滿足放射治療的工作要求［17］。目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)始使用第六代產(chǎn)品，第六代射波刀系統(tǒng)與前五代主要不同為圓筒準(zhǔn)直器改為多葉準(zhǔn)直器，提高了靶區(qū)適形度，且機(jī)器人更靈活，射線覆蓋角度更廣。各種追蹤技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于射波刀的高精度治療具有重要意義，下面對(duì)此進(jìn)行綜述。

1 射波刀追蹤技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 六維顱骨追蹤系統(tǒng)

六維顱骨追蹤系統(tǒng)主要用于治療顱內(nèi)腫瘤，對(duì)于較小的顱內(nèi)疾病可達(dá)到良好的治療效果，F(xiàn)ariselli等［18］報(bào)道了33例三叉神經(jīng)痛患者使用射波刀治療的結(jié)果，除2例外均獲得了較好的療效。六維顱骨追蹤系統(tǒng)通過(guò)對(duì)比患者實(shí)時(shí)曝光產(chǎn)生顱骨位置實(shí)時(shí)的圖像和CT掃描重建生成數(shù)字重建影像（Digitally Reconstructed Radiography，DRR）的圖像，計(jì)算出6個(gè)自由度（3個(gè)平移和3個(gè)全局旋轉(zhuǎn)）的患者位移，如果這些數(shù)值在機(jī)械手可以校準(zhǔn)的范圍內(nèi)，機(jī)械手會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)這些數(shù)據(jù)，然后發(fā)出射線束進(jìn)行治療，從而實(shí)現(xiàn)6D-顱骨追蹤，跟蹤成像參數(shù)最好處在設(shè)定的閾值內(nèi)，主要考慮亮度增益和梯度增益等參數(shù)，由于曝光參數(shù)不同，誤差補(bǔ)償也不同，對(duì)于亞mm級(jí)誤差的射波刀立體定向放射治療平臺(tái)，影像追蹤曝光參數(shù)的選擇顯得更有必要，圖像引導(dǎo)系統(tǒng)額外吸收劑量評(píng)估有待研究，曝光參數(shù)不當(dāng)，會(huì)影響跟蹤算法的準(zhǔn)確性。

1.2 交叉視野脊柱追蹤系統(tǒng)

脊柱追蹤包括頸椎、胸椎、腰椎及骶尾骨病變，（Xsight Spine Tracking System，XSTS）常用于治療椎體旁腫瘤及骨轉(zhuǎn)移瘤，骨轉(zhuǎn)移瘤是引起患者劇烈癌痛的根源，同樣還會(huì)伴隨著神經(jīng)性的疼痛[18-20]。轉(zhuǎn)移性脊髓壓迫是癌癥的常見(jiàn)并發(fā)癥，通常以腫瘤急癥的方式呈現(xiàn)[21]。而對(duì)于骨轉(zhuǎn)移而言，放射治療尤其是立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）是非常重要的治療方式[22-23]。XSTS追蹤模式能夠?qū)崟r(shí)追蹤靶區(qū)部位的脊柱變化，它主要用于追蹤脊柱及周?chē)牟∽?，通過(guò)計(jì)算患者身體內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)的位移來(lái)工作。在治療計(jì)劃期間預(yù)先確定要追蹤的骨骼結(jié)構(gòu)，計(jì)劃時(shí)定義一個(gè)包含81個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格的感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）,在治療輸出期間，其通過(guò)監(jiān)視相對(duì)DRR影像中節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)X射線影像中ROI的節(jié)點(diǎn)位移，計(jì)算目標(biāo)位移，治療計(jì)劃期間定義的ROI大小作為治療輸出期間的默認(rèn)ROI大小，XSTS計(jì)算6個(gè)自由度的患者位移。在定位期間，計(jì)算的位移用于調(diào)整患者的位置，在治療輸出期間，治療機(jī)械手會(huì)自動(dòng)調(diào)整加速器的位置，以對(duì)目標(biāo)的平移和旋轉(zhuǎn)位移進(jìn)行校正。它的視覺(jué)驗(yàn)證必不可少，目測(cè)評(píng)估可確保其算法能夠正確的跟蹤骨骼結(jié)構(gòu)，跟蹤成像參數(shù)最好處于設(shè)定的閾值內(nèi)，其主要考慮X軸目標(biāo)配對(duì)公差閾值（dxAB)、r軸目標(biāo)配對(duì)公差閾值（drAB)、錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)閾值、ROI高度、追蹤范圍等，否則會(huì)影響跟蹤算法的準(zhǔn)確性。

1.3 金標(biāo)追蹤系統(tǒng)

