CBCT提高Leksell ICON伽瑪刀治療精度的作用

張聿浩，張小鵬，李 林，劉家令，劉一兵，溫錦崇，麥樹榮，賴素云 綜述 梁軍潮 審校

（1.前海人壽廣州總醫院神經外科，廣東 廣州 511325；2.南部戰區總醫院神經外科，廣東 廣州 510010）

在長期臨床實踐中，Leksell 剛性框架與病人顱骨均通過固定釘進行連接，并積累大量成功數據。但臨床上各種原因導致框架位移，將可能影響最終治療精度，且這種定位方式會給病人帶來一定痛苦，個別病人在框架安裝過程中甚至會出現休克。Leksell ICON 伽瑪刀系統集成了一體化的錐形束X射線計算機體層成像設備（cone beam computed tomography，CBCT）。除提供框架或面罩2種可選擇的固定方式外，更重要的是提供一種基于錐形束CT 成像的坐標定位體系。理論上說，容積成像的錐形束CT 定位精度高于斷層掃描的螺旋CT，也高于有一定圖像畸變的MRI 定位。本文就CBCT 治療精度展開綜述。

1 CBCT對放射外科治療精度的提高

1.1 CBCT對靶點位移的檢測 CBCT已應用于多種圖像引導的放療設備[1]。雖然目前CBCT 技術得到的斷層圖像信噪比尚達不到傳統螺旋CT 的程度，但CBCT圖像采集速度更快，病人受到輻射劑量更低。隨著技術進步，CBCT具有更廣闊的應用場景。

臨床上常用的螺旋CT，球管發出的X 射線呈扇形，獲取的是二維斷面數據，需要多個斷面數據疊加，才能重建形成三維圖像。CBCT 球管發出的X射線是三維錐形束流，只需旋轉360°即可獲取重建所需的全部數據。CBCT 另一個優勢是具有很高的各向同性空間分辨力[2]，建立的三維圖像更精準，因此所測數據亦更精準。

ICON 伽瑪刀系統集成一個內置一體化的CBCT，分辨率在0.5mm內（空間分辨率為8Lp/cm）。視野（FOV）為224mm×224mm×224mm。采用非晶硅探測器面板，C 型臂旋轉1 周約200°，即可完成數據采集。臨床模式下預設兩個CT 劑量指數，分別為2.5mGy 和6.3mGy，管電壓均為90kVp，投影數也均為332 次。GammaPlan?軟件可將CBCT 采集圖像與MRI 或CT 圖像以及預計劃進行融合，將其定位體系轉換為治療坐標。CBCT 還可在治療前對病人進行第二次校準。雖然CBCT 的初衷是服務于無框架的面罩固定方式，但將CBCT與框架定位方式結合，可提供另外一種治療模式。

Leksell 剛性框架與病人顱骨通過固定釘的連接被認為是最可靠的定位方式，病人需佩戴框架進行CT、MRI 或血管造影采集定位影像，建立立體定向坐標體系。但臨床實踐中多種因素可能影響固定框架的穩定性。治療過程中長時間的等待、體位擺放中框架的碰撞均可能導致框架位移、滑脫；固定螺釘力矩大小變化可能使框架變形，最終導致無法察覺的治療精度變化。

SENEVIRATNE 等[3]報告使用CBCT 檢測到傳統框架定位方式在治療過程中發生意外位移的情況；分析49例接受ICON伽瑪刀治療、基于框架+CT基準定位與CBCT圖像融合后兩個立體定向坐標體系的差異；記錄參數包括旋轉位移、平移位移和兩個坐標體系之間的最大靶點位移（MSD），進行線性回歸分析。病人均進行單次伽瑪刀治療，先行MRI圖像采集。治療當天常規安裝Leksell G 型框架，然后進行CT 掃描。將采集的定位圖像在治療計劃軟件上與MRI圖像通過骨性標志進行配準，在此基礎上形成最終治療計劃。病人通過框架固定于治療床后，再采集CBCT 圖像，由此形成兩套坐標體系，比較結果顯示：中位旋轉移位傾斜度（pitch）0.14°，偏斜度（yaw）0.17°，旋轉度（roll）0.13°。中位平移位移數絕對值：左-右0.39 mm，前-后0.14 mm，上-下0.22mm。MSD 中位數為0.71mm。MSD＞1.0mm 12例（24.5%）。男性和偏心安裝的頭架與MSD 增加有關（P=0.011）。故在基于框架的伽瑪刀放射外科治療中使用CBCT圖像定位可識別和糾正意外的框架移位。BANNIKOVA 等[4]報告通過CBCT 檢測到框架移位數據，在529 例病人中9 例出現最大基準誤差超過1.2mm。

