北京大學(xué)第三醫(yī)院 腫瘤放療科，北京 100191

引言

射波刀（Accuray，Inc.，Sunnyvale，CA，美國(guó)）端到端的精度可達(dá)亞毫米級(jí)別[1-2]，為了確保影像追蹤系統(tǒng)的精度，安科銳公司建議使用對(duì)準(zhǔn)質(zhì)量保證（Alignment Quality Assurance，AQA）模體對(duì)射波刀系統(tǒng)進(jìn)行每日測(cè)試。X線球管成像參數(shù)和金標(biāo)追蹤數(shù)目是決定AQA測(cè)試中影像追蹤精度的重要因素[3]，由于AQA測(cè)試采用的是固定參數(shù)，與實(shí)際治療情況相差較大，因此質(zhì)控結(jié)果過(guò)于理想化。AAPM TG-135報(bào)告推薦[4]，在非理想情況下對(duì)加速器的評(píng)估是也非常重要的。然而，目前針對(duì)射波刀非理想條件下驗(yàn)證影像追蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性的相關(guān)研究較少。因此，本研究旨在采用標(biāo)準(zhǔn)及特定的X線球管曝光參數(shù)和不同金標(biāo)數(shù)量（2、3、4顆）的情況下進(jìn)行AQA測(cè)試，驗(yàn)證X線球管成像參數(shù)與金標(biāo)數(shù)對(duì)靶目標(biāo)追蹤總位置精度誤差、可信度以及剛性誤差的影響。通過(guò)分析上述條件下的質(zhì)控測(cè)試數(shù)據(jù)，幫助我們?cè)O(shè)計(jì)出更好的質(zhì)控策略，為患者提供最佳治療。

1 材料和方法

1.1 添加額外固體水

AQA體模尺寸（5 cm×5 cm×5 cm）比實(shí)際患者體厚小，為了模擬更真實(shí)的患者治療狀況，額外添加了固體水用于衰減成像（圖1）。本研究選擇PTW RW3模體進(jìn)行加厚AQA模體，沿著X射線束的路徑（0°與90°方向）分別在AQA模體上下、左右方向各增加5 cm厚的固體水以提供建成與背散（圖2）。

圖1 AQA模體與膠片

圖2 沿著X射線束的路徑（0與90°方向）加厚AQA模體5 cm

1.2 設(shè)置人為擺位誤差

射波刀治療過(guò)程中，基于實(shí)時(shí)影像追蹤系統(tǒng)，能夠不間斷地追蹤靶目標(biāo)，通過(guò)修正機(jī)械手臂位置實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打靶，修正范圍在平移方向與角度旋轉(zhuǎn)最多可達(dá)10 mm與1.0°。本研究依據(jù)TLS算法，按照4顆金標(biāo)追蹤將實(shí)時(shí)影像與AQA計(jì)劃的數(shù)字重建放射影像（Digitally Reconstructured Radiograph，DRR）進(jìn)行配準(zhǔn)，使用手控盒利用射波刀治療床控制系統(tǒng)將左右（x方向）、上下（y方向）和前后（z方向）方向按照要求使位移偏差分別達(dá)到10 mm，俯仰、傾斜和旋轉(zhuǎn)角度分別為1.0°。

1.3 設(shè)置追蹤參數(shù)

選擇標(biāo)準(zhǔn)X線球管成像參數(shù)（管電壓60 kV、管電流50 mA、曝光時(shí)間50 ms）與患者治療時(shí)常用的X線球管成像參數(shù)（管電壓100 kV、管電流100 mA、曝光時(shí)間100 ms），分別使用2、3、4顆金標(biāo)實(shí)施追蹤，進(jìn)行AQA測(cè)試。

1.4 測(cè)量與記錄

使用TLS算法對(duì)模體進(jìn)行成像，在確認(rèn)射波刀已顯示校正參數(shù)后，實(shí)施照射，同時(shí)記錄目標(biāo)追蹤可信度與剛性誤差。使用EPSON Perfection 11000XL掃描儀掃描投照后的GafChromic EBT2膠片，利用AQA分析軟件讀取總位置精度誤差，每組連續(xù)重復(fù)測(cè)量6次。

