趙利榮，周一兵，孫建國

陸軍軍醫(yī)大學第二附屬醫(yī)院 腫瘤科，重慶 400037

引言

近年來，現(xiàn)代調(diào)強和容積調(diào)強技術(shù)在放療臨床中廣泛應(yīng)用，立體定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery，SRS）[1-3]和體部立體定向放療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）[4]等采用大分割技術(shù)的先進精準放療日漸普及，其區(qū)別于其他放療技術(shù)的主要特點是高劑量（每次6～30 Gy）、低分次（1～5次）、毫米級邊緣精確定位[5]，SRS和SBRT殘余擺位誤差應(yīng)不大于1 mm[6]。與傳統(tǒng)共面照射不同，SRS通常依靠加速器治療床旋轉(zhuǎn)而采用非共面照射技術(shù)，對治療床的機械精度提出了更高要求。因此，非共面照射使病人擺位誤差可能進一步增大。

國家癌癥中心2017年發(fā)布的NCC/T-RT 001 2017《放射治療質(zhì)量控制基本指南》及美國醫(yī)學物理學家協(xié)會(American Association Physicists Medicine，AAPM)發(fā)布的TG 142、TG 179等技術(shù)報告，給出了精準放療實施條件、質(zhì)控措施等指導意見[7-8]，其中影像引導放療（Image-guided Radiation Therapy，IGRT）為精準放療的先決條件，采用影像引導技術(shù)可以有效減少放療擺位誤差，該技術(shù)正逐漸被越來越多的醫(yī)院采用[9-11]。以瓦里安公司OBI系統(tǒng)為代表的錐形束CT（Cone-Beam CT，CBCT）影像引導技術(shù)已經(jīng)作為臨床IGRT位置驗證的金標準被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各大放療中心[12]，但CBCT一次掃描、傳輸和配準時間為5～10 min，這會延長患者治療時間，降低患者舒適度；同時會使患者增加大約2 mGy的額外劑量照射。以博醫(yī)來公司的Exactrac系統(tǒng)為代表的二維影像引導技術(shù)恰好彌補了以上不足。但Exactrac系統(tǒng)采集的±45°斜交二維圖像所顯示的解剖結(jié)構(gòu)，并非常規(guī)正側(cè)位DRR圖像，且因其延長了球管到影像接收板的距離，以及二維圖像解剖信息量不及三維影像豐富，致使除骨性組織外的軟組織不易辨識，從而增加放療醫(yī)生判斷患者擺位誤差的難度。這亟待在醫(yī)療實踐中深入探究并加以解決。

基于上述現(xiàn)狀，本文嘗試開展利用CBCT技術(shù)檢驗顱內(nèi)腫瘤SRS治療的二維影像引導結(jié)果的研究工作，通過評估二維Exactrac系統(tǒng)的位置驗證精度，分析和判斷顱內(nèi)腫瘤SRS治療中采用二維影像引導技術(shù)的可行性與操作流程的合理性。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

收集2019年10月至2020年7月治療的28例腦轉(zhuǎn)移瘤病人，其中男性18例，女性10例，年齡29～78歲，中位年齡56歲。其中單發(fā)灶19例，占68%；多發(fā)灶9例（其中2個病灶6例，3個病灶2例）占32%。

1.2 定位及計劃設(shè)計

CT模擬定位采用德國博醫(yī)來的X頭部專用定位框架固定病人體位，先將框架底部的熱塑膜在恒溫水箱中加熱至透明狀后置于定位架上，患者以最舒適的體位仰臥于碳纖維床上，再將中部面罩加熱透明后，固定病人的面部前額、下巴和唇部，并用卡條固定，最后將頂部面罩加熱透明后進行面部塑性，亦用卡條固定。

定位設(shè)備為飛利浦大孔徑CT模擬定位機Bigbore，CT掃描層厚與層間距均為1 mm，使用博醫(yī)來iPlan治療計劃系統(tǒng)完成計劃設(shè)計，全部病例均采用多個非共面弧照射技術(shù)實施頭部立體定向治療，單個病灶設(shè)計一個等中心，多個病灶設(shè)計多個等中心，每個病人計劃有4～6個弧。用OBI系統(tǒng)進行圖像采集和驗證時，為了避免治療中和機架的碰撞危險，非共面弧的計劃床角度范圍為0～90°。

