赵利荣，周一兵，孙建国

陆军军医大学第二附属医院 肿瘤科，重庆 400037

引言

近年来，现代调强和容积调强技术在放疗临床中广泛应用，立体定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery，SRS）[1-3]和体部立体定向放疗（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）[4]等采用大分割技术的先进精准放疗日渐普及，其区别于其他放疗技术的主要特点是高剂量（每次6～30 Gy）、低分次（1～5次）、毫米级边缘精确定位[5]，SRS和SBRT残余摆位误差应不大于1 mm[6]。与传统共面照射不同，SRS通常依靠加速器治疗床旋转而采用非共面照射技术，对治疗床的机械精度提出了更高要求。因此，非共面照射使病人摆位误差可能进一步增大。

国家癌症中心2017年发布的NCC/T-RT 001 2017《放射治疗质量控制基本指南》及美国医学物理学家协会(American Association Physicists Medicine，AAPM)发布的TG 142、TG 179等技术报告，给出了精准放疗实施条件、质控措施等指导意见[7-8]，其中影像引导放疗（Image-guided Radiation Therapy，IGRT）为精准放疗的先决条件，采用影像引导技术可以有效减少放疗摆位误差，该技术正逐渐被越来越多的医院采用[9-11]。以瓦里安公司OBI系统为代表的锥形束CT（Cone-Beam CT，CBCT）影像引导技术已经作为临床IGRT位置验证的金标准被广泛应用于国内外各大放疗中心[12]，但CBCT一次扫描、传输和配准时间为5～10 min，这会延长患者治疗时间，降低患者舒适度；同时会使患者增加大约2 mGy的额外剂量照射。以博医来公司的Exactrac系统为代表的二维影像引导技术恰好弥补了以上不足。但Exactrac系统采集的±45°斜交二维图像所显示的解剖结构，并非常规正侧位DRR图像，且因其延长了球管到影像接收板的距离，以及二维图像解剖信息量不及三维影像丰富，致使除骨性组织外的软组织不易辨识，从而增加放疗医生判断患者摆位误差的难度。这亟待在医疗实践中深入探究并加以解决。

基于上述现状，本文尝试开展利用CBCT技术检验颅内肿瘤SRS治疗的二维影像引导结果的研究工作，通过评估二维Exactrac系统的位置验证精度，分析和判断颅内肿瘤SRS治疗中采用二维影像引导技术的可行性与操作流程的合理性。

1 材料与方法

1.1 临床资料

收集2019年10月至2020年7月治疗的28例脑转移瘤病人，其中男性18例，女性10例，年龄29～78岁，中位年龄56岁。其中单发灶19例，占68%；多发灶9例（其中2个病灶6例，3个病灶2例）占32%。

1.2 定位及计划设计

CT模拟定位采用德国博医来的X头部专用定位框架固定病人体位，先将框架底部的热塑膜在恒温水箱中加热至透明状后置于定位架上，患者以最舒适的体位仰卧于碳纤维床上，再将中部面罩加热透明后，固定病人的面部前额、下巴和唇部，并用卡条固定，最后将顶部面罩加热透明后进行面部塑性，亦用卡条固定。

定位设备为飞利浦大孔径CT模拟定位机Bigbore，CT扫描层厚与层间距均为1 mm，使用博医来iPlan治疗计划系统完成计划设计，全部病例均采用多个非共面弧照射技术实施头部立体定向治疗，单个病灶设计一个等中心，多个病灶设计多个等中心，每个病人计划有4～6个弧。用OBI系统进行图像采集和验证时，为了避免治疗中和机架的碰撞危险，非共面弧的计划床角度范围为0～90°。

1.3 治疗前QA

为保证结果的准确性，必须在实施影像引导之前采用合适的QA措施，以消除或者尽量减少与影像引导放疗设备无关的系统误差。采用Winston-Lutz Test方法校准加速器的等中心位置后，分别对OBI和Exactrac系统进行质控，确保两套影像引导设备的等中心和加速器的等中心重合，保证等中心的偏差不超过0.1 mm。对六维床的旋转精度也进行了校准，保证床的旋转精度＜±0.1°。

