肺追蹤優化對射波刀Synchrony建模的價值

黎國全，胡 斌，朱 斌，梁志文，陳 秘，彭振軍

（華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院腫瘤中心，武漢 430022）

0 引言

G5代射波刀是目前世界上最新型的全身立體定向放射外科治療系統[1-2]，該系統具有以下幾個突出特點：（1）同步呼吸跟蹤腫瘤；（2）靈活的機器人手臂；（3）多個靶區的腫瘤同時治療[3]。基于以上3個特點，該系統能主動追蹤腫瘤并精確計算腫瘤的運動位置，使腫瘤區的劑量高度集中的同時，鄰近腫瘤邊緣的正常組織器官能夠得到很好的保護[4]。在射波刀治療中下肺腫瘤時，腫瘤位置隨呼吸運動而大幅度移動，為實施精確治療，推薦采用呼吸同步肺追蹤（X-sight lung）技術，該技術主要用于受人體呼吸影響而運動的腫瘤靶區治療，是將目標移動與患者的呼吸移動相關聯，建立Synchrony模型，并將輸出射束與目標移動同步的一種治療方法[5]。射波刀VSI版本的系統要求建立的Synchrony模型關聯誤差盡可能接近0，覆蓋率盡可能高[6]。但臨床實際工作中，由于腫瘤大小、患者病情、醫生的主觀判斷和部分患者不愿意接受金標植入穿刺帶來的并發癥等因素的影響，導致不能建立Synchrony模型，或者模型不適用頻繁重建導致治療時間延長，患者的舒適度降低。因此，放射治療師在實施肺部追蹤治療過程中，探討采用肺追蹤優化措施對降低Synchrony模型重建頻率的貢獻和保證放射治療的順利進行具有重要的意義。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選取2015年11月至2018年3月152例肺部腫瘤患者，其中男性113例、女性39例，年齡20~85歲，平均年齡54.5歲；采用穿刺活檢證實為原發性肺癌或者臨床診斷標準證實為肺部轉移瘤。所有患者均執行肺部追蹤治療，放療分次均為5～8次。按腫瘤直徑大小分為10 mm≤d＜15 mm（40例）、15 mm≤d＜20 mm（65例）、d≥20 mm（47例）3組。病例其他條件均符合射波刀操作指南對肺部追蹤的要求[7]。

1.2 設備情況

美國Accuray公司G5代射波刀（配標準治療床），治療計劃系統MultiPlan5.2.1，治療執行系統Cyber-Knife 10.5。

1.3 優化措施

對于首次行射波刀放射治療的患者，在進行Synchrony建模時，優化肺追蹤措施實際上是調整射波刀執行系統的算法參數，以治療師的目測判斷結合射波刀治療執行系統的計算最終確定腫瘤靶區的追蹤方案，然后執行同步追蹤放射治療。常用肺部追蹤優化方法有以下幾種：（1）使用偏移（offset）模式；（2）調整跟蹤范圍（tracking range）閾值；（3）調整不確定性（uncertainty）閾值；（4）二次脊柱追蹤輔助定位；（5）啟用建議影像/主要參考影像（Preferred Projection(on)）。