1.3 治療前QA

為保證結(jié)果的準確性，必須在實施影像引導之前采用合適的QA措施，以消除或者盡量減少與影像引導放療設(shè)備無關(guān)的系統(tǒng)誤差。采用Winston-Lutz Test方法校準加速器的等中心位置后，分別對OBI和Exactrac系統(tǒng)進行質(zhì)控，確保兩套影像引導設(shè)備的等中心和加速器的等中心重合，保證等中心的偏差不超過0.1 mm。對六維床的旋轉(zhuǎn)精度也進行了校準，保證床的旋轉(zhuǎn)精度＜±0.1°。

1.4 兩種影像引導設(shè)備介紹

本科室于2011年10月安裝的瓦里安Trilogy加速器，本文將其配備的OBI系統(tǒng)作為影像引導結(jié)果對比檢驗設(shè)備。OBI系統(tǒng)在直線加速器機架兩側(cè)分別安裝1個傳統(tǒng)X光球管和1個硅晶探測板，通過加速器機架旋轉(zhuǎn)，形成一個和MV級治療野垂直交叉的kV級影像采集野，具備拍片、透視和采集kV級CBCT（KV-CBCT）的功能，可采集診斷級別的CBCT圖像，對放療醫(yī)生觀察患者靶區(qū)及危及器官解剖結(jié)構(gòu)的變化和治療擺位提供了可能，已成為影像引導糾正放療擺位誤差的金標準。本單位的OBI只能自動驅(qū)動六維床沿X、Y、Z軸方向平移，并不具備糾正旋轉(zhuǎn)誤差的能力。

德國博醫(yī)來公司Exactrac系統(tǒng)獨立于直線加速器，其X射線影像模塊是由兩對互呈±45°斜交排列的球管和探測板組成，同時曝光可以獲取兩幅彼此正交且聚焦于等中心的X射線影像，以此與TPS生成的DRR圖像進行對比和圖像配準，其分析結(jié)果可結(jié)合六維床在平移和旋轉(zhuǎn)方向修正擺位誤差。

1.5 治療前擺位和誤差修正

治療床位于0°，使用Exactrac系統(tǒng)的紅外自動擺位功能和六維床進行擺位，完成圖像采集、融合和自動配準后，計算沿平移和旋轉(zhuǎn)軸（六維）的擺位誤差，最后由六維床移動完成平移（X、Y、Z）和旋轉(zhuǎn)傾斜方向（Pitch、Roll、Yaw）的誤差修正。坐標系統(tǒng)采用IEC1217的標準，即：病人左右方向為X軸，頭腳方向為Y軸，治療床上下移動方向為Z軸。六維床完成誤差修正后再次進行Exactrac和OBI系統(tǒng)的圖像采集驗證。OBI系統(tǒng)的操作步驟如下：展開OBI影像板和X射線發(fā)生器；選擇標準頭部模式；設(shè)置濾線器模式為full fan；機架旋轉(zhuǎn)角度為22～180°。OBI圖像配準過程采用系統(tǒng)自動配準不進行人工干預，計算出平移和旋轉(zhuǎn)方向的六維方向誤差。按非共面照射治療計劃設(shè)計要求，旋轉(zhuǎn)治療床至其余床角度，重復以上擺位驗證。

當X（左右）、Y（前后）、Z（上下）三個方向的平移和旋轉(zhuǎn)誤差（Pitch、Roll、Yaw）達到SRS治療精度要求（平移誤差＜1 mm，旋轉(zhuǎn)誤差＜0.5°）時開始實施照射。

1.6 統(tǒng)計學分析

應(yīng)用SPSS 20.0軟件，計算非共面治療的病人經(jīng)Exactrac系統(tǒng)自動配準后的六維方向誤差的平均值、標準偏差σ和均方根偏差值。經(jīng)Exactrac結(jié)合六維床修正誤差后再行CBCT檢驗結(jié)果用箱式誤差圖顯示。

