ExacTrac圖像引導系統(tǒng)結合六維床在SRS治療擺位中的可靠性研究

羅日順 戴 鵬 鄧官華 周巧敏 黃 慶 蔡林波*

現(xiàn)代放射治療技術已經進入精確定位、精確設計和精確治療的“三精”時代，其中立體定向放射外科(stereotactic radiotherapy surgery，SRS)技術因其能將高能射線聚焦于靶區(qū)內，使得腫瘤組織受到高劑量照射，周圍正常組織受量減小的特點成為腦轉移瘤治療的重要手段[1]。而圖像引導放射治療(image guided radiation therapy，IGRT)技術是實現(xiàn)SRS精確治療和確保療效的關鍵所在[2-4]。目前圖像引導系統(tǒng)有超聲引導、電子射野成像引導、錐形束CT(conebeam CT，CBCT)和扇形束CT引導、核磁引導、電磁追蹤以及ExacTrac圖像引導等，其成像原理、技術參數(shù)、應用環(huán)境、成像質量以及速度和模式很大程度上影響了放射治療的結果。醫(yī)院在用圖像引導系統(tǒng)有Varian Unique直線加速器自帶的電子射野影像裝置(electronic portal imaging device，EPID)，同時包含后期升級后配置的ExacTrac圖像引導系統(tǒng)和六維床自動擺位系統(tǒng)。兩套圖像引導系統(tǒng)完全獨立，互不干擾，應用的環(huán)境和運算算法也各不相同，對于精度更高的ExacTrac圖像引導系統(tǒng)修正后的位置可靠性如何，能否滿足臨床需求，相關文獻報道較少。本研究旨在探討ExacTrac圖像引導系統(tǒng)結合六維床修正SRS擺位誤差數(shù)據的可靠性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018年2月至2019年3月在廣東三九腦科醫(yī)院就診的62例實施放射治療患者，其中男性34例，女性28例；年齡10～80歲，中位年齡45歲。根據治療方法的不同，將其分為觀察組(32例)和對照組(30例)。觀察組患者應用ExacTrac圖像引導系統(tǒng)結合六維床擺位并利用電子射野影像裝置EPID拍片驗證后行SRS治療；對照組患者應用EPID系統(tǒng)拍片驗證后行常規(guī)調強放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)。兩組患者在年齡、性別等臨床資料相比均無統(tǒng)計學差異，具有可比性。

1.2 納入與排除標準

(1)納入標準：①患者意識清醒，能配合治療；②結合臨床表現(xiàn)、影像學檢查、病理等確診為頭頸部腫瘤且需放射治療。

(2)排除標準：①合并精神疾病，溝通障礙等；②躁動，依從性差者。

1.3 儀器設備

采用Varian Unique型直線加速器(美國Varian公司)，放射治療計劃系統(tǒng)為Varian Eclipse 13.6；BrainLab ExacTrac圖像引導系統(tǒng)(德國博醫(yī)來公司)和六維床及Varian Unique自帶的EPID影像板；16排大孔徑CT模擬機(德國西門子公司)。

1.4 CT模擬定位及放射治療計劃

(1)定位結構：CT模擬定位由定位頭架、定位膜和定位框組成。將定位膜(Klarity R408)放入65～70 ℃恒溫水箱中浸泡2～3 min，軟化后將底膜置于定位板(BrainLab)頭枕上，協(xié)助患者平躺，頭部在底膜上，適當調整患者體位并保持不動，然后將中膜置于患者額頭和上唇位置，取出鼻根塑形膜捏成倒T狀貼合在額頭與鼻梁之間，防止頭部上下、左右旋轉；將頂膜覆蓋到中膜上，將鼻和下頜塑成形使面膜與臉緊密貼合，待30 min面膜完全冷卻后取下[5]。CT模擬定位結構見圖1。

圖1 CT模擬定位示意圖

(2)CT定位：戴上專用定位框，掃描層厚1.5 mm，管電壓為120 kV，管電流為350 mAs。將獲取的CT圖像傳輸至Varian Eclipse TPS 13.6計劃系統(tǒng)，由醫(yī)生勾畫靶區(qū)和危及器官，物理師制作放射治療計劃，最后將治療計劃和重建圖像數(shù)據分別傳輸至Unique加速器和ExacTrac 線圖像引導系統(tǒng)。

