基于CyberKnife脊柱追蹤系統(tǒng)的胸椎轉(zhuǎn)移瘤放療擺位誤差分析

解傳濱，鞠忠建，陳高翔，剛 穎，徐壽平，鞏漢順，王小深，王金媛，歐光明

基于CyberKnife脊柱追蹤系統(tǒng)的胸椎轉(zhuǎn)移瘤放療擺位誤差分析

解傳濱，鞠忠建，陳高翔，剛 穎，徐壽平，鞏漢順，王小深，王金媛，歐光明

目的：基于Xsight脊柱追蹤系統(tǒng)對胸椎轉(zhuǎn)移瘤治療前擺位及治療中體位穩(wěn)定性進行定量分析，以期為臨床應用提供參考。方法：選擇10例行射波刀（CyberKnife，CK）治療的胸椎轉(zhuǎn)移瘤患者，采用真空墊行體位固定，應用Xsight脊柱追蹤系統(tǒng)進行追蹤治療，并在首次治療后做等中心十字線標記用于后續(xù)治療的擺位參考；治療過程中每隔60 s采集一次正交圖像，并參考數(shù)字重建圖像（digital reconstructedly radiograph，DRR）行配準校正且記錄其誤差，分析治療分次內(nèi)體位穩(wěn)定性以及治療照射誤差。結(jié)果：患者治療前分次間左右（X）、頭腳（Y）、垂直（Z）3個方向的線性擺位誤差（系統(tǒng)誤差±隨機誤差）分別為（1.66±3.48）、（0.12±5.88）、（0.08±3.54）mm，推算其常規(guī)外放邊界分別為7.5、5.0、3.1 mm；分次內(nèi)平移誤差均小于0.9 mm，旋轉(zhuǎn)誤差均小于0.8°；CK治療過程中X、Y、Z 3個方向的治療照射誤差分別為0.34、 0.31、0.25 mm。結(jié)論：CK治療中運用首分次等中心標記法實現(xiàn)了對常規(guī)治療等中心擺位的誤差分析，為胸椎轉(zhuǎn)移瘤臨床常規(guī)治療提供了參考；同時，由于患者體位變化引起的照射誤差較小，實現(xiàn)了對靶區(qū)照射的高度準確性。

射波刀；胸椎轉(zhuǎn)移瘤；脊柱追蹤；擺位誤差

0 引言

射波刀（CyberKnife，CK）系統(tǒng)全稱立體定位射波手術(shù)平臺[1]，是一種新型的全身腫瘤立體定向放射外科治療設備[2-3]。與常規(guī)立體定向放射外科（stereotactic mdiosurgery，SRS）不同，它以先進的影像引導技術(shù)替代了剛性的立體定位框架，通過機器人互動技術(shù)[4]，采用計算機立體定位，實時影像引導，自動靶區(qū)追蹤、自動位置修正，輕松實現(xiàn)各種良、惡性腫瘤的亞毫米級精確放射外科治療[3，5]。它的出現(xiàn)為外科難以手術(shù)的患者帶來了一種新的解決途徑。CK擁有一套先進的治療跟蹤軟件系統(tǒng)，針對不同部位的病灶采取不同的定位追蹤方法：顱內(nèi)腫瘤用六維顱骨定位追蹤，脊椎附近的靜態(tài)腫瘤用脊椎定位追蹤，軟組織腫瘤用金標追蹤，受呼吸運動影響的肺部腫瘤用金標定位追蹤[3，5]。CK治療顱外腫瘤的主要焦點集中在脊柱腫瘤[6]，其Xsight脊柱追蹤系統(tǒng)能利用脊柱自身的骨性結(jié)構(gòu)，直接作為參考標志來定位和追蹤脊柱附近腫瘤[7]。本研究基于Xsight脊柱追蹤系統(tǒng)對胸椎轉(zhuǎn)移瘤治療前擺位及治療中體位穩(wěn)定性進行定量分析，以期為臨床應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 患者資料

選取2013年2月至2013年12月治療的10例胸椎轉(zhuǎn)移瘤患者，男性4例、女性6例，中位年齡59歲。其中肺癌骨轉(zhuǎn)移6例，直腸癌、乳腺癌骨轉(zhuǎn)移各2例，平均治療時間53.6 min。

