射波刀設備的精度和誤差分析研究

謝陳晨，孟璐珈，蔣元林

（中國人民解放軍聯勤保障部隊第903醫院，浙江 杭州 310013）

射波刀和常規加速器相比，精度非常高，尤其是在靜態目標中精度可以達到0.95mm，動態目標定位中精度可以達到1.5mm。在應用中實現了對之前采用外部標記線作為擺位參考方式的改變，實現了體內標記為擺位及追蹤標記。另外，在引入機械臂后，進一步提升了射波刀應用的靈活性，射束能夠更加分散地集中在腫瘤上，一般是采用3～5次低分割照射，治療時間為20～40min/次。針對患者腫瘤實施治療過程中，影像系統會在固定時間周期獲取一次正交影像，所以會提升患者的額外輻射劑量。我國射波刀通常引入的是第3代和第4代產品，也出現了第5代產品，相關研究中提出射波刀精度后一代高于前一代。以上提出的三代產品精度均是在亞毫米級內，固定目標和動態目標治療精度分別為0.95mm、1.5mm以下，可以實現對放射治療工作需求的滿足。各種追蹤技術在射波刀設備中的應用，直接影響著射波刀的治療精度，本文在對其研究發展現狀分析基礎上，探討其精度和誤差。

1 射波刀追蹤技術研究現狀

1.1 六維顱骨追蹤系統

這一追蹤系統通常是應用在顱內腫瘤治療中，尤其是針對較小顱內疾病可以取得良好的治療效果。六維顱骨追蹤系統是針對患者的顱骨位置實時圖像以及CT掃描重建生成數字重建影像圖像實施對比，進而獲取患者的6個自由度位移，若所得計算結果是在機械手可校準范圍內即會立即自動校準，之后發射射線束實施治療。在追蹤過程中，主要是借助亮度增益以及梯度增益等參數設置跟蹤成像參數，因為受到曝光參數的影響，誤差補償也具有差異，一旦出現曝光參數不當，容易對跟蹤算法準確性產生影響。

1.2 交叉視野脊柱追蹤系統

脊柱追蹤主要是用來進行錐體旁腫瘤和骨轉移瘤的治療，其中骨轉移瘤容易引發患者出現劇烈疼痛，同時也會伴有神經性疼痛。交叉視野脊柱追蹤系統定位中，位移計算主要是對患者的位置實施調整，治療中機械手對于加速器位置會自動實施調整，同時校正目標平移和旋轉位移。

在此過程中視覺驗證具有重要應用，目測評估能夠為算法實現對骨骼結構的正確跟蹤提供保障，其中X軸目標配對公差閾值、r軸目標配對公差閾值以及ROI高度等參數均會對跟蹤算法準確性產生一定影響。

1.3 金標追蹤系統

這一跟蹤系統即是在金標提取算法的應用下對DRR以及實時X射線影像進行分析，以此確定金標位置。一旦出現金標放錯位置，會對腫瘤靶區以及治療精度產生不良影響。

1.4 Synchrony呼吸追蹤系統

這一追蹤系統主要是對受到人體呼吸影響而運動的腫瘤靶區實施治療，即為將目標移動和呼吸移動實現有效結合，完成Synchrony模型建構，進而輸出和目標移動相同的射束，進而實施治療，針對目標移動可以實施跟蹤以及補償。在應用過程中，也可以和脊柱追蹤、金標等方式結合應用。

1.5 交叉視野肺部追蹤系統

這一追蹤系統只能夠應用在對肺部病變位置腫瘤患者的治療中，不用植入金標，采用肺部腫瘤輪廓作為標記物，即可以實施追蹤。交叉視野肺部追蹤系統肺部成像質量受到目標dxAB以及drAB閾值、跟蹤范圍以及不確定閾值等因素的影響，因此，會對其計算準確性產生影響。

1.6 肺部優化治療

肺部優化治療是結合應用交叉視野肺部追蹤系統、0-視圖以及1-視圖，進而實現對肺部病變的照射治療。肺部成像參數也需要對目標dxAB以及drAB閾值、跟蹤范圍以及不確定閾值等因素進行綜合考量，以此提升計算的準確性。