1.4 两种影像引导设备介绍

本科室于2011年10月安装的瓦里安Trilogy加速器，本文将其配备的OBI系统作为影像引导结果对比检验设备。OBI系统在直线加速器机架两侧分别安装1个传统X光球管和1个硅晶探测板，通过加速器机架旋转，形成一个和MV级治疗野垂直交叉的kV级影像采集野，具备拍片、透视和采集kV级CBCT（KV-CBCT）的功能，可采集诊断级别的CBCT图像，对放疗医生观察患者靶区及危及器官解剖结构的变化和治疗摆位提供了可能，已成为影像引导纠正放疗摆位误差的金标准。本单位的OBI只能自动驱动六维床沿X、Y、Z轴方向平移，并不具备纠正旋转误差的能力。

德国博医来公司Exactrac系统独立于直线加速器，其X射线影像模块是由两对互呈±45°斜交排列的球管和探测板组成，同时曝光可以获取两幅彼此正交且聚焦于等中心的X射线影像，以此与TPS生成的DRR图像进行对比和图像配准，其分析结果可结合六维床在平移和旋转方向修正摆位误差。

1.5 治疗前摆位和误差修正

治疗床位于0°，使用Exactrac系统的红外自动摆位功能和六维床进行摆位，完成图像采集、融合和自动配准后，计算沿平移和旋转轴（六维）的摆位误差，最后由六维床移动完成平移（X、Y、Z）和旋转倾斜方向（Pitch、Roll、Yaw）的误差修正。坐标系统采用IEC1217的标准，即：病人左右方向为X轴，头脚方向为Y轴，治疗床上下移动方向为Z轴。六维床完成误差修正后再次进行Exactrac和OBI系统的图像采集验证。OBI系统的操作步骤如下：展开OBI影像板和X射线发生器；选择标准头部模式；设置滤线器模式为full fan；机架旋转角度为22～180°。OBI图像配准过程采用系统自动配准不进行人工干预，计算出平移和旋转方向的六维方向误差。按非共面照射治疗计划设计要求，旋转治疗床至其余床角度，重复以上摆位验证。

当X（左右）、Y（前后）、Z（上下）三个方向的平移和旋转误差（Pitch、Roll、Yaw）达到SRS治疗精度要求（平移误差＜1 mm，旋转误差＜0.5°）时开始实施照射。

1.6 统计学分析

应用SPSS 20.0软件，计算非共面治疗的病人经Exactrac系统自动配准后的六维方向误差的平均值、标准偏差σ和均方根偏差值。经Exactrac结合六维床修正误差后再行CBCT检验结果用箱式误差图显示。

2 结果

本文选取的28例头部SRS患者，每个患者计划设计4～6个非共面的治疗弧，28例患者中18例治疗次数是2～3次，10例患者治疗次数是1次。每次治疗前都要进行位置验证，分别在不同的床值角度，共进行256次图像采集，并与治疗前的DRR图进行配准（图1），得到摆位修正前Exactrac系统图像配准的结果如表1所示。由表1中统计结果可以看出，修正前六维方向误差都比较大。在平移方向上，X方向的平均值最大，为1.73 mm；Z方向的标准偏差最大，为3.83 mm。28例患者中，X、Y、Z三个方向平移误差＞1 mm的百分比分别为77.4%、78.6%、83.8%。绕X、Y、Z三个轴旋转方向的平均值分别为-1.26°±1.34°、-0.17°±0.65°、0.37°±0.66°。28例患者中，绕X、Y、Z三个轴旋转方向误差＞0.5°的百分比分别为88.2%、50.0%、55.9%。由于统计的摆位误差有正负方向的偏差，均方根值因其将误差平方时消除了符号的影响，在一定程度上更加真实地反应出测试结果误差的离散程度，平移X方向的均方根最小为1.61 mm，旋转方向沿Y轴的旋转误差最小为0.56 mm。图2a和2b为二维Exactrac系统修正前的六维方向摆位误差箱式图。摆位修正后Exactrac系统扫描的六维方向误差统计如表2所示，可以明显看出,修正后X、Y、Z 三个轴平移方向的误差均＜1 mm，旋转方向的误差均＜0.5°。

图1 Exactrac系统图像配准的结果

表1 摆位修正前Exactrac系统扫描的六维方向误差统计

图2 头部SRS非共面治疗患者摆位修正前后平移和旋转方向的箱式误差图

表2 摆位修正后Exactrac系统扫描的六维方向误差统计

由于瓦里安的三维OBI系统的位置验证平移结果显示只能精确到毫米级，经过二维Exactrac系统误差修正后三维OBI系统扫描结果以箱式误差图示出（图2c为平移结果，图2d为旋转结果），X、Y、Z为平移方向的误差值都＜1 mm，绕三个轴旋转的误差＜0.5°，完全满足SRS放疗的临床治疗要求。比较采用配对t检验，结果显示，二维Exactrac系统和三维OBI系统的验证结果P＞0.05，说明二套系统的位置验证结果没有明显的统计学差异。