金標(biāo)追蹤系統(tǒng)使用金標(biāo)提取算法分析DRR和實(shí)時(shí)X射線影像以確定金標(biāo)的位置。金標(biāo)使用3個(gè)或更多金標(biāo)可顯著改善定位的精度，推薦使用4～6個(gè)金標(biāo)，放置金標(biāo)應(yīng)符合以下要求：① 金標(biāo)與金標(biāo)之間的距離要大于2 cm；②金標(biāo)與治療靶區(qū)的距離要小于5～6 cm；③ 金標(biāo)不能在同一條直線上放置，這是指在患者獲取X射線影像中，在獲取右前斜位和左前斜位或在獲取右后前斜位和左后前斜位的X射線影像中，3個(gè)金標(biāo)不在一條直線上；④ 在3個(gè)金標(biāo)的任意組合之間應(yīng)采用至少15°的角度差異。

以上金標(biāo)放置錯(cuò)誤將會(huì)對(duì)腫瘤靶區(qū)和治療精度造成負(fù)面影響，還應(yīng)注意金標(biāo)植入后，不應(yīng)立即進(jìn)行CT掃描，應(yīng)根據(jù)不同植入部位組織，等金標(biāo)與組織相對(duì)穩(wěn)定后再行CT掃描。在金標(biāo)追蹤模式中，要改善DRR和實(shí)時(shí)X射線影像質(zhì)量，主要是減少背景噪聲信息，然后在提取DRR影像中參考金標(biāo)周?chē)膮^(qū)域，并將它與相應(yīng)實(shí)時(shí)X射線影像相關(guān)聯(lián)。金標(biāo)提取成像和算法參數(shù)，要注意剛體誤差閾值、金標(biāo)間隔閾值、共線性閾值、dxAB、跟蹤范圍等都應(yīng)在特定閾值范圍內(nèi)，改變以上參數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。Mallarajapatna等[24]研究報(bào)道，122例患者中有14例（11.5%）發(fā)生金標(biāo)移位，也有其他研究報(bào)道了金標(biāo)發(fā)生移位從而影響患者定位和治療的精度的情況[25]。

1.4 Synchrony呼吸追蹤系統(tǒng)

Synchrony呼吸追蹤系統(tǒng)主要用于受人體呼吸影響而運(yùn)動(dòng)的腫瘤靶區(qū)治療，其方法是將目標(biāo)移動(dòng)與患者的呼吸移動(dòng)相關(guān)聯(lián)，建立Synchrony模型，并將輸出射束與目標(biāo)移動(dòng)同步的一種治療方法，對(duì)目標(biāo)的移動(dòng)進(jìn)行跟蹤和補(bǔ)償，可與金標(biāo)、脊柱追蹤等方法聯(lián)合使用。Synchrony模型使用一種預(yù)測(cè)算法來(lái)預(yù)測(cè)目標(biāo)的位置，它將確定的位置傳送給機(jī)械手，從而使治療機(jī)械手能夠與目標(biāo)同步移動(dòng)，常用于運(yùn)動(dòng)的靶區(qū)，如肺、肝等器官病變，通過(guò)呼吸模型修正加速器照射方向，以實(shí)現(xiàn)靶區(qū)的同步照射[26-27]。肝臟腫瘤由于是軟組織腫瘤，同時(shí)受肺部呼吸動(dòng)度和自身運(yùn)動(dòng)的影響，在追蹤時(shí)需要采用Synchrony呼吸追蹤。

1.5 交叉視野肺部追蹤系統(tǒng)

交叉視野肺部追蹤系統(tǒng)只用于跟蹤治療肺部病變部位腫瘤，無(wú)需植入金標(biāo)，直接選取肺部腫瘤的輪廓代替植入的金標(biāo)，把腫瘤當(dāng)作標(biāo)記物進(jìn)行追蹤。正式治療時(shí)開(kāi)啟呼吸追蹤軟件系統(tǒng)，追蹤體表紅光標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，X線同步拍攝肺部影像，采集到8個(gè)拍攝點(diǎn),模擬出呼吸運(yùn)動(dòng)曲線，建立紅光標(biāo)記點(diǎn)與肺部腫瘤的對(duì)應(yīng)關(guān)系，指導(dǎo)機(jī)械手臂控制射束隨患者的呼吸對(duì)腫瘤作同步移動(dòng)治療。交叉視野肺部追蹤系統(tǒng)肺部成像的參數(shù)要考慮目標(biāo)dxAB和drAB閾值、不確定性閾值、跟蹤的范圍、實(shí)時(shí)影像對(duì)比系數(shù)等處于閾值范圍內(nèi)，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。其在滿足以下3點(diǎn)的情況下，可以不使用金標(biāo)精確追蹤肺部腫瘤：① 腫瘤的直徑在任何方向上都大于1.5 cm；② 腫瘤位于肺部周?chē)鷧^(qū)域；③ 腫瘤的密度相對(duì)較大。

