ExacTrac圖像引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)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(shù)已經(jīng)進(jìn)入精確定位、精確設(shè)計(jì)和精確治療的“三精”時(shí)代，其中立體定向放射外科(stereotactic radiotherapy surgery，SRS)技術(shù)因其能將高能射線聚焦于靶區(qū)內(nèi)，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(diǎn)成為腦轉(zhuǎn)移瘤治療的重要手段[1]。而圖像引導(dǎo)放射治療(image guided radiation therapy，IGRT)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)SRS精確治療和確保療效的關(guān)鍵所在[2-4]。目前圖像引導(dǎo)系統(tǒng)有超聲引導(dǎo)、電子射野成像引導(dǎo)、錐形束CT(conebeam CT，CBCT)和扇形束CT引導(dǎo)、核磁引導(dǎo)、電磁追蹤以及ExacTrac圖像引導(dǎo)等，其成像原理、技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用環(huán)境、成像質(zhì)量以及速度和模式很大程度上影響了放射治療的結(jié)果。醫(yī)院在用圖像引導(dǎo)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(shí)包含后期升級(jí)后配置的ExacTrac圖像引導(dǎo)系統(tǒng)和六維床自動(dòng)擺位系統(tǒng)。兩套圖像引導(dǎo)系統(tǒng)完全獨(dú)立，互不干擾，應(yīng)用的環(huán)境和運(yùn)算算法也各不相同，對(duì)于精度更高的ExacTrac圖像引導(dǎo)系統(tǒng)修正后的位置可靠性如何，能否滿足臨床需求，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少。本研究旨在探討ExacTrac圖像引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)合六維床修正SRS擺位誤差數(shù)據(jù)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(shí)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(jù)治療方法的不同，將其分為觀察組(32例)和對(duì)照組(30例)。觀察組患者應(yīng)用ExacTrac圖像引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)合六維床擺位并利用電子射野影像裝置EPID拍片驗(yàn)證后行SRS治療；對(duì)照組患者應(yīng)用EPID系統(tǒng)拍片驗(yàn)證后行常規(guī)調(diào)強(qiáng)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(jì)學(xué)差異，具有可比性。

1.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

(1)納入標(biāo)準(zhǔn)：①患者意識(shí)清醒，能配合治療；②結(jié)合臨床表現(xiàn)、影像學(xué)檢查、病理等確診為頭頸部腫瘤且需放射治療。

(2)排除標(biāo)準(zhǔn)：①合并精神疾病，溝通障礙等；②躁動(dòng)，依從性差者。

1.3 儀器設(shè)備

采用Varian Unique型直線加速器(美國(guó)Varian公司)，放射治療計(jì)劃系統(tǒng)為Varian Eclipse 13.6；BrainLab ExacTrac圖像引導(dǎo)系統(tǒng)(德國(guó)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(jī)(德國(guó)西門子公司)。

1.4 CT模擬定位及放射治療計(jì)劃

(1)定位結(jié)構(gòu)：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(dāng)調(diào)整患者體位并保持不動(dòng)，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(zhuǎn)；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(jié)構(gòu)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(jì)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(jì)劃，最后將治療計(jì)劃和重建圖像數(shù)據(jù)分別傳輸至Unique加速器和ExacTrac 線圖像引導(dǎo)系統(tǒng)。

1.5 擺位修正與精度配準(zhǔn)

1.5.1 觀察組擺位與配準(zhǔn)

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(zhǎng)頭架上，戴上無框架SRS定位架，運(yùn)用紅外線光學(xué)定位儀檢測(cè)頭架上6個(gè)定位標(biāo)記球的位置進(jìn)行預(yù)擺位，利用機(jī)架兩側(cè)的X射線裝置拍攝kV級(jí)正交圖像，通過與計(jì)劃系統(tǒng)中數(shù)字化重建影像(digitally reconstructed radiographs，DRR)配準(zhǔn)后，得到患者在x、y和z的3個(gè)方向的平移誤差及相應(yīng)旋轉(zhuǎn)誤差(Rx、Ry和Rz)，并利用六維治療床修正此次配準(zhǔn)誤差。精度配準(zhǔn)：①重復(fù)圖像驗(yàn)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(zhuǎn)角度＜0.5°)；②利用EPID拍攝患者0°和90°驗(yàn)證片，通過骨性配準(zhǔn)與DRR圖像配準(zhǔn)后，得到患者在x、y和z方向的平移誤差，當(dāng)此誤差滿足臨床要求時(shí)則開始治療。

1.5.2 對(duì)照組擺位與配準(zhǔn)

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(diǎn)，做好標(biāo)記方便下次治療，然后通過EPID拍攝0°和90°驗(yàn)證片，得到患者在x、y和z方向的平移誤差，當(dāng)平移誤差滿足臨床要求時(shí)開始治療。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)量資料以均值±標(biāo)準(zhǔn)差()表示，配對(duì)數(shù)據(jù)采用非參數(shù)Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)；組間比較采用非參數(shù)Mann-Whitney秩和檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組EPID驗(yàn)證擺位誤差比較

觀察組采用ExacTrac圖像引導(dǎo)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(gè)方向擺位誤差與對(duì)照組在x、y和z的3個(gè)方向擺位誤差比較，誤差與對(duì)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(jì)學(xué)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(dǎo)修正前后擺位誤差比較()

表2 觀察組ExacTrac圖像引導(dǎo)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(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)誤差

表1 兩組EPID驗(yàn)證擺位誤差比較()

表1 兩組EPID驗(yàn)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(dǎo)修正前后擺位誤差比較