1.5 擺位修正與精度配準

1.5.1 觀察組擺位與配準

患者仰臥于治療床上，采用制定好的面膜固定患者頭部于碳素纖維延長頭架上，戴上無框架SRS定位架，運用紅外線光學定位儀檢測頭架上6個定位標記球的位置進行預擺位，利用機架兩側的X射線裝置拍攝kV級正交圖像，通過與計劃系統(tǒng)中數(shù)字化重建影像(digitally reconstructed radiographs，DRR)配準后，得到患者在x、y和z的3個方向的平移誤差及相應旋轉誤差(Rx、Ry和Rz)，并利用六維治療床修正此次配準誤差。精度配準：①重復圖像驗證過程，直至修正后的患者擺位誤差在可允許的范圍(平移方向＜0.5 mm，旋轉角度＜0.5°)；②利用EPID拍攝患者0°和90°驗證片，通過骨性配準與DRR圖像配準后，得到患者在x、y和z方向的平移誤差，當此誤差滿足臨床要求時則開始治療。

1.5.2 對照組擺位與配準

患者仰臥于治療床，治療師利用已制定好的面膜給患者固定和擺位，然后利用定位框和擺位紙將患者腫瘤中心移置治療中心點，做好標記方便下次治療，然后通過EPID拍攝0°和90°驗證片，得到患者在x、y和z方向的平移誤差，當平移誤差滿足臨床要求時開始治療。

1.6 統(tǒng)計學方法

采用SPSS22.0軟件進行數(shù)據分析。計量資料以均值±標準差()表示，配對數(shù)據采用非參數(shù)Wilcoxon符號秩檢驗；組間比較采用非參數(shù)Mann-Whitney秩和檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 兩組EPID驗證擺位誤差比較

觀察組采用ExacTrac圖像引導系統(tǒng)，修正擺位誤差后得到的EPID擺位，用ExacTrac修正后再用EPID拍攝得到的x、y和z的3個方向擺位誤差與對照組在x、y和z的3個方向擺位誤差比較，誤差與對照組直接獲取的EPID擺位誤差在x、y和z方向的差異均具有統(tǒng)計學意義(Z=-3.696，Z=-3.810，Z=-3.436；P＜0.05)，見表1。

表2 觀察組ExacTrac圖像引導修正前后擺位誤差比較()

表2 觀察組ExacTrac圖像引導修正前后擺位誤差比較()

注：表中x為左右方向誤差；y為頭腳方向誤差；z為腹背方向誤差；Rx、Ry和Rz表示其對應的旋轉誤差

表1 兩組EPID驗證擺位誤差比較()

表1 兩組EPID驗證擺位誤差比較()

注：表中x為左右方向誤差；y為頭腳方向誤差；z為腹背方向誤差

2.2 觀察組ExacTrac圖像引導修正前后擺位誤差比較

觀察組在ExacTrac圖像引導修正前與修正后的擺位誤差在x、y和z方向的平移誤差及相應的旋轉誤差(Rx、Ry和Rz)比較，差異均有統(tǒng)計學意義(Z擺位誤差=-4.376，Z=-4.900，Z=-4.937；Z旋轉誤差=-4.518，Z=-4.463，Z=-4.739；P＜0.05)，且修正后3個平移方向誤差值均＜0.3 mm，見表2。

2.3 修正前后擺位誤差分布

觀察組橫向擺位誤差主要分布在0～0.1 cm范圍內，而對照組橫向擺位誤差主要分布在0～0.3 cm范圍內。經ExacTrac圖像引導系統(tǒng)修正后，患者擺位誤差明顯縮小。兩組擺位誤差情況見圖2。

圖2 擺位誤差散點分布圖

3 討論

隨著影像引導放射治療的發(fā)展和CBCT及其圖像配準軟件的應用，擺位誤差已能被精確測量。圖像引導包括二維方向、三維方向及六維方向，不同的配準方式可能有不同的配準結果，并非所有加速器都配置CBCT和六維治療床，從而無法做到從三維平移誤差校正精確到三維平移誤差加三維旋轉誤差校正[6-7]。