2 結(jié)果

本文選取的28例頭部SRS患者，每個患者計劃設(shè)計4～6個非共面的治療弧，28例患者中18例治療次數(shù)是2～3次，10例患者治療次數(shù)是1次。每次治療前都要進行位置驗證，分別在不同的床值角度，共進行256次圖像采集，并與治療前的DRR圖進行配準（圖1），得到擺位修正前Exactrac系統(tǒng)圖像配準的結(jié)果如表1所示。由表1中統(tǒng)計結(jié)果可以看出，修正前六維方向誤差都比較大。在平移方向上，X方向的平均值最大，為1.73 mm；Z方向的標準偏差最大，為3.83 mm。28例患者中，X、Y、Z三個方向平移誤差＞1 mm的百分比分別為77.4%、78.6%、83.8%。繞X、Y、Z三個軸旋轉(zhuǎn)方向的平均值分別為-1.26°±1.34°、-0.17°±0.65°、0.37°±0.66°。28例患者中，繞X、Y、Z三個軸旋轉(zhuǎn)方向誤差＞0.5°的百分比分別為88.2%、50.0%、55.9%。由于統(tǒng)計的擺位誤差有正負方向的偏差，均方根值因其將誤差平方時消除了符號的影響，在一定程度上更加真實地反應(yīng)出測試結(jié)果誤差的離散程度，平移X方向的均方根最小為1.61 mm，旋轉(zhuǎn)方向沿Y軸的旋轉(zhuǎn)誤差最小為0.56 mm。圖2a和2b為二維Exactrac系統(tǒng)修正前的六維方向擺位誤差箱式圖。擺位修正后Exactrac系統(tǒng)掃描的六維方向誤差統(tǒng)計如表2所示，可以明顯看出,修正后X、Y、Z 三個軸平移方向的誤差均＜1 mm，旋轉(zhuǎn)方向的誤差均＜0.5°。

圖1 Exactrac系統(tǒng)圖像配準的結(jié)果

表1 擺位修正前Exactrac系統(tǒng)掃描的六維方向誤差統(tǒng)計

圖2 頭部SRS非共面治療患者擺位修正前后平移和旋轉(zhuǎn)方向的箱式誤差圖

表2 擺位修正后Exactrac系統(tǒng)掃描的六維方向誤差統(tǒng)計

由于瓦里安的三維OBI系統(tǒng)的位置驗證平移結(jié)果顯示只能精確到毫米級，經(jīng)過二維Exactrac系統(tǒng)誤差修正后三維OBI系統(tǒng)掃描結(jié)果以箱式誤差圖示出（圖2c為平移結(jié)果，圖2d為旋轉(zhuǎn)結(jié)果），X、Y、Z為平移方向的誤差值都＜1 mm，繞三個軸旋轉(zhuǎn)的誤差＜0.5°，完全滿足SRS放療的臨床治療要求。比較采用配對t檢驗，結(jié)果顯示，二維Exactrac系統(tǒng)和三維OBI系統(tǒng)的驗證結(jié)果P＞0.05，說明二套系統(tǒng)的位置驗證結(jié)果沒有明顯的統(tǒng)計學差異。

3 討論

kV級CBCT是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛和成熟的影像引導設(shè)備[13-14]，其操作流程和技術(shù)方法可作為影像引導的金標準，該系統(tǒng)采集的圖像具有接近診斷標準的CT圖像，包括骨性標記和軟組織等人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)都可較清晰地顯示，放療醫(yī)生和技師等工作人員可以很方便以此進行軟件自動配準，或選擇手動配準，對圖像配準結(jié)果的審核提供可信賴的方法[15-17]。然而，如果未配備六維治療床，或系統(tǒng)不能控制沿旋轉(zhuǎn)方向的移動，只能進行X、Y、Z平移方向的位移，這對于修正六維方向的擺位誤差無疑是非常困難的，對于非共面照射的頭部SRS治療來說，將帶來很大的治療風險。