觀察組在ExacTrac圖像引導(dǎo)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(yīng)的旋轉(zhuǎn)誤差(Rx、Ry和Rz)比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z擺位誤差=-4.376，Z=-4.900，Z=-4.937；Z旋轉(zhuǎn)誤差=-4.518，Z=-4.463，Z=-4.739；P＜0.05)，且修正后3個(gè)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(nèi)，而對(duì)照組橫向擺位誤差主要分布在0～0.3 cm范圍內(nèi)。經(jīng)ExacTrac圖像引導(dǎo)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(diǎn)分布圖

3 討論

隨著影像引導(dǎo)放射治療的發(fā)展和CBCT及其圖像配準(zhǔn)軟件的應(yīng)用，擺位誤差已能被精確測(cè)量。圖像引導(dǎo)包括二維方向、三維方向及六維方向，不同的配準(zhǔn)方式可能有不同的配準(zhǔn)結(jié)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(zhuǎn)誤差校正[6-7]。

Varian加速器自帶的EPID圖像驗(yàn)證系統(tǒng)使用兆伏(MV)級(jí)X射線，ExacTrac圖像引導(dǎo)系統(tǒng)屬千伏(kV)級(jí)X射線，可同時(shí)結(jié)合六維床自動(dòng)擺位及修正。兩套圖像引導(dǎo)系統(tǒng)屬相互獨(dú)立的二維成像系統(tǒng)，但拍攝的角度，所應(yīng)用的運(yùn)算算法不同，因此所得的精度也不同。對(duì)于精度可達(dá)亞毫米級(jí)的ExacTrac圖像引導(dǎo)系統(tǒng)，應(yīng)用其數(shù)據(jù)經(jīng)六維床修正后得到的位置是否可靠，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少。本研究通過EPID圖像引導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)其修正后的位置再次拍攝驗(yàn)證片，但由于兩者所得結(jié)果精度不一致而無法直接進(jìn)行同級(jí)別比較，因此通過設(shè)立對(duì)照組將其與常規(guī)調(diào)強(qiáng)放射治療時(shí)直接用EPID拍片驗(yàn)證所得的誤差進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，采用ExacTrac圖像引導(dǎo)系統(tǒng)修正后再用EPID拍片驗(yàn)證在x、y和z方向的擺位誤差比直接用EPID驗(yàn)證得到的擺位誤差小，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由此表明，經(jīng)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(dǎo)系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)顯示，修正后各平移方向誤差均＜0.3 mm，對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)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(guān)于ExacTrac X射線圖像引導(dǎo)在SRS治療時(shí)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果一致。

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

(1)ExacTrac圖像系統(tǒng)雖屬二維系統(tǒng)，但可以實(shí)現(xiàn)6個(gè)方向上的位移，能提供亞毫米級(jí)的精度。王法寧等[10]通過模體實(shí)驗(yàn)和臨床研究對(duì)比了三維CBCT和二維ExacTrac影像引導(dǎo)系統(tǒng)針對(duì)人體不同部位上的定位精度，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在治療頭部腫瘤時(shí)，ExacTrac系統(tǒng)精度稍高。

(2)可以根據(jù)計(jì)劃給定任意非共面床角下進(jìn)行驗(yàn)證，本研究中并未對(duì)非共面床角進(jìn)行聯(lián)合驗(yàn)證，但張平等[11]關(guān)于ExacTrac 6D影像精確引導(dǎo)系統(tǒng)在腦轉(zhuǎn)移瘤SRS中的應(yīng)用中顯示，在非共面治療時(shí)3個(gè)線性方向誤差值＜0.5 mm及其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度＜0.5°。

(3)患者接受額外照射量更小。研究報(bào)道顯示，雖然kV級(jí)CBCT影像引導(dǎo)放射治療技術(shù)對(duì)患者掃描區(qū)域點(diǎn)的輻射劑量較低，但每行CBCT掃描1次，將會(huì)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(yīng)用會(huì)使危機(jī)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(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)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(zhuǎn)誤差的修正能更加保證治療的精準(zhǔn)性，而ExacTrac系統(tǒng)能夠結(jié)合六維床進(jìn)行六維度修正。Handey等[13]報(bào)道，＞2°的旋轉(zhuǎn)誤差會(huì)對(duì)圖像配準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生影響。Gutfeld等[14]研究結(jié)果表明，＞2°的旋轉(zhuǎn)誤差會(huì)使靶區(qū)劑量發(fā)生3%～5%的變化，即認(rèn)為＞2°的旋轉(zhuǎn)誤差需要校正。付秀根等[15]認(rèn)為，旋轉(zhuǎn)誤差在臨床擺位中應(yīng)引起足夠重視，旋轉(zhuǎn)誤差會(huì)影響線性誤差。

(5)腦轉(zhuǎn)移瘤一般多者可達(dá)十余個(gè)病灶，治療時(shí)間長(zhǎng)，患者中途可能需要多次休息而導(dǎo)致治療中斷，但ExacTrac系統(tǒng)可根據(jù)紅外線追蹤定位框上的6個(gè)標(biāo)記球進(jìn)行快速預(yù)擺位，準(zhǔn)確查找治療的等中心點(diǎn)，同時(shí)也可進(jìn)行分次外的治療，擺位方便快速而準(zhǔn)確。

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

4 結(jié)論

采用ExacTrac圖像引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)合六維床進(jìn)行SRS治療擺位可靠，其精度可達(dá)亞毫米級(jí)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(shí)間，降低患者受照射量，適合于臨床中要求高精度治療時(shí)使用。