Exactrac系統在SRS非共面放療中位置驗證的可行性研究

趙利榮，周一兵，孫建國

陸軍軍醫大學第二附屬醫院 腫瘤科，重慶 400037

引言

近年來，現代調強和容積調強技術在放療臨床中廣泛應用，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]等采用大分割技術的先進精準放療日漸普及，其區別于其他放療技術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殘余擺位誤差應不大于1 mm[6]。與傳統共面照射不同，SRS通常依靠加速器治療床旋轉而采用非共面照射技術，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年發布的NCC/T-RT 001 2017《放射治療質量控制基本指南》及美國醫學物理學家協會(American Association Physicists Medicine，AAPM)發布的TG 142、TG 179等技術報告，給出了精準放療實施條件、質控措施等指導意見[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，采用影像引導技術可以有效減少放療擺位誤差，該技術正逐漸被越來越多的醫院采用[9-11]。以瓦里安公司OBI系統為代表的錐形束CT（Cone-Beam CT，CBCT）影像引導技術已經作為臨床IGRT位置驗證的金標準被廣泛應用于國內外各大放療中心[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。以博醫來公司的Exactrac系統為代表的二維影像引導技術恰好彌補了以上不足。但Exactrac系統采集的±45°斜交二維圖像所顯示的解剖結構，并非常規正側位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，從而增加放療醫生判斷患者擺位誤差的難度。這亟待在醫療實踐中深入探究并加以解決。

基于上述現狀，本文嘗試開展利用CBCT技術檢驗顱內腫瘤SRS治療的二維影像引導結果的研究工作，通過評估二維Exactrac系統的位置驗證精度，分析和判斷顱內腫瘤SRS治療中采用二維影像引導技術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。其中單發灶19例，占68%；多發灶9例（其中2個病灶6例，3個病灶2例）占32%。

1.2 定位及計劃設計

CT模擬定位采用德國博醫來的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，使用博醫來iPlan治療計劃系統完成計劃設計，全部病例均采用多個非共面弧照射技術實施頭部立體定向治療，單個病灶設計一個等中心，多個病灶設計多個等中心，每個病人計劃有4～6個弧。用OBI系統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備無關的系統誤差。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系統進行質控，確保兩套影像引導設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。對六維床的旋轉精度也進行了校準，保證床的旋轉精度＜±0.1°。

1.4 兩種影像引導設備介紹

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系統作為影像引導結果對比檢驗設備。OBI系統在直線加速器機架兩側分別安裝1個傳統X光球管和1個硅晶探測板，通過加速器機架旋轉，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，對放療醫生觀察患者靶區及危及器官解剖結構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只能自動驅動六維床沿X、Y、Z軸方向平移，并不具備糾正旋轉誤差的能力。

德國博醫來公司Exactrac系統獨立于直線加速器，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，其分析結果可結合六維床在平移和旋轉方向修正擺位誤差。

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）和旋轉傾斜方向（Pitch、Roll、Yaw）的誤差修正。坐標系統采用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系統的圖像采集驗證。OBI系統的操作步驟如下：展開OBI影像板和X射線發生器；選擇標準頭部模式；設置濾線器模式為full fan；機架旋轉角度為22～180°。OBI圖像配準過程采用系統自動配準不進行人工干預，計算出平移和旋轉方向的六維方向誤差。按非共面照射治療計劃設計要求，旋轉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誤差（Pitch、Roll、Yaw）達到SRS治療精度要求（平移誤差＜1 mm，旋轉誤差＜0.5°）時開始實施照射。

1.6 統計學分析

應用SPSS 20.0軟件，計算非共面治療的病人經Exactrac系統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Exactrac結合六維床修正誤差后再行CBCT檢驗結果用箱式誤差圖顯示。