1.5 追蹤準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)

DRR影像與實(shí)時(shí)影像配準(zhǔn)過(guò)程中，對(duì)于影響目標(biāo)追蹤準(zhǔn)確性，需要特別關(guān)注的兩項(xiàng)參數(shù)為可信度及剛性誤差?？尚哦龋ㄩ撝禐?0%）決定系統(tǒng)追蹤目標(biāo)可接受的最小置信水平。盡管用戶(hù)無(wú)法調(diào)節(jié)，但置信度閾值在用戶(hù)的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)（＜70%），該參數(shù)可以防止系統(tǒng)因圖像噪聲過(guò)大而無(wú)法執(zhí)行計(jì)劃，與X射線圖像質(zhì)量相關(guān)。剛性誤差（閾值為1.5 mm）用于提示實(shí)時(shí)影像與DRR影像中金標(biāo)的相對(duì)形變誤差。TSL算法是基于追蹤標(biāo)志物的灰度進(jìn)行定位，只有在高質(zhì)量的成像條件下，才能更精確地實(shí)現(xiàn)追蹤[5-6]。這兩項(xiàng)參數(shù)均與影像追蹤系統(tǒng)的精度密切相關(guān)。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

在標(biāo)準(zhǔn)與特定兩種X線球管曝光參數(shù)和不同金標(biāo)數(shù)量（2、3、4）雙變量因素條件下，進(jìn)行AQA檢測(cè)，并記錄總位置精度誤差、可信度、剛性誤差三項(xiàng)參數(shù)。使用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，正態(tài)分布的計(jì)量資料采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。采用雙因素?zé)o重復(fù)試驗(yàn)方差分析方法評(píng)價(jià)不同測(cè)試條件對(duì)AQA總位置精度誤差、可信度、剛性誤差的影響，組間兩兩比較采用LSD方法。檢驗(yàn)水平a=0.01，P＜0.01表明差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 總位置精度誤差

如表1所示，增加建成與背散的固體水后，當(dāng)X線球管成像參數(shù)一致時(shí)，3、4顆金標(biāo)的總位置精度誤差明顯小于2顆金標(biāo)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）。兩兩比較，3顆與4顆金標(biāo)間的總位置精度誤差沒(méi)有顯著性差異。當(dāng)追蹤金標(biāo)數(shù)目一致時(shí)，3、4顆金標(biāo)的總位置精度誤差隨著X線球管成像條件的升高而降低，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）。但是，只追蹤2顆金標(biāo)時(shí)，隨X線球管成像條件的升高，雖然平均總位置精度誤差均值有所降低，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.037）。

表1 兩種X線球管成像參數(shù)在2、3、4顆金標(biāo)追蹤條件下AQA測(cè)試總位置精度誤差的比較

2.2 目標(biāo)追蹤可信度

如表2所示，當(dāng)X線球管成像參數(shù)一致時(shí)，2、3、4顆金標(biāo)的目標(biāo)追蹤可信度差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。相比于特定球管成像條件，選擇標(biāo)準(zhǔn)球管成像條件的目標(biāo)追蹤可信度均無(wú)法達(dá)到40%以下的追蹤要求。當(dāng)追蹤金標(biāo)數(shù)目一致時(shí)，隨著X線球管成像參數(shù)升高，目標(biāo)追蹤可信度數(shù)值顯著降低，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）。

表2 兩種X線球管成像參數(shù)在2、3、4顆金標(biāo)追蹤條件下目標(biāo)追蹤可信度的比較（%）

2.3 剛性誤差

如表3所示，當(dāng)X線球管成像參數(shù)一致時(shí)，無(wú)論采用標(biāo)準(zhǔn)成像條件還是特定成像條件，3、4顆金標(biāo)都比2顆金標(biāo)的剛性誤差大，差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）。當(dāng)追蹤金標(biāo)數(shù)目一致時(shí)，隨著X線球管成像參數(shù)升高，追蹤剛性誤差顯著降低，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）。