Varian加速器自帶的EPID圖像驗證系統(tǒng)使用兆伏(MV)級X射線，ExacTrac圖像引導系統(tǒng)屬千伏(kV)級X射線，可同時結合六維床自動擺位及修正。兩套圖像引導系統(tǒng)屬相互獨立的二維成像系統(tǒng)，但拍攝的角度，所應用的運算算法不同，因此所得的精度也不同。對于精度可達亞毫米級的ExacTrac圖像引導系統(tǒng)，應用其數(shù)據經六維床修正后得到的位置是否可靠，相關文獻報道較少。本研究通過EPID圖像引導系統(tǒng)對其修正后的位置再次拍攝驗證片，但由于兩者所得結果精度不一致而無法直接進行同級別比較，因此通過設立對照組將其與常規(guī)調強放射治療時直接用EPID拍片驗證所得的誤差進行比較。結果顯示，采用ExacTrac圖像引導系統(tǒng)修正后再用EPID拍片驗證在x、y和z方向的擺位誤差比直接用EPID驗證得到的擺位誤差小，且差異具有統(tǒng)計學意義。由此表明，經過ExacTrac圖像系統(tǒng)修正后的位置是有效可靠的。此外，從ExacTrac圖像引導系統(tǒng)所得數(shù)據顯示，修正后各平移方向誤差均＜0.3 mm，對應的旋轉角度也＜0.5 °，極大提高了擺位的精度，與周巧敏等[8]和鐘偉偉等[9]關于ExacTrac X射線圖像引導在SRS治療時統(tǒng)計的結果一致。

在臨床工作中，本研究發(fā)現(xiàn)ExacTrac圖像引導系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。

(1)ExacTrac圖像系統(tǒng)雖屬二維系統(tǒng)，但可以實現(xiàn)6個方向上的位移，能提供亞毫米級的精度。王法寧等[10]通過模體實驗和臨床研究對比了三維CBCT和二維ExacTrac影像引導系統(tǒng)針對人體不同部位上的定位精度，分析實驗結果顯示在治療頭部腫瘤時，ExacTrac系統(tǒng)精度稍高。

(2)可以根據計劃給定任意非共面床角下進行驗證，本研究中并未對非共面床角進行聯(lián)合驗證，但張平等[11]關于ExacTrac 6D影像精確引導系統(tǒng)在腦轉移瘤SRS中的應用中顯示，在非共面治療時3個線性方向誤差值＜0.5 mm及其對應的旋轉角度＜0.5°。

(3)患者接受額外照射量更小。研究報道顯示，雖然kV級CBCT影像引導放射治療技術對患者掃描區(qū)域點的輻射劑量較低，但每行CBCT掃描1次，將會分別有11.1 cGy、6.7 cGy和6.2 cGy等的額外輻照劑量傳輸至患者甲狀腺、皮膚和晶體等器官，累積劑量疊加的效果亦不容忽略，頻繁應用會使危機器官接收劑量超過最大限量值，增加患者第二原發(fā)癌發(fā)生率[12]。ExacTrac圖像引導系統(tǒng)產生平均劑量為0.33～0.55 mGy，可極大減少了患者額外接收的照射劑量。

(4)旋轉誤差的修正能更加保證治療的精準性，而ExacTrac系統(tǒng)能夠結合六維床進行六維度修正。Handey等[13]報道，＞2°的旋轉誤差會對圖像配準結果產生影響。Gutfeld等[14]研究結果表明，＞2°的旋轉誤差會使靶區(qū)劑量發(fā)生3%～5%的變化，即認為＞2°的旋轉誤差需要校正。付秀根等[15]認為，旋轉誤差在臨床擺位中應引起足夠重視，旋轉誤差會影響線性誤差。

(5)腦轉移瘤一般多者可達十余個病灶，治療時間長，患者中途可能需要多次休息而導致治療中斷，但ExacTrac系統(tǒng)可根據紅外線追蹤定位框上的6個標記球進行快速預擺位，準確查找治療的等中心點，同時也可進行分次外的治療，擺位方便快速而準確。

ExacTrac圖像引導系統(tǒng)應用于SRS治療同樣存在缺點，如僅2幅交叉的二維DRR影像，圖像質量劣于CBCT，靶區(qū)成像不高，病灶靠近邊緣時不好配準等。由于圖像質量等原因，目前ExacTrac圖像驗證主要應用于剛性和(或)骨性特點明顯的病變部位或其鄰近靶區(qū)，當應用于體部SBRT治療時，應聯(lián)合多種影像裝置進行驗證。此外，由于加速器僅配有EPID系統(tǒng)，如能通過CBCT驗證ExacTrac圖像引導系統(tǒng)的可靠性將更具有說服力。

4 結論

采用ExacTrac圖像引導系統(tǒng)結合六維床進行SRS治療擺位可靠，其精度可達亞毫米級別，能夠極大提高放射治療的精確度，減少正常組織受量，而且能有效縮短患者擺位時間，降低患者受照射量，適合于臨床中要求高精度治療時使用。