目前，國內(nèi)很多放療中心面臨的現(xiàn)狀是放療病人數(shù)量較多，工作量浩繁[18]。若每次治療前都執(zhí)行CBCT影像引導，顯然會付出巨大的時間成本，SRS比傳統(tǒng)放療照射分次更少，總劑量和單次劑量更高，其擺位誤差要求以毫米計，任何一次照射出現(xiàn)不符合臨床要求的位置誤差，都將產(chǎn)生更嚴重的后果，因此每次治療前進行影像引導的必要性顯而易見。博醫(yī)來的二維Exactrac系統(tǒng)具有圖像采集和配準速度快、效率高的特點，配置六維治療床后可在平移和旋轉(zhuǎn)六維方向進行位置精確調(diào)整，以上特點使其非常適合作為影像引導設(shè)備在頭部SRS非共面照射治療中運用[19-20]。前期我們已經(jīng)開展了關(guān)于Exactrac系統(tǒng)結(jié)合六維治療床修正鼻咽癌調(diào)強放療擺位誤差精度驗證的研究工作[21]，選取的40例鼻咽癌病人調(diào)強放療計劃，治療前經(jīng)過二維Exactrac系統(tǒng)結(jié)合六維床修正擺位誤差后，總的平移誤差小于0.32 mm，旋轉(zhuǎn)誤差小于0.2°。當然，上述研究限于共面照射計劃的位置驗證，治療過程中治療床僅處于0°位置，對非共面照射的SRS治療而言，治療床將會旋轉(zhuǎn)至治療計劃設(shè)計的其他非零角度進行照射，一方面，治療床機械精度將增加對擺位誤差的影響，造成圖像配準的不確定性增大；另一方面，二維Exactrac系統(tǒng)只能依賴系統(tǒng)自動配準功能，因此臨床中利用CBCT對配準結(jié)果可靠性進一步檢驗是非常必要的[22]。對于非共面照射的相關(guān)檢驗和驗證研究少有報道，本文所進行的研究對優(yōu)化SRS治療流程、提高治療位置精度也顯得非常有意義。

本文開展的利用OBI系統(tǒng)檢驗二維Exactrac系統(tǒng)圖像配準和誤差修正結(jié)果研究結(jié)果表明，經(jīng)過二維Exactrac系統(tǒng)修正后，X、Y、Z三個方向的平移誤差可以控制在1 mm內(nèi)，沿相應(yīng)軸的旋轉(zhuǎn)誤差可以控制在0.5°以內(nèi)。本文的研究結(jié)果為我們正在開展的頭頸部腫瘤放療在體劑量驗證技術(shù)相關(guān)臨床應(yīng)用提供可靠的工作基礎(chǔ)，為顱內(nèi)腫瘤SRS非共面放療提供位置和劑量的雙重保障，進一步體現(xiàn)精準放療的重要意義。

今后將在以下兩方面展開進一步研究：① 在擺位誤差修正后比較二維Exactrac和三維CBCT的檢測數(shù)據(jù)，這時各個方向和各個角度的誤差數(shù)據(jù)應(yīng)當都比較小了，接近于0 mm或0°，今后將在擺位誤差修正前，進一步比較兩種影像設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)；② 由于頭部的骨性結(jié)構(gòu)比較明顯，配準也相對容易；而對于體部立體定向放療，由于呼吸動度比較大，骨性結(jié)構(gòu)不是特別明顯等原因，其圖像配準算法等可能會和頭部研究方法不盡相同，今后將會用二維Exactrac系統(tǒng)對體部立體定向放療SBRT的擺位誤差修正能力開展相關(guān)檢驗和驗證研究，以進一步拓展Exactrac系統(tǒng)的臨床應(yīng)用，為SBRT治療的影像引導提供更多選擇。

4 結(jié)論

頭部立體定向治療SRS的治療具有單次劑量大、治療時間長的特點，對位置準確性有更高的要求，在做圖像引導前位置的精確度比較低，不能滿足臨床的治療要求，經(jīng)過二維圖像引導位置糾正后，平移方向的擺位誤差可控制在1 mm內(nèi)，旋轉(zhuǎn)方向誤差可控制在0.5°內(nèi)。我們得到的關(guān)于放療位置驗證結(jié)果，已通過了目前臨床比較可靠的瓦里安三維OBI系統(tǒng)的檢驗，證明可以用于放療前位置驗證。