2 射波刀追蹤技術的精度及誤差分析

為能夠實現對射波刀追蹤技術精度和誤差的進一步了解，本次選擇相關設備，以此對其實施目標定位以及相對輸出因子分析。

2.1 設備選擇

本次選取Accuray公司提出的端到端E2E測試，另外，還有射波刀設備治療系統中的膠片計量測試法，進而實現對射波刀設備治療系統精度的估算。

2.2 目標定位

在研究中采用一個等效頭部模型，實現對整個射波刀治療系統精度的評估。這一模型中包括2篇精密裁剪的薄膠片、1個球形目標以及5個fiducial金標，詳情見圖1。球形目標的構成原料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料，其中一個球體是在中心位置。這一膠片在球形目標中正交插入，通過射波刀治療系統完成這一模型治療計劃的制定，且完成照射。以上工作完成后取出膠片，進行膠片掃描，并創建300像素/in（1 in=25.4mm）灰度圖像。采用E2E檢測軟件測量膠片質量，能夠實現對不同方向誤差位移的計算，獲取E2E總精確度。

圖1 E2E測量的頭部體模

2.3 相對輸出因子

本次研究選用的是6種探測器，以此測量分析準直器的輸出因子。放射治療過程中，二極管測量儀主要是對高能量光子計量分布P-型硅二極管實施檢測，其有效厚度為2.5pm。對比測量過程中置于電離室實施讀數，電離室容量為0.015cm3、0.125cm3以及0.6cm3。針對二極管測量儀以及三個電離室均采用水模型實施測量，相應的測量條件即為深度為1.5cm，源皮距（SSD）為80cm。測量相對輸出因子中，各個膠片所接受的劑量為100MU針對薄膠片光學密度通常采用常規密度計實施測量，各個準直器輸出因子校準中此阿勇的是最大準直器于1.5cm深度SSD為80cm實施校準。

2.4 結果分析

2.4.1 目標定位結果

本次射波刀設備追蹤系統E2E測試中，兩種追蹤模式目標定位誤差分析結果具體見表1。從表1可以看出，2種追蹤模式均在正常范圍內。

表1 射波刀追蹤系統目標定位結果

2.4.2 相對輸出因子結果

不同尺寸準直器相對輸出因子見表2。其中針對5mm準直器，所選取的6種不同探測器相對輸出因子結果中0.015cm3、0.125cm3以及0.6cm3電離室存在較大差異，其他探測器相對輸出因子具有一致性。另外，35mm的準直器所檢測的相對輸出因子具有良好一致性。

表2 不同尺寸準直器相對輸出因子結果

3 射波刀追蹤技術的應用精確度研究

近年影像技術迅速發展進程中，越來越多的追蹤技術應用在射波刀設備中，以進一步提高射波刀設備應用精確度。當前射波刀治療系統可以結合5種圖像引導追蹤方式以能夠實現對目標的自動校正，且獲取非常精確的射束傳輸路線，有助于進一步提升腫瘤治療有效性，且可以對周圍正常組織以及器官起到良好的保護作用，降低不良反應發生率。在射波刀治療系統應用中，結合腫瘤靶區大小差異，可以選擇不同尺寸的準直器。關于射波刀追蹤技術的應用精確度一直以來都是研究重點，本次研究中發現在射波刀E2E測試中，目標定位誤差6D-skull追蹤模式為（0.532±0.293）mm，fiducial金標追蹤模式為（0.482±0.297）mm。與此同時，發現6種不同探測器檢測35mm準直器的相對輸出因子具有良好一致性。在針對立體定向放射治療光子束精確劑量確定中，由于受到側向電子失衡以及劑量梯度陡峭因素的影響，難度較大。結合當前研究文獻可以發現放射治療數據采集中，通常是結合二極管及其膠片劑量、熱致發光劑量計放射學劑量以及小容量電離室。但是，以上所提出的各個技術均存在有能量依賴性或分辨率較差問題，通常不會提供所需劑量精度。本次研究中也發現采用電離室和二極管測量儀所檢測結果差異較大，相對采用Gafchromic EBT膠片和二極管測量儀所得相對輸出因子結果兩者之間較為接近。由此可以得出，射波刀治療系統端到端E2E測量誤差在1mm以下，目標定位中具有較高精度。同時，也可以發現30mm以上準直器不同探測器檢測相對輸出因子一致性較好，15mm以下所測相對輸出因子差異較大，Gafchromic EBT膠片的精確精確度最高。

4 結語

通過以上分析所得結論主要為：

（1）針對射波刀追蹤技術精度和誤差實施分析后發現，目標定位誤差6D-skull追蹤模式為（0.532±0.293）mm，fiducial金標追蹤模式為（0.482±0.297）mm，具有較高精確度。

（2）不同尺寸準直器的6種不同探測器檢測中，發現35mm準直器的相對輸出因子具有良好的一致性。