DUGGAR 等[5]總結ICON 型伽瑪刀無框架放射外科工作流程中一些影響治療精度的變量（表1），并總結ICON 型伽瑪刀CBCT 在框架定位工作流程中的作用[6]，發現CBCT 能夠檢測到傳統框架定位方式不能察覺的位移。

表1 影響ICON伽瑪刀無框架放射外科工作流程治療精度的變量

在Leksell ICON 伽瑪刀臨床實踐中，框架與面罩定位均存在平行位移與旋轉位移。這些位移會影響最終的治療精度，而CBCT能夠檢測到這些位移。依靠CBCT建立的三維坐標可進行精準的圖像引導放射外科治療，而CBCT 自身的精度與穩定性則為這一體系提供質量保證。

1.2 CBCT 自身的精度與穩定性 ALDAHLAWI等[7-8]報告CBCT 圖像引導系統的質量保證可靠性。使用制造商提供的工具每日檢查CBCT位置精度與CBCT圖像質量。通過基于框架坐標體系的CT圖像和基于CBCT的掃描圖像來驗證兩者空間坐標的一致性。結果CBCT 精度檢查：0.12±0.04mm（最大偏差）。CBCT圖像質量：空間分辨率范圍：（6，7）Lp/cm（低劑量模式），（7，8）Lp/cm（高劑量模式）；基于CBCT 的協議與基于框架的立體定向坐標范圍一致：（0.33，0.66）mm。圖像配準：0.03±0.06mm（平均），0.23mm（最大）。CBCT 和圖像配準算法（image registration algorithm）可以檢測出＜0.5mm 和0.5°的位移[9]。

SARFEHNIA 等[10]分5 個方面檢測ICON 伽瑪刀的CBCT 和高清運動管理系統的定位精度：①圖像質量和機械完整性；②圖像共配準保真度；③自適應處理交付質量；④高清晰度運動管理性能表征；⑤CBCT系統的軟件通信性能測試；研究結果為所有圖像質量和性能特征均滿足或超過制造商的規格。CBCT 系統在3 個月內的圖像質量和力學穩定性在公差范圍內，探測器傾斜角度可忽略（＜0.1°）。CBCT 坐標體系在x、y、z方向上的平均差異為0.15～0.16mm。

HU 等[11]報告ICON 伽瑪刀CBCT 無框架工作流程的全面精度檢測結果。所有準直器的相對輸出系數誤差＜2%。無框架工作流程的端對端檢測平均誤差為0.225mm。在所有測試條件下，伽瑪通過率（1%/1 mm）均高于97%。人為引入4.5cm、旋轉6°這樣非臨床正常使用的移動，在線自適應劑量校正的伽瑪通過率（1%/1 mm）也在97%以上。CHUNG等[12]報告基于ICON 的伽瑪刀無框架放射治療系統的準確性和穩定性：放射等中心在中心和極端位置的位置誤差均小于0.1mm。CBCT 坐標系的三維偏差在一年半內保持穩定，平均（0.04±0.02）mm。CBCT 在不同模態的配準精度[13]，CT 和CBCT 圖像偏差為（0.2±0.1）mm，MR 和CBCT 圖像偏差為（0.4±0.2）mm。通過CBCT 建立的坐標體系比傳統框架標記的定位體系更準確。