1.2 治療方法

1.2.1 CT圖像獲取

10例患者采用真空墊固定，飛利浦大孔徑CT（BrillianceTM Big Bore）定位，掃描層厚1.5 mm，掃描條件：120 kV、400 mAs，軸向連續(xù)掃描。

1.2.2 靶區(qū)勾畫及計劃設計

在Inview行靶區(qū)及重要器官勾畫后在Multi－Plan System（Ver 4.0.2）上進行計劃設計，追蹤方式采用Xsight脊柱追蹤（Xsight_Spine）：定義一個包含81節(jié)點網(wǎng)格的感興趣區(qū)（region of interest，ROI），如圖1所示。治療執(zhí)行期間Xsight脊柱追蹤系統(tǒng)將實時X線影像中ROI的節(jié)點位移與對應數(shù)字重建圖像（digital reconstructedly radiograph，DRR）中節(jié)點進行比對，計算6個自由度的患者位移——3個平移和3個全局旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)過機械臂調(diào)整加速器的照射位置予以糾正[8]。

圖1 Xsight脊柱追蹤示意圖

1.2.3 治療實施

（1）首次擺位：將患者固定在標準治療床上后，將治療床移動到相應的初始定位位置（TREAT位），并保證需要治療的解剖結(jié)構(gòu)位于X線成像系統(tǒng)視野內(nèi)。曝光配準后經(jīng)過治療床移動得到標準治療位并實施治療。首次治療結(jié)束后，對應治療室內(nèi)置定位激光燈為患者做好十字標記，以用于后續(xù)治療的擺位參考。

（2）后續(xù)擺位：在后續(xù)治療實施前要求技師按照常規(guī)等中心擺位要求對患者進行擺位，并在曝光配準后記錄相應誤差。

（3）治療執(zhí)行期間定位：在治療過程中每隔60 s采集一幅正交圖像進行校正并記錄其誤差。如果數(shù)值在機械臂校準的范圍內(nèi)（六維方向上分別為10、10、10 mm，1、1、3°），機械臂則自動完成位置校準移動，然后行病灶部位照射。如果超出這個范圍，系統(tǒng)會提示患者移動超限錯誤，并自動終止治療，進入治療床校準程序。

1.3 數(shù)據(jù)記錄及統(tǒng)計方法

該機器自動獲取誤差數(shù)據(jù)為各向的正值，本研究對誤差正負值規(guī)定如下：X軸，L：+/R：-；Y軸，S：+/I：-；Z軸，A：+/P：-；旋轉(zhuǎn)（左/右），L：+/R：-；旋轉(zhuǎn)（頭部向上/向下），UP：-/DOWN：+；旋轉(zhuǎn)（順時針/逆時針），CW：+/CCW：-。采用SPSS18.0軟件統(tǒng)計分析。系統(tǒng)誤差（∑）以擺位誤差的平均值表示，隨機誤差（δ）以標準差表示。應用公式M=2．5∑+0．7δ計算外放邊界（M）[9-10]。

2 結(jié)果

2.1 分次間擺位誤差

患者治療前（分次間）擺位誤差共記錄40次（不包括每例患者首次治療擺位），數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。X、Y、Z方向的線性擺位誤差（系統(tǒng)誤差±隨機誤差）分別為（2.0±3.7）、（0.2±6.4）、（0.2±3.8）mm，由此得到常規(guī)治療等中心擺位X、Y、Z方向靶區(qū)外放邊界分別為7.5、5.0、3.1 mm，詳見表1。

表1 治療前（分次間）六維方向擺位誤差統(tǒng)計

2.2 分次內(nèi)擺位誤差

不同治療次數(shù)之間分次內(nèi)擺位誤差按照10例患者中最少治療次數(shù)（3次）進行統(tǒng)計分析，平移方向隨機誤差均小于0.9 mm，旋轉(zhuǎn)方向隨機誤差均小于0.8°，且在2次治療的過程中體位穩(wěn)定性最好，見表2，其箱式圖如圖2所示。

表2 不同治療次數(shù)六維方向擺位誤差

治療次內(nèi)不同時間段擺位誤差以15 min為單位進行階段劃分，各時間段誤差均體現(xiàn)出了較好的體位穩(wěn)定性，見表3，其箱式圖如圖3所示，各時間段誤差未找到明顯規(guī)律。