2 結果

本文選取的28例頭部SRS患者，每個患者計劃設計4～6個非共面的治療弧，28例患者中18例治療次數是2～3次，10例患者治療次數是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系統圖像配準的結果如表1所示。由表1中統計結果可以看出，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三個軸旋轉方向誤差＞0.5°的百分比分別為88.2%、50.0%、55.9%。由于統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出測試結果誤差的離散程度，平移X方向的均方根最小為1.61 mm，旋轉方向沿Y軸的旋轉誤差最小為0.56 mm。圖2a和2b為二維Exactrac系統修正前的六維方向擺位誤差箱式圖。擺位修正后Exactrac系統掃描的六維方向誤差統計如表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，旋轉方向的誤差均＜0.5°。

圖1 Exactrac系統圖像配準的結果

表1 擺位修正前Exactrac系統掃描的六維方向誤差統計

圖2 頭部SRS非共面治療患者擺位修正前后平移和旋轉方向的箱式誤差圖

表2 擺位修正后Exactrac系統掃描的六維方向誤差統計

由于瓦里安的三維OBI系統的位置驗證平移結果顯示只能精確到毫米級，經過二維Exactrac系統誤差修正后三維OBI系統掃描結果以箱式誤差圖示出（圖2c為平移結果，圖2d為旋轉結果），X、Y、Z為平移方向的誤差值都＜1 mm，繞三個軸旋轉的誤差＜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，結果顯示，二維Exactrac系統和三維OBI系統的驗證結果P＞0.05，說明二套系統的位置驗證結果沒有明顯的統計學差異。

3 討論

kV級CBCT是目前國內外應用最廣泛和成熟的影像引導設備[13-14]，其操作流程和技術方法可作為影像引導的金標準，該系統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部解剖結構都可較清晰地顯示，放療醫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，或系統不能控制沿旋轉方向的移動，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，國內很多放療中心面臨的現狀是放療病人數量較多，工作量浩繁[18]。若每次治療前都執行CBCT影像引導，顯然會付出巨大的時間成本，SRS比傳統放療照射分次更少，總劑量和單次劑量更高，其擺位誤差要求以毫米計，任何一次照射出現不符合臨床要求的位置誤差，都將產生更嚴重的后果，因此每次治療前進行影像引導的必要性顯而易見。博醫來的二維Exactrac系統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六維方向進行位置精確調整，以上特點使其非常適合作為影像引導設備在頭部SRS非共面照射治療中運用[19-20]。前期我們已經開展了關于Exactrac系統結合六維治療床修正鼻咽癌調強放療擺位誤差精度驗證的研究工作[21]，選取的40例鼻咽癌病人調強放療計劃，治療前經過二維Exactrac系統結合六維床修正擺位誤差后，總的平移誤差小于0.32 mm，旋轉誤差小于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，治療床將會旋轉至治療計劃設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系統只能依賴系統自動配準功能，因此臨床中利用CBCT對配準結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檢驗和驗證研究少有報道，本文所進行的研究對優化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系統檢驗二維Exactrac系統圖像配準和誤差修正結果研究結果表明，經過二維Exactrac系統修正后，X、Y、Z三個方向的平移誤差可以控制在1 mm內，沿相應軸的旋轉誤差可以控制在0.5°以內。本文的研究結果為我們正在開展的頭頸部腫瘤放療在體劑量驗證技術相關臨床應用提供可靠的工作基礎，為顱內腫瘤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的檢測數據，這時各個方向和各個角度的誤差數據應當都比較小了，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備的檢測數據；② 由于頭部的骨性結構比較明顯，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，骨性結構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系統對體部立體定向放療SBRT的擺位誤差修正能力開展相關檢驗和驗證研究，以進一步拓展Exactrac系統的臨床應用，為SBRT治療的影像引導提供更多選擇。

4 結論

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，旋轉方向誤差可控制在0.5°內。我們得到的關于放療位置驗證結果，已通過了目前臨床比較可靠的瓦里安三維OBI系統的檢驗，證明可以用于放療前位置驗證。