不同X線球管曝光參數和金標數量對射波刀立體定向放療中金標追蹤精度的影響

北京大學第三醫院 腫瘤放療科，北京 100191

引言

射波刀（Accuray，Inc.，Sunnyvale，CA，美國）端到端的精度可達亞毫米級別[1-2]，為了確保影像追蹤系統的精度，安科銳公司建議使用對準質量保證（Alignment Quality Assurance，AQA）模體對射波刀系統進行每日測試。X線球管成像參數和金標追蹤數目是決定AQA測試中影像追蹤精度的重要因素[3]，由于AQA測試采用的是固定參數，與實際治療情況相差較大，因此質控結果過于理想化。AAPM TG-135報告推薦[4]，在非理想情況下對加速器的評估是也非常重要的。然而，目前針對射波刀非理想條件下驗證影像追蹤系統準確性的相關研究較少。因此，本研究旨在采用標準及特定的X線球管曝光參數和不同金標數量（2、3、4顆）的情況下進行AQA測試，驗證X線球管成像參數與金標數對靶目標追蹤總位置精度誤差、可信度以及剛性誤差的影響。通過分析上述條件下的質控測試數據，幫助我們設計出更好的質控策略，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）比實際患者體厚小，為了模擬更真實的患者治療狀況，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 設置人為擺位誤差

射波刀治療過程中，基于實時影像追蹤系統，能夠不間斷地追蹤靶目標，通過修正機械手臂位置實現精準打靶，修正范圍在平移方向與角度旋轉最多可達10 mm與1.0°。本研究依據TLS算法，按照4顆金標追蹤將實時影像與AQA計劃的數字重建放射影像（Digitally Reconstructured Radiograph，DRR）進行配準，使用手控盒利用射波刀治療床控制系統將左右（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到10 mm，俯仰、傾斜和旋轉角度分別為1.0°。

1.3 設置追蹤參數

選擇標準X線球管成像參數（管電壓60 kV、管電流50 mA、曝光時間50 ms）與患者治療時常用的X線球管成像參數（管電壓100 kV、管電流100 mA、曝光時間100 ms），分別使用2、3、4顆金標實施追蹤，進行AQA測試。

1.4 測量與記錄

使用TLS算法對模體進行成像，在確認射波刀已顯示校正參數后，實施照射，同時記錄目標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，每組連續重復測量6次。

1.5 追蹤準確性評價

DRR影像與實時影像配準過程中，對于影響目標追蹤準確性，需要特別關注的兩項參數為可信度及剛性誤差。可信度（閾值為40%）決定系統追蹤目標可接受的最小置信水平。盡管用戶無法調節，但置信度閾值在用戶的調節范圍內（＜70%），該參數可以防止系統因圖像噪聲過大而無法執行計劃，與X射線圖像質量相關。剛性誤差（閾值為1.5 mm）用于提示實時影像與DRR影像中金標的相對形變誤差。TSL算法是基于追蹤標志物的灰度進行定位，只有在高質量的成像條件下，才能更精確地實現追蹤[5-6]。這兩項參數均與影像追蹤系統的精度密切相關。

1.6 統計學方法

在標準與特定兩種X線球管曝光參數和不同金標數量（2、3、4）雙變量因素條件下，進行AQA檢測，并記錄總位置精度誤差、可信度、剛性誤差三項參數。使用SPSS 19.0統計軟件進行數據分析，正態分布的計量資料采用均值±標準差（±s）表示。采用雙因素無重復試驗方差分析方法評價不同測試條件對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。檢驗水平a=0.01，P＜0.01表明差異存在統計學意義。

2 結果

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X線球管成像參數一致時，3、4顆金標的總位置精度誤差明顯小于2顆金標，差異具有統計學意義（P＜0.001）。兩兩比較，3顆與4顆金標間的總位置精度誤差沒有顯著性差異。當追蹤金標數目一致時，3、4顆金標的總位置精度誤差隨著X線球管成像條件的升高而降低，差異具有統計學意義（P＜0.001）。但是，只追蹤2顆金標時，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，但差異無統計學意義（P=0.037）。

表1 兩種X線球管成像參數在2、3、4顆金標追蹤條件下AQA測試總位置精度誤差的比較

2.2 目標追蹤可信度

如表2所示，當X線球管成像參數一致時，2、3、4顆金標的目標追蹤可信度差異沒有統計學意義。相比于特定球管成像條件，選擇標準球管成像條件的目標追蹤可信度均無法達到40%以下的追蹤要求。當追蹤金標數目一致時，隨著X線球管成像參數升高，目標追蹤可信度數值顯著降低，差異具有統計學意義（P＜0.001）。

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

2.3 剛性誤差

如表3所示，當X線球管成像參數一致時，無論采用標準成像條件還是特定成像條件，3、4顆金標都比2顆金標的剛性誤差大，差異存在統計學意義（P＜0.01）。當追蹤金標數目一致時，隨著X線球管成像參數升高，追蹤剛性誤差顯著降低，差異具有統計學意義（P＜0.001）。

表3 兩種X線球管成像參數在2、3、4顆金標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的專用設備，基于實時影像追蹤系統，在治療過程中能不間斷地追蹤靶目標，并通過自動修正機械手臂位置，實現精準打靶[7-8]。為確保治療準確性，通過日常全面的AQA檢測對加速器正常運行的相關參數進行持續量化是非常重要的[9]。但是，常規AQA標準測試條件與實際治療差別較大。為了更接近常規治療情況，本研究通過增加模體厚度并有意引入人為擺位誤差，驗證特定條件下，X線球管成像條件與金標追蹤數量對AQA測試結果的影響。

結果顯示，2顆金標因缺乏旋轉修正，總位置精度誤差比3、4顆金標顯著增加；4顆金標的總位置精度誤差最小，說明4 個金標為基準進行追蹤時，對平移和旋轉誤差修正貢獻最大，該結論與已發表的研究結果一致[10-11]。相比于之前的研究，本研究同時評估了剛性誤差與追蹤可信度，結果表明減少金標數量（＜3顆）會導致TLS算法對追蹤目標的限制降低[12-13]。因此，使用有限的信息追蹤靶目標，即便算法給出的可信度和剛性誤差能夠滿足測試要求，但實際執行中射波刀并沒有實現準確的位置修正，這時TLS算法的修正值是需要懷疑的。為保證使用金標能很好的提高射波刀治療精確度，從而達到更好的治療效果，在日常射波刀金標追蹤治療中，應盡可能按照金標植入原則，植入4～6顆金標。

本研究發現，增加模體厚度后，若采用標準X線球管成像條件，AQA測試的總位置精度誤差明顯增大，同時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、管電流與圖像質量相關，隨著管電壓、管電流的減少，圖像對比度、信噪比降低[13-14]。在X線球管較低的曝光條件下，圖像質量下降，不足以提供必要的成像細節與灰度，這導致TLS算法對靶目標追蹤能力產生較大影響，即使系統顯示可以實現金標追蹤并執行AQA測試，但是追蹤精度變得相當不穩定。然而X線球管曝光參數選擇過高，會增加患者不必要的劑量。已有研究表明，不同患者、不同部位，以金標為基準的追蹤方式，X線球管曝光條件是有所變化的[15-16]，因此采用適合的X線球管成像參數也是實現目標追蹤精確地重要因素。

4 結論

特定條件下，金標追蹤數目與X線球管成像參數是實現精準擺位與追蹤的重要因素，正確設置成像參數和追蹤金標數目，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。