ExacTrac X 線圖像引導系統在非小細胞肺癌立體定向體部放射治療中的應用

翟麗，李軍（通信作者），桂龍剛

江蘇省蘇北人民醫院（江蘇揚州 225000）

立體定向放射治療（stereotactic radiation therapy，SRT）的特征是將高能量放射線聚焦照射在某一局部靶區內，摧毀該區域內的所有組織或引起所需要的生物學效應，達到類似外科手術的效果，靶區外圍的放射劑量呈梯度銳減。SRT對治療精確度（包括定位精度、擺位精度、設備精度）的要求均較高[1-2]。隨著治療技術的進步和新型設備的不斷出現，立體定向體部放射治療（stereotactic body radiation therapy，SBRT）在臨床上的應用越來越廣泛，可適用于無法手術治療的早期非小細胞肺癌（non small cell lung cancer，NSCLC）和轉移性肺癌，能夠實現良好的局部控制，降低并發癥發生率，提高患者的生存率[3]，但SBRT需要設定更小的擺位邊界以減少對正常組織的照射，因此采用圖像引導技術來提高治療精度至關重要[4-5]。

我院于2019年引進了德國博醫來（Brainlab）的無框架SRT設備，該設備可以行胸部腫瘤的SBRT，其圖像引導功能由ExacTrac X線（ETX）圖像引導系統來完成。ETX圖像引導系統由雙kV-X線成像子系統、紅外光學定位子系統及六維治療床組成，其中雙kV-X線成像系統由兩個安裝在地板上的X線發生器及兩個安裝在天花板上的平板非晶硅探測器組成，紅外光學定位子系統利用反射標記球來監控患者的實時位置，而六維治療床主要用于糾正ETX圖像引導系統所測擺位誤差，以實現精確治療。本研究選取于我院行SBRT的NSCLC患者作為研究對象，采用ETX圖像引導系統獲取六維治療床校正前的誤差和校正后的誤差，并利用錐形束CT（cone beam CT，CBCT）獲取驗證誤差，以探討ETX圖像引導系統的應用價值，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2020年5—10月于我院接受SBRT的NSCLC患者24例，其中男13例，女11例；年齡33～64歲，中位年齡51歲；右上葉3例，右中葉4例，右下葉6例，左上葉6例，左下葉5例。本研究獲得醫院醫學倫理委員會的審核批準，患者均具備明確放射治療適應證且初次接受放射治療，研究方案均經患者或其授權人簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 體位固定方式的選擇

使用ETX 圖像引導系統進行肺癌SBRT 位置驗證時，患者的體位固定方式通常有兩種：第一種是固定體架+真空墊+體表標記球的方式，其中體表標志球指是將標記球插座用自粘墊固定在患者不受呼吸或皮膚移動影響的穩定區域（如鎖骨或胸骨等），并在皮膚上勾勒身體標志球輪廓，這種方式的優點是可以在治療過程中隨時紅外監控患者體位是否發生移動，缺點是易受呼吸運動影響，預擺位時間較長，體表標記球和標志球輪廓易發生丟失，且操作煩瑣、工作效率低；第二種是固定體架+熱塑體膜+“魚叉”型定位參考架和定位臂，這種方式雖然不能直接監控患者體位是否發生變化，但可以通過“魚叉”型定位參考架和定位臂跟蹤監測六維治療床在治療過程中的變化，且預擺位時間短，操作簡單，重復性良好。本研究所有患者均采用第二種方式進行體位固定。

1.2.2 CT 掃描及iPlan 計劃的設計

CT 掃描：使用美國通用電氣（GE）64排大孔徑CT 對患者進行胸部掃描，掃描層厚為2.5 mm，掃描范圍包括環狀甲膜至肝下緣所有區域，并將獲取的CT 圖像傳至Brainlab 的iPlan 治療計劃系統。

iPlan計劃的設計：放射治療醫師利用iPlan計劃系統勾畫計劃靶區（planning target volume，PTV）和危及器官（organs at risk，OARs），并確定處方劑量及OARs的劑量限定；放射治療物理師利用iPlan系統進行SBRT計劃的設計，并將設計好的iPlan計劃通過網絡傳至Varian IX型電子直線加速器進行執行；此外，放射治療物理師還需將患者計劃CT圖像通過網絡傳至ETX圖像引導系統。

