不同X線球管曝光參數(shù)和金標(biāo)數(shù)量對射波刀立體定向放療中金標(biāo)追蹤精度的影響

北京大學(xué)第三醫(yī)院 腫瘤放療科，北京 100191

引言

射波刀（Accuray，Inc.，Sunnyvale，CA，美國）端到端的精度可達亞毫米級別[1-2]，為了確保影像追蹤系統(tǒng)的精度，安科銳公司建議使用對準(zhǔn)質(zhì)量保證（Alignment Quality Assurance，AQA）模體對射波刀系統(tǒng)進行每日測試。X線球管成像參數(shù)和金標(biāo)追蹤數(shù)目是決定AQA測試中影像追蹤精度的重要因素[3]，由于AQA測試采用的是固定參數(shù)，與實際治療情況相差較大，因此質(zhì)控結(jié)果過于理想化。AAPM TG-135報告推薦[4]，在非理想情況下對加速器的評估是也非常重要的。然而，目前針對射波刀非理想條件下驗證影像追蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性的相關(guān)研究較少。因此，本研究旨在采用標(biāo)準(zhǔn)及特定的X線球管曝光參數(shù)和不同金標(biāo)數(shù)量（2、3、4顆）的情況下進行AQA測試，驗證X線球管成像參數(shù)與金標(biāo)數(shù)對靶目標(biāo)追蹤總位置精度誤差、可信度以及剛性誤差的影響。通過分析上述條件下的質(zhì)控測試數(shù)據(jù)，幫助我們設(shè)計出更好的質(zhì)控策略，為患者提供最佳治療。

1 材料和方法

1.1 添加額外固體水

AQA體模尺寸（5 cm×5 cm×5 cm）比實際患者體厚小，為了模擬更真實的患者治療狀況，額外添加了固體水用于衰減成像（圖1）。本研究選擇PTW RW3模體進行加厚AQA模體，沿著X射線束的路徑（0°與90°方向）分別在AQA模體上下、左右方向各增加5 cm厚的固體水以提供建成與背散（圖2）。

圖1 AQA模體與膠片

圖2 沿著X射線束的路徑（0與90°方向）加厚AQA模體5 cm

1.2 設(shè)置人為擺位誤差

射波刀治療過程中，基于實時影像追蹤系統(tǒng)，能夠不間斷地追蹤靶目標(biāo)，通過修正機械手臂位置實現(xiàn)精準(zhǔn)打靶，修正范圍在平移方向與角度旋轉(zhuǎn)最多可達10 mm與1.0°。本研究依據(jù)TLS算法，按照4顆金標(biāo)追蹤將實時影像與AQA計劃的數(shù)字重建放射影像（Digitally Reconstructured Radiograph，DRR）進行配準(zhǔn)，使用手控盒利用射波刀治療床控制系統(tǒng)將左右（x方向）、上下（y方向）和前后（z方向）方向按照要求使位移偏差分別達到10 mm，俯仰、傾斜和旋轉(zhuǎn)角度分別為1.0°。

1.3 設(shè)置追蹤參數(shù)

選擇標(biāo)準(zhǔn)X線球管成像參數(shù)（管電壓60 kV、管電流50 mA、曝光時間50 ms）與患者治療時常用的X線球管成像參數(shù)（管電壓100 kV、管電流100 mA、曝光時間100 ms），分別使用2、3、4顆金標(biāo)實施追蹤，進行AQA測試。

1.4 測量與記錄

使用TLS算法對模體進行成像，在確認(rèn)射波刀已顯示校正參數(shù)后，實施照射，同時記錄目標(biāo)追蹤可信度與剛性誤差。使用EPSON Perfection 11000XL掃描儀掃描投照后的GafChromic EBT2膠片，利用AQA分析軟件讀取總位置精度誤差，每組連續(xù)重復(fù)測量6次。

1.5 追蹤準(zhǔn)確性評價

DRR影像與實時影像配準(zhǔn)過程中，對于影響目標(biāo)追蹤準(zhǔn)確性，需要特別關(guān)注的兩項參數(shù)為可信度及剛性誤差?？尚哦龋ㄩ撝禐?0%）決定系統(tǒng)追蹤目標(biāo)可接受的最小置信水平。盡管用戶無法調(diào)節(jié)，但置信度閾值在用戶的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)（＜70%），該參數(shù)可以防止系統(tǒng)因圖像噪聲過大而無法執(zhí)行計劃，與X射線圖像質(zhì)量相關(guān)。剛性誤差（閾值為1.5 mm）用于提示實時影像與DRR影像中金標(biāo)的相對形變誤差。TSL算法是基于追蹤標(biāo)志物的灰度進行定位，只有在高質(zhì)量的成像條件下，才能更精確地實現(xiàn)追蹤[5-6]。這兩項參數(shù)均與影像追蹤系統(tǒng)的精度密切相關(guān)。

1.6 統(tǒng)計學(xué)方法

在標(biāo)準(zhǔn)與特定兩種X線球管曝光參數(shù)和