圖2 不同治療次數(shù)六維方向擺位誤差箱式圖

表3 次內(nèi)不同時間段六維方向擺位誤差

2.3 分次內(nèi)照射誤差

治療執(zhí)行期間設定Xsight_Spine追蹤程序每隔60 s采集一幅正交圖像進行校正。在誤差允許范圍內(nèi)通過機械臂自動位置校準以消除拍片間隔內(nèi)產(chǎn)生的誤差，確保對病灶部位的準確照射。因此Xsight_ Spine追蹤條件下的實際照射誤差應以拍片驗證時間間隔內(nèi)產(chǎn)生的體位變化為基礎，即以前次拍片驗證的體位誤差（d0）與60 s間隔后拍片驗證得到的體位誤差（d1）為基準計算拍片間隔內(nèi)的相對誤差|d|= d1-d0。分析得到的411組相對誤差，結(jié)果為系統(tǒng)誤差均趨向于0，隨機誤差（平移/旋轉(zhuǎn)）均小于0.6 mm/ 0.3°，見表4。

圖3 不同治療時間段六維方向擺位誤差箱式圖

表4 Xsight_Spine追蹤條件下體位誤差及三維方向外放邊界

3 討論

在放射治療過程中，誤差的產(chǎn)生是不可避免的，其來源包括患者器官生理運動、計劃設計誤差、機器誤差以及擺位誤差等[11]。筆者通過對基于CK脊柱追蹤系統(tǒng)的胸椎轉(zhuǎn)移瘤放療患者的治療前以及治療過程中擺位誤差進行分析，并根據(jù)CK脊柱追蹤的特點對其治療過程中由于體位變化導致的照射誤差進行了統(tǒng)計，以為臨床應用提供必要的參考。

與常規(guī)加速器的等中心擺位不同，CK是通過正交圖像的配準誤差引導治療床移動將患者定位到準確的治療位置，因此在初次治療前只需對患者進行粗略擺位并保證病灶位置位于圖像系統(tǒng)的射野范圍內(nèi)，通過圖像曝光配準后治療床自動移動校準即可完成對患者的精準擺位。本研究在初次治療位置上按照激光燈對患者進行十字線標記以用于后續(xù)的治療前擺位。此過程類似于常規(guī)治療中的復位，通過這種“復位”不僅方便了患者后續(xù)治療前的擺位，也為模擬此類患者在常規(guī)治療等中心擺位中的誤差分析帶來了可能。

研究中要求技師在后續(xù)治療實施前按照常規(guī)等中心擺位的要求對患者進行擺位，并對曝光配準后的誤差進行分析，得到采用真空墊行體位固定的胸椎轉(zhuǎn)移瘤患者X、Y、Z方向靶區(qū)外放邊界分別為7.5、5.0、3.1 mm。由于在初次治療對患者進行體位標記時，中間的十字線標記在患者的體表，而兩側(cè)十字線則是標記在真空墊上，因此患者的體位角度改變必然導致X方向的誤差增大，而其他方向均≤5 mm，與花威等[12]的研究相似，顯示出真空墊對患者的較好固定。Astreinidou等[13]研究認為平均旋轉(zhuǎn)誤差為1°的情況下對95%臨床靶體積接受的處方劑量不會產(chǎn)生影響。在本研究中3個旋轉(zhuǎn)方向的平均誤差均小于1°，但由于患者的治療次數(shù)較少，其對患者的長期固定效果有待考證。吳欽宏等[14]提出了在治療期間如發(fā)現(xiàn)有輕微漏氣變軟，應及時抽氣，恢復負壓以保持原形狀，必要時制作新墊子重新定位，在常規(guī)分割治療的臨床使用中應予以重視。Jing等[15]通過動態(tài)核磁共振（dynamic MRI，dMRI）采用20 s間隔圖像采集辦法對胸椎的不自主運動作了相關研究，結(jié)果顯示在自由呼吸狀態(tài)下椎體的平均動度小于0.5 mm。在分次內(nèi)體位穩(wěn)定性分析中，筆者采用了治療次數(shù)以及治療時間的分組方法，拍片間隔為60 s，由結(jié)果可以看出，2次治療時的隨機誤差較小，且除Y方向外均有統(tǒng)計學意義；而在各時間段的統(tǒng)計中未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律，但總體平移誤差均小于0.9 mm，旋轉(zhuǎn)誤差均小于0.8°，顯示出治療分次內(nèi)較好的體位穩(wěn)定性。