1.2.3 ETX 圖像引導系統和CBCT 誤差的獲取

第一步，獲取ETX圖像引導系統校正前的預擺位誤差。如圖1所示，患者固定在治療床上，安裝“魚叉”型定位參考架和定位臂，利用激光燈進行常規擺位；紅外線光學定位儀根據“魚叉”型定位參考架上6個定位球的位置引導治療床移動到預定位置；用雙kV-X線成像系統拍攝一組正交X線片，其中管電壓、管電流分別設置為120 kV和160 mAs；將正交X線片與計劃CT數字重建影像（digitally reconstructed radiograph，DRR）進行圖像融合配準（圖2），其中配準區域（volume of interest，VOI）采用基于骨性標記的自動配準后即可得到6個方向的預擺位誤差，即X方向（患者左右方向）的平移誤差（Xt）、Y方向（患者頭腳方向）的平移誤差（Yt）、Z方向（患者前后方向）的平移誤差（Zt）及圍繞X、Y及Z3個方向的旋轉角度Xr、Yr和Zr。

圖1 固定體架+熱塑體膜+“魚叉”型定位參考架和定位臂體的體位固定示意圖

圖2 正交X 線片與DRR 中骨性標記的融合配準

第二步，獲取ETX 圖像引導系統校正后的殘余誤差。由于六維治療床不僅可以實現X、Y 及Z 3個方向的平移運動控制，還能對治療床進行俯仰以及左右方向的旋轉校正，并可通過調整治療床的轉角校正患者身體長軸方向的旋轉，所以可以通過六維治療床校正上述第一步獲取的平移誤差和旋轉誤差；校正后，再次拍攝一組正交X 線片，并與DRR 片再次進行基于骨性標記的融合配準，即可得到校正后6個方向的殘留誤差。

第三步，獲取CBCT 驗證誤差，并以CBCT 結果為金標準，對上述第二步所獲殘余誤差進行評價。具體操作為：在完成上述第一、二步后，用Varian IX 型電子直線加速器自帶的CBCT 進行機架旋轉掃描，經過三維重建算法生成三維圖像，將生成的CBCT 圖像和原定位CT 圖像進行基于骨性標記的圖像配準，并記錄下此刻的X、Y 和Z 3個方向的驗證誤差Xt、Yt和Zt，若Xt、Yt和Zt滿足≤2 mm 的臨床要求，考慮到肺部腫瘤的擺位誤差受呼吸運動影響較大，即可認為≤2 mm 的誤差足以說明上述第二步所獲殘余誤差是可接受的，則無需進行CBCT 的誤差修正，可以直接開始對患者實施治療。

1.3 統計學處理

2 結果

24例患者治療次數共計為87次，平均每例患者治療次數為3.66次，患者每次治療前都需進行ETX圖像引導系統和CBCT驗證并記錄誤差。表1、2分別為六維治療床校正前、后ETX圖像引導系統獲取的誤差統計結果，圖3、4分別為87次治療所獲平移誤差和旋轉誤差的誤差分布圖。從圖3、4可以看出：校正前各方向上的誤差相對較大，其中Xt范圍為-4.61～6.78 mm，Yt范圍為-8.53～5.46 mm，Zt范圍為-6.23～5.12 mm，Xr范圍為-2.26°～1.95°，Yr范圍為-2.42°～2.23°，Zr范圍為-2.41°～2.64°；校正后各方向上的誤差明顯減小，各方向平移誤差均≤1 mm，旋轉誤差均＜0.5°，其中Xt范圍為-0.48～0.49 mm，Yt范圍為-0.86～0.79 mm，Zt范圍為-0.93～0.87 mm，Xr范圍為-0.81°～0.87°，Yr范圍為-0.43°～0.47°，Zr范圍為-0.49°～0.48°。

圖3 校正前、后平移誤差分布圖

表1 ETX 圖像引導系統在六維治療床校正前獲取的預擺位誤差

表2 ETX 圖像引導系統在六維治療床校正后獲取的殘余誤差

通過對六維治療床校正前、后的兩組數據進行配對t檢驗，可知校正前、后Yt、Zt、Xr和Zr比較，差異有統計學意義（P＜0.05）；校正前、后Xt、Yr比較，差異無統計學意義（P＞0.05），見表3。

表3 預擺位誤差和殘余誤差比較

表4為六維治療床校正后，ETX 圖像引導系統與CBCT 所獲平移誤差相減的差值區間占比，該差值占比可在一定程度上反映ETX 圖像引導系統和CBCT 這兩個圖像引導系統的差異性。從表4中可明顯看出，盡管兩個系統所獲誤差存在一定差值，但＞92%的差值位于0～2 mm 區間內，這說明這兩個系統的結果非常接近，表明這兩個系統的可靠性較一致。

圖4 校正前、后旋轉誤差分布圖

表4 ETX 圖像引導系統與CBCT 所獲平移誤差相減的差值區間占比

3 討論

目前，CBCT 是被國內廣泛使用并被認可的一種高精確度的放射治療圖像引導系統。而Brainlab 公司生產的ETX 圖像引導系統在國內的應用相對較少。ETX 圖像引導系統的成像系統包含了兩個正交的kV 級X 線球管和兩個正交的平板探測器，與CBCT 系統相比，ETX 圖像引導系統具有以下四個顯著優勢：一是驗證劑量更低，28～35次ETX 驗證的受照劑量才相當于1～2次CBCT 驗證的受照劑量[6-7]；二是驗證過程耗時更短，整個過程耗時1～2 min，而CBCT 驗證過程需要3～4 min[8]；三是誤差精度更高，CBCT 的誤差精度以0.1 cm 為單位，而ETX 則以0.01 mm 為單位[9]；四是可以實現對治療位置的實時監控。

本研究對24例行SBRT 的NSCLC 患者的擺位誤差進行了分析，從表1可以看出，在六維治療床校正前，Y 方向的平移誤差最大，Z 方向次之，而X 方向最小。Y 方向的平移誤差相對較大的原因可能為，體膜制作時由于患者緊張或者平躺對患者而言可能不是最舒適的體位，導致治療過程中，患者身體稍微上下移動均會使得Y 方向的誤差變大。從圖3、4可以看出，ETX 圖像引導系統在六維治療床校正前各方向上的誤差分布范圍相對較大，而校正后各方向上的誤差明顯減小，各方向平移誤差均≤1 mm，旋轉誤差均＜0.5°，符合臨床治療要求[10]，這也證明了ETX 圖像引導系統能顯著降低擺位誤差，提高放射治療的精確度，滿足NSCLC 患者行SBRT 的高精度治療要求。

本研究還比較了ETX 圖像引導系統和CBCT 的差異性問題。在對同一患者進行ETX 位置校正后，并沒有立即進行治療，而是在相同條件下，用CBCT進行了再次位置驗證，并將獲得的CBCT 誤差與ETX 圖像引導系統校正后的殘留誤差進行差值比較。通過表4可知，兩個系統所獲誤差存在一定差異，但這種差異很小，且差值占比絕大多數（＞92%）落在了0～2 mm 誤差的區間內，考慮到肺部腫瘤放射治療的擺位誤差受呼吸運動影響大，這一結果足以說明ETX 圖像引導系統和CBCT 的可靠性較一致，造成兩者誤差存在一定差異的原因可能為成像質量不同，因為ETX 圖像引導系統僅拍攝了2張正交X 線片，不能保證成像質量，而CBCT 通過將多組序列的kV-X 線圖像進行三維重建，可獲得分辨力更高的影像[11]。

4 小結

CBCT 是目前被廣泛認可的高精度圖像引導系統，盡管ETX 圖像引導系統采集圖像的分辨力較CBCT 低，但通過比較可知，兩個系統誤差的差值非常小，在一定程度上可以認為兩者的精度和可靠性較一致；且ETX 圖像引導系統配合六維治療床不僅能糾正平移誤差，還能糾正旋轉誤差，可以滿足SBRT 超高精度的治療要求；此外，ETX 圖像引導系統還具有耗時短、劑量低、可實時監控等優勢。綜上所述，對于行SBRT 的NSCLC 患者而言，ETX圖像引導系統具有一定的臨床價值。