表3 兩種X線球管成像參數(shù)在2、3、4顆金標(biāo)追蹤條件下剛性誤差的比較

3 討論

射波刀作為立體定向放射治療技術(shù)的專(zhuān)用設(shè)備，基于實(shí)時(shí)影像追蹤系統(tǒng)，在治療過(guò)程中能不間斷地追蹤靶目標(biāo)，并通過(guò)自動(dòng)修正機(jī)械手臂位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打靶[7-8]。為確保治療準(zhǔn)確性，通過(guò)日常全面的AQA檢測(cè)對(duì)加速器正常運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行持續(xù)量化是非常重要的[9]。但是，常規(guī)AQA標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件與實(shí)際治療差別較大。為了更接近常規(guī)治療情況，本研究通過(guò)增加模體厚度并有意引入人為擺位誤差，驗(yàn)證特定條件下，X線球管成像條件與金標(biāo)追蹤數(shù)量對(duì)AQA測(cè)試結(jié)果的影響。

結(jié)果顯示，2顆金標(biāo)因缺乏旋轉(zhuǎn)修正，總位置精度誤差比3、4顆金標(biāo)顯著增加；4顆金標(biāo)的總位置精度誤差最小，說(shuō)明4 個(gè)金標(biāo)為基準(zhǔn)進(jìn)行追蹤時(shí)，對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)誤差修正貢獻(xiàn)最大，該結(jié)論與已發(fā)表的研究結(jié)果一致[10-11]。相比于之前的研究，本研究同時(shí)評(píng)估了剛性誤差與追蹤可信度，結(jié)果表明減少金標(biāo)數(shù)量（＜3顆）會(huì)導(dǎo)致TLS算法對(duì)追蹤目標(biāo)的限制降低[12-13]。因此，使用有限的信息追蹤靶目標(biāo)，即便算法給出的可信度和剛性誤差能夠滿足測(cè)試要求，但實(shí)際執(zhí)行中射波刀并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的位置修正，這時(shí)TLS算法的修正值是需要懷疑的。為保證使用金標(biāo)能很好的提高射波刀治療精確度，從而達(dá)到更好的治療效果，在日常射波刀金標(biāo)追蹤治療中，應(yīng)盡可能按照金標(biāo)植入原則，植入4～6顆金標(biāo)。

本研究發(fā)現(xiàn)，增加模體厚度后，若采用標(biāo)準(zhǔn)X線球管成像條件，AQA測(cè)試的總位置精度誤差明顯增大，同時(shí)追蹤可信度與剛性誤差也有所增加。有研究表明，X線球管管電壓、管電流與圖像質(zhì)量相關(guān)，隨著管電壓、管電流的減少，圖像對(duì)比度、信噪比降低[13-14]。在X線球管較低的曝光條件下，圖像質(zhì)量下降，不足以提供必要的成像細(xì)節(jié)與灰度，這導(dǎo)致TLS算法對(duì)靶目標(biāo)追蹤能力產(chǎn)生較大影響，即使系統(tǒng)顯示可以實(shí)現(xiàn)金標(biāo)追蹤并執(zhí)行AQA測(cè)試，但是追蹤精度變得相當(dāng)不穩(wěn)定。然而X線球管曝光參數(shù)選擇過(guò)高，會(huì)增加患者不必要的劑量。已有研究表明，不同患者、不同部位，以金標(biāo)為基準(zhǔn)的追蹤方式，X線球管曝光條件是有所變化的[15-16]，因此采用適合的X線球管成像參數(shù)也是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)追蹤精確地重要因素。

4 結(jié)論

特定條件下，金標(biāo)追蹤數(shù)目與X線球管成像參數(shù)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)擺位與追蹤的重要因素，正確設(shè)置成像參數(shù)和追蹤金標(biāo)數(shù)目，即使人為引入擺位誤差10.0 mm和1.0°，射波刀也能夠始終如一地保持亞毫米的追蹤精度。