3 讨论

kV级CBCT是目前国内外应用最广泛和成熟的影像引导设备[13-14]，其操作流程和技术方法可作为影像引导的金标准，该系统采集的图像具有接近诊断标准的CT图像，包括骨性标记和软组织等人体内部解剖结构都可较清晰地显示，放疗医生和技师等工作人员可以很方便以此进行软件自动配准，或选择手动配准，对图像配准结果的审核提供可信赖的方法[15-17]。然而，如果未配备六维治疗床，或系统不能控制沿旋转方向的移动，只能进行X、Y、Z平移方向的位移，这对于修正六维方向的摆位误差无疑是非常困难的，对于非共面照射的头部SRS治疗来说，将带来很大的治疗风险。

目前，国内很多放疗中心面临的现状是放疗病人数量较多，工作量浩繁[18]。若每次治疗前都执行CBCT影像引导，显然会付出巨大的时间成本，SRS比传统放疗照射分次更少，总剂量和单次剂量更高，其摆位误差要求以毫米计，任何一次照射出现不符合临床要求的位置误差，都将产生更严重的后果，因此每次治疗前进行影像引导的必要性显而易见。博医来的二维Exactrac系统具有图像采集和配准速度快、效率高的特点，配置六维治疗床后可在平移和旋转六维方向进行位置精确调整，以上特点使其非常适合作为影像引导设备在头部SRS非共面照射治疗中运用[19-20]。前期我们已经开展了关于Exactrac系统结合六维治疗床修正鼻咽癌调强放疗摆位误差精度验证的研究工作[21]，选取的40例鼻咽癌病人调强放疗计划，治疗前经过二维Exactrac系统结合六维床修正摆位误差后，总的平移误差小于0.32 mm，旋转误差小于0.2°。当然，上述研究限于共面照射计划的位置验证，治疗过程中治疗床仅处于0°位置，对非共面照射的SRS治疗而言，治疗床将会旋转至治疗计划设计的其他非零角度进行照射，一方面，治疗床机械精度将增加对摆位误差的影响，造成图像配准的不确定性增大；另一方面，二维Exactrac系统只能依赖系统自动配准功能，因此临床中利用CBCT对配准结果可靠性进一步检验是非常必要的[22]。对于非共面照射的相关检验和验证研究少有报道，本文所进行的研究对优化SRS治疗流程、提高治疗位置精度也显得非常有意义。

本文开展的利用OBI系统检验二维Exactrac系统图像配准和误差修正结果研究结果表明，经过二维Exactrac系统修正后，X、Y、Z三个方向的平移误差可以控制在1 mm内，沿相应轴的旋转误差可以控制在0.5°以内。本文的研究结果为我们正在开展的头颈部肿瘤放疗在体剂量验证技术相关临床应用提供可靠的工作基础，为颅内肿瘤SRS非共面放疗提供位置和剂量的双重保障，进一步体现精准放疗的重要意义。

今后将在以下两方面展开进一步研究：① 在摆位误差修正后比较二维Exactrac和三维CBCT的检测数据，这时各个方向和各个角度的误差数据应当都比较小了，接近于0 mm或0°，今后将在摆位误差修正前，进一步比较两种影像设备的检测数据；② 由于头部的骨性结构比较明显，配准也相对容易；而对于体部立体定向放疗，由于呼吸动度比较大，骨性结构不是特别明显等原因，其图像配准算法等可能会和头部研究方法不尽相同，今后将会用二维Exactrac系统对体部立体定向放疗SBRT的摆位误差修正能力开展相关检验和验证研究，以进一步拓展Exactrac系统的临床应用，为SBRT治疗的影像引导提供更多选择。

4 结论

头部立体定向治疗SRS的治疗具有单次剂量大、治疗时间长的特点，对位置准确性有更高的要求，在做图像引导前位置的精确度比较低，不能满足临床的治疗要求，经过二维图像引导位置纠正后，平移方向的摆位误差可控制在1 mm内，旋转方向误差可控制在0.5°内。我们得到的关于放疗位置验证结果，已通过了目前临床比较可靠的瓦里安三维OBI系统的检验，证明可以用于放疗前位置验证。