Synchrony建模階段，首先采集一個呼吸波形中點的X線影像，觀察射波刀治療系統是否正確識別計劃中標記的腫瘤位置。參考操作方法是對比實時X線影像中腫瘤位置與CT重建的腫瘤位置是否相似，并輔助監視治療系統計算的不確定性和X軸目標配對公差（dxAB）的值。如果不確定性值超過閾值（系統默認為40），治療系統不能通過計算識別腫瘤，此時優先采用偏移模式，手動拖動腫瘤識別輪廓于治療師目測的位置。治療系統根據手動拖動腫瘤位置重新計算不確定性和dxAB的值。如果計算值在閾值以下，則優化成功，繼續采集其他時相以達到最優模型實施治療。如果治療系統仍然無法確認腫瘤的具體位置，分3種情況進行處理：（1）不確定性值在閾值內而dxAB值超出閾值，說明治療系統正確識別腫瘤位置，但是在2個X線實時影像的計算靶區位移有偏差，也就是其中一個影像中腫瘤被脊柱或心臟之類的輻射不透性結構阻擋。此時在治療師目測確認其中一個可見腫瘤已正確識別跟蹤的情況下，啟用建議影像/主要參考影像優化肺追蹤治療。（2）不確定性超出閾值而dxAB值在閾值內，這種情況一般出現在腫瘤隨呼吸運動而位移較大的Synchrony建模中。此時考慮調整跟蹤范圍，增大搜索目標的搜索區域，計算腫瘤的位置。（3）不確定性值和dxAB值均超出閾值。此時采用二次脊柱追蹤輔助定位，重新調整患者的體位并匹配患者CT重建圖像的參考骨性標記，然后再采取上述優化方式進行Synchrony建模。其余7個模型點的采集運用同樣的追蹤優化方式，建立最優Synchrony模型。

1.3 數據評估

僅統計3組患者首次執行治療計劃時優化前后能通過Synchrony建模的數目；對不進行優化也能通過Synchrony建模的病例，在分次治療時采取第一次治療不優化、第二次治療優化、第三次治療不優化、第四次治療優化的方式交替進行；統計采用優化措施與不采用優化措施模型重建的次數，并計算頻率。

1.4 統計學方法

所有數據均使用SPSS 19.0統計軟件行χ2檢驗，以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 優化前后通過Synchrony建模統計

優化前能夠通過Synchrony建模的病例數：10 mm≤d＜15 mm 組 3例（7.5%），15 mm≤d＜20 mm組 24例（36.9%），d≥20 mm 組 43例（91.5%）；通過不確定性閾值、跟蹤范圍優化和二次脊柱追蹤輔助定位，能夠通過Synchrony建模的病例數：10 mm≤d＜15 mm 組 8例（20%），15 mm≤d＜20 mm 組 53例（81.5%），d≥20 mm組45例（95.7%）。經統計學處理，χ2=6.133，P=0.047，優化前后差異有統計學意義（P＜0.05）。

表1 不同腫瘤直徑優化前后通過Synchrony建模的患者數量統計例

2.2 治療過程中Synchrony模型重建次數統計

在Sychrony建模的過程中，由于不同患者呼吸習慣不同，按照同一個患者不同分次治療時進行分別統計，用以對照分析肺追蹤優化對Synchrony建模的作用。統計結果詳見表2、3。

表2 不優化情況下不同腫瘤直徑患者模型重建次數統計

表3 優化情況下不同腫瘤直徑患者模型重建次數統計

3 討論

偏移模式是在肺部追蹤算法不能識別腫瘤的情況下，通過治療師目測識別腫瘤、手動移動腫瘤輪廓的一種優化方法。這種模式可以根據鄰近腫瘤的骨性標志判斷，如椎體、胸骨等；另外還應考慮調整跟蹤范圍以獲得更加準確的腫瘤定位。鑒于肺部追蹤算法不評估旋轉偏移量，因此在治療期間當患者自主呼吸或者不可預料的原因可能出現旋轉偏移，導致腫瘤輪廓在2個X線影像的投影與DRR影像上產生差異，其結果dxAB（mm）和不確定性（%）超出閾值。此時應首先進行二次脊柱輔助定位。返回到定位>肺（Alignment>Lung）階段，將肺部中心移到脊柱中心，重新通過脊柱的旋轉偏差來評估肺追蹤的旋轉偏移量，從而決定調整患者治療體位。對比統計的3組數據結果顯示，在10 mm≤d＜15 mm組的患者中，優化前92.5%的患者都不能順利建立Synchrony模型，80%的患者即使進行肺部優化仍不能順利建模。其中通過優化能夠進行建模的4例患者其腫瘤直徑也接近15 mm。因此，對于10 mm≤d＜15 mm的患者不建議執行射波刀肺部追蹤放射治療。而在15 mm≤d＜20 mm組65例患者中，經過優化措施后，能夠建模的病例由原來的36.9%提升為81.5%，多數患者采用肺追蹤優化措施可以提高建立Synchrony模型的概率。d≥20 mm組中有2例患者可以通過優化措施順利建立模型。