1.6 肺部?jī)?yōu)化治療

肺部?jī)?yōu)化治療是將交叉視野脊柱追蹤系統(tǒng)與0-視圖（0-view）、1-視圖（1-view）結(jié)合實(shí)現(xiàn)肺部病變的照射，無(wú)需植入金標(biāo)即可進(jìn)行跟蹤。1-view追蹤可以與Synchrony呼吸追蹤系統(tǒng)配合使用，追蹤因患者呼吸而導(dǎo)致靶區(qū)移動(dòng)的腫瘤。0-view與1-view直接決定照射的體積，1-view相對(duì)0-view照射體積小，因此對(duì)正常組織保護(hù)較好。肺部?jī)?yōu)化治療采取0-view時(shí)，靶區(qū)體積包括臨床靶區(qū)體積及腫瘤位置運(yùn)動(dòng)中所有的內(nèi)部邊界，當(dāng)上述靶區(qū)體積基于臨床靶區(qū)體積并由醫(yī)生勾畫(huà)時(shí)，內(nèi)部靶區(qū)追蹤體積基于靶區(qū)追蹤體積并通常在模擬計(jì)劃的創(chuàng)建期間由物理師或劑量師勾畫(huà)。在選擇1-view追蹤時(shí)，且治療計(jì)劃是基于模擬計(jì)劃的個(gè)案治療過(guò)程中，內(nèi)部靶區(qū)追蹤體積的投影重疊顯示在未追蹤的實(shí)時(shí)X射線影像中。2-view常直接用于交叉視野肺部追蹤系統(tǒng)技術(shù)，只用于治療肺部跟蹤病變部位腫瘤，通常與Synchrony呼吸追蹤系統(tǒng)配合使用。肺部追蹤系統(tǒng)可以精確的追蹤肺部腫瘤而不使用金標(biāo)，需滿足以下3點(diǎn)：① 腫瘤的直徑在任何方向上都大于1.5 cm；② 腫瘤位于肺部的周?chē)鷧^(qū)域；③ 腫瘤的密度相對(duì)較大。其肺部成像的參數(shù)要考慮目標(biāo)dxAB和drAB閾值、不確定性閾值、跟蹤的范圍、實(shí)時(shí)影像對(duì)比系數(shù)等處于閾值范圍內(nèi)，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2 討論

射波刀作為一種精確的放射外科手段，在治療腫瘤的徹底性、治療過(guò)程的安全性、功能器官的保存性及以復(fù)發(fā)后的再治等方面都具有很高的優(yōu)勢(shì)。使用射波刀治療早期腫瘤，生存率與手術(shù)等效，改變了唯手術(shù)治癌的認(rèn)知，開(kāi)創(chuàng)了放射治癌的新時(shí)代。采用大劑量治療，可使腫瘤細(xì)胞消融壞死、周?chē)軆?nèi)膜損傷、腫瘤抗原暴露激活免疫，發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，可以為更多的腫瘤患者服務(wù)。

醫(yī)療儀器設(shè)備越精確，在實(shí)際使用及操作中就越會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，射波刀作為一種高精度醫(yī)療設(shè)備在使用過(guò)程中可能出現(xiàn)亮度錯(cuò)誤、配準(zhǔn)圖像失敗、X軸配對(duì)公差目標(biāo)錯(cuò)誤、找不到金標(biāo)、治療中呼吸模型丟失、治療意外中斷等出現(xiàn)問(wèn)題等。因此，如何快速找到問(wèn)題解決方案、提高設(shè)備精度的質(zhì)量、保證使用金標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)、選擇臨床適應(yīng)癥及并發(fā)癥的預(yù)防等，都是需解決的問(wèn)題。射波刀各種追蹤技術(shù)對(duì)于不同部位腫瘤的治療，如顱內(nèi)、肺、肝、胰腺、腎臟及腎上腺、椎體及椎體旁腫瘤、前列腺、腹膜后等部位的原發(fā)或轉(zhuǎn)移腫瘤都具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)使用最多的第五代射波刀與前幾代相比具有更高的輸出劑量率，配置的自動(dòng)準(zhǔn)直器系統(tǒng)等多項(xiàng)新技術(shù)顯著提高了照射的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性及更短的照射時(shí)間，提高了工作效率，減少了治療時(shí)間，

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本文編輯 劉峰

Research Progress of Cyberknife Tracking Technology

HU Bin, PENG Zhen-jun
Cancer Center, Wuhan Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Hubei 430022, China

The full name of cyberknife is X-ray stereotactic radiosurgery treatment system, which is a new type of radiotherapy equipment for whole body tumor treatment. By combining “intelligent interactive robot” with “image navigation technology”, it can collect and analyze the position data of tumor and normal organ as well as data of corresponding movement. With the location of fourdimensional imaging navigation technology, it can realize real-time tracking, precise-positioning and high-level irradiation of cancer disease. Cyberknife has the characteristics of high fractional dose, few fractional time and high biological dose, while it requires very high accuracy and stability of equipment. Cyberknife tracking technology is the key factor to ensure its accuracy. This article reviewed the research progress of domestic and overseas cyberknife tracking technologies including six-dimensional skull tracking technology, X-sight spine tracking system, gold mark tracking system, etc.

cyberknife; tracking technology; image-guidance; treatment accuracy; stereotactic; lung cancer

TH774；R730.5

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.02.027

1674-1633(2017)02-0100-04

2016-03-21

2016-03-24

作者郵箱：23012406@qq.com