CK是具備影像引導功能的立體定向放射外科及治療系統(tǒng)，其影像定位精度是保證治療優(yōu)勢的關鍵[16]。Cheng等[17]通過模擬人驗證了其實施脊柱立體定向放射治療的實施精度為（0.3±0.1）mm，這僅包括了圖像引導系統(tǒng)的配準誤差、治療實施系統(tǒng)的機械誤差等。本研究以Xsight_Spine追蹤系統(tǒng)每次拍片驗證所得體位誤差為基礎，對其實施治療過程中由于患者體位的變化或脊柱不自主運動[15]引起的實際照射誤差進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示由此引起的照射誤差亦在亞毫米級，證明了CK實施脊柱轉(zhuǎn)移瘤治療的精準性與安全性。

綜上所述，通過對真空墊固定的胸椎轉(zhuǎn)移瘤CK治療患者進行首分次等中心標記的辦法，實現(xiàn)了應用Xsight脊柱追蹤系統(tǒng)評價此類患者在常規(guī)治療等中心擺位中的誤差分析，推算其常規(guī)擺位外放邊界（X、Y、Z方向）為7.5、5.0、3.1 mm，并且在治療過程中具有較好的體位穩(wěn)定性。CK治療過程中由于患者體位的變化和脊柱不自主運動引起的照射誤差（X、Y、Z方向）為0.34、0.31、0.25 mm，實現(xiàn)了靶區(qū)照射的高度準確性，因此可根據(jù)實際情況適當延長拍片間隔，從而提高治療的實施效率和減少患者輻射劑量。

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（收稿：2014-11-25 修回：2015-05-20）

Analysis of set-up errors of CyberKnife therapy for thoracic spine metastases based on Xsight spine tracking system

XIE Chuan-bin,JU Zhong-jian,CHEN Gao-xiang,GANG Ying,XU Shou-ping,
GONG Han-shun,WANG Xiao-shen,WANG Jin-yuan,OU Guang-ming（Department of Radiotherapy,General Hospital of the PLA,Beijing 100853,China）

Objective To analyze quantitatively the pretherapy setup and intratherapy posture stability for the thoracic metastatic tumor with Xsight spine tracking system.Methods Ten thoracic metastatic tumor patients undergoing CyberKnife (CK)treatment were fixed with vacuum fusions.With Xsight spine tracking system applied,isocenter reticles were formed after the first treatment procedure to provide references for the setup of the following treatment.The intrafractional set-up stability and errors were analyzed using the translational and rotational deviations after registering and comparing the orthogonal images (every 60 s)with the DRR images.Results The intrafractional translational set-up errors (SD)of X-axis,Y-axis and Z-axis were (1.66±3.48), (0.12±5.88)and (0.08±3.54)mm.The margins in conventional radiotherapy were calculated as 7.5,5.0 and 3.1 mm,The average translational and rotational set-up errors during treatment were less than 0.9 mm and 0.8°.The delivery errors (X,Y,Z)during CK treatment were 0.34,0.31 and 0.25 mm.Conclusion The isocenter set-up errors in the conventional radiotherapy are achieved by the method of marked set-up in the first fraction of CK and provide references for the clinical application.The deviations caused by the setup errors are very little during the CK treatment,and the precision of target is realized during the irradiation.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（11）：87-90]

CyberKnife;thoracic spine metastasis tumor;spine tracking;setup error

R318.6；TH777

A

1003-8868（2015）11-0087-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.11.087

國家自然科學基金資助項目（11275105）

解傳濱（1983—），男，物理師，主管技師，主要從事腫瘤放射物理方面的研究工作，E-mail：xiechuanbin2003@163.com。

100853北京，解放軍總醫(yī)院放療科（解傳濱，鞠忠建，陳高翔，剛 穎，徐壽平，鞏漢順，王小深，王金媛，歐光明）