射波刀跟蹤算法是通過計算2個影像中腫瘤與周圍組織灰階差別來識別腫瘤的，在灰階差異不大或者其中一個影像中腫瘤被周圍輻射不透性結構阻擋時，出現肺部跟蹤算法不能正確計算dxAB時，通過調用建議影像/主要參考影像的方法可以忽略dxAB錯誤計算帶來的閾值報錯，從而順利進行Synchrony建模。需要注意的是，啟用此功能需要治療師目測檢查，否則肺部跟蹤算法可能錯誤地估計患者位置，誤導輻射射束。

X-sight lung肺部跟蹤算法是在患者的實時X線影像中搜索和定位目標。目標定位由影像配準在DRR影像和實時X線影像之間執行。具體而言，就是將DRR影像中腫瘤區域的影像強度模式與實時X線影像中的最相似區域進行匹配。用基于各影像中的二維腫瘤輪廓來定義腫瘤的匹配區域，該匹配區域是可容納整個腫瘤的最小矩形。因為典型的腫瘤形狀不是矩形，所以該匹配區域也會包括一些周圍區域。通過在治療師定義的搜索區域中移動匹配窗口，執行配準。表1結果表明，腫瘤直徑越大，通過Synchrony建模的病例越多。因此，腫瘤直徑越大，治療系統識別出腫瘤與周圍正常肺組織的概率越大。并且腫瘤影像直徑越大，腫瘤越不容易被周圍輻射不透性組織（如心臟、肋骨、肱骨等）阻擋。人的肋骨在影像上的寬度約為15mm，在治療建模過程中發現，腫瘤直徑小于15mm時，腫瘤在X線實時影像上隨呼吸運動表現為時隱時現，當腫瘤陰影進入肋骨陰影邊緣時，容易出現邊界計算錯誤。表2統計數據表明，腫瘤越小模型平均重建次數越多。因此，在射波刀臨床治療中，對于腫瘤直徑小于15 mm的患者，不建議選擇肺部跟蹤技術。

根據表2、3統計數據分析，在腫瘤直徑10mm≤d＜15 mm的3例患者中，通過優化措施后，治療過程中Synchrony模型重建頻率降低了2.0，優化效果最為明顯；腫瘤直徑15 mm≤d＜20 mm的24例患者中，通過優化措施重建頻率也下降了0.77，表明肺追蹤優化措施對于降低治療過程中Synchrony模型重建頻率是有效的。本研究中腫瘤直徑10 mm≤d＜15 mm的病例數偏少，可以進一步進行統計研究以獲得更多的數據支持，但在15mm≤d＜20mm和d≥20 mm病灶治療中依然可以看到優化措施對于Synchrony模型重建頻率有下降趨勢，綜上，肺追蹤優化對模型重建是有積極作用的。此結論的前提是同一例患者在不同分次治療過程中的呼吸習慣和規律一致，因為呼吸規律對Synchrony模型重建也有影響[8-10]。但是本研究中，射波刀治療分次少，因此在短時間內同一個患者呼吸習慣變化較小，建議可以進一步探討呼吸習慣和規律對Synchrony模型重建的影響。

X-sight lung肺部跟蹤技術是射波刀唯一一種可直接對患者呼吸運動進行追蹤而不需要穿刺植入金屬標志物[11]、放療前的準備和醫療付出較少的同步運動追蹤技術。在Synchrony建模前正確的目測判斷和采用肺追蹤優化措施可使建模的成功率最大提高44.6%（腫瘤直徑15 mm≤d＜20 mm），且綜合采用二次脊柱追蹤輔助定位和啟用建議影像/主要參考影像可以提高射波刀肺追蹤治療旋轉偏差的修正，降低治療風險。因此，放射治療師應綜合利用各種優化手段，在提高射波刀治療精度的同時規避治療的意外和風險。