2 CBCT對放射外科工作流程的改進

基于CBCT 在掃描與配準方面的精度，ICON伽瑪刀帶來可選擇的工作新流程。在不安裝框架的情況下進行MRI 和（或）CT 圖像采集，并在此基礎上形成預計劃。治療當天安裝框架（或面罩）定位，隨后將病人固定于治療床，采集CBCT 圖像。將CBCT 圖像在GammaPlan 軟件上與MRI 或CT 圖像融合，在CBCT 坐標體系下實施審定后的放射外科治療。這一工作流程關鍵點在于放棄原有的、建立于框架基準的立體定向坐標體系，轉而采用建立在CBCT 三維容積成像基礎上的立體定向坐標體系。新流程減少病人佩戴框架的時間，同時減少在MRI、CT圖像采集以及治療床擺位過程中框架意外碰撞導致位移的機會。由于沒有框架的影響，MRI圖像畸變更小，提高系統治療精度。

經過校準的CBCT提供令人信服的機械定位精度[6]，使用3D 打印模型驗證ICON 伽瑪刀框架和面罩定位系統的精度[14]。MRI 圖像的采集質量、掃描方式等均可能影響其與CBCT 圖像的配準。KIM等[15]報告使用MRI 圖像定位的畸變問題，3.0T 誤差大于1.5T。無論MRI序列如何，x坐標誤差最小，z坐標誤差最大，T2序列是最準確的序列。DUGGAR等[6]報告圖像配準不確定性可能低于0.4mm。

MENDEL 等[16]報告382 例病人、3213 個顱內病灶（包括腦轉移瘤、腦膜瘤、動靜脈畸形、聽神經瘤、垂體腺瘤和其他病變），使用ICON 伽瑪刀進行無框架立體定向放射治療；認為ICON伽瑪刀框架和無框架治療系統提高每日工作量近50%。CARMINUCCI等[17]報告在使用框架（66 例）或面罩（13 例）定位方式時，以CBCT 檢測顱骨平移和旋轉位移情況；13例面罩定位的病人共進行33次治療。盡管兩種定位方式檢測到的位移都很小，均在1mm 和1°以內，但是面罩位移還是大于框架。故在治療小病灶或靠近關鍵結構時要考慮到面罩固定方式出現靶點位移的情況。面罩定位病人的耐受時間有限，若戴面罩時間超過40min，病人將難以忍受；框架固定流程中有多個不確定因素，導致耗時難以預計[18]。

可根據CBCT 配準的、已知的不確定程度建立閾值，超過該閾值的偏移值將通過重新計劃和使用CBCT 坐標值進行校正[6]。CLAPS 等[19]報告一組108例病人（201 個病灶），將CBCT 圖像與MRI 圖像進行融合，統計融合后的圖像在x、y、z三個坐標軸及旋轉位移數值。在分析7個參數的變化范圍后，提出1mm 為最大位移閾值，故通過CBCT 檢測到定位框架出現1mm以上位移，治療計劃不應該被接受，

BANNIKOVA 等[4]報告包含529 例病人的一組數據，調查19 個參數，分析傳統框架定位和CBCT定位之間出現差異的原因；其中2.6%病人出現1mm 以上的平面位移和1°以上的旋轉位移；在8.3%病例中，腫瘤覆蓋率下降＞5%；最大基準誤差和平均基準誤差的中位數分別為0.95mm 和0.40mm；22 例病人的平均基準誤差大于0.4mm；9例病人的最大基準誤差超過1.2mm；故基準誤差、MSD、病人體質量、多發病灶和KPS 是旋轉和平移增加的預測因素。如有下述任一項：平均和最大基準誤差大于0.4mm 和1.0mm、病人體質量超過100kg、低KPS 評分、多發性轉移性病灶，需行進一步CBCT檢查。

面罩定位雖然更容易被病人接受[20]，但應考慮到其適用范圍。STIELER 等[21]報告使用框架定位時的特殊情況，當不能使用4個螺釘常規固定時，應使用CBCT檢測病灶的定位精度。

3 總結

無論采用框架或面罩固定方式[22-23]，使用CBCT采集的圖像與符合立體定向要求的MRI 或CT 圖像[24]進行融合，基于CBCT圖像建立治療坐標，再通過多個骨性標志進行融合后的圖像審定，這是ICON 伽瑪刀帶來的新工作流程。這個流程建立于CBCT定位精度，與傳統工作流程相比，新流程減少因框架畸變、位移等因素帶來的穩定性變化，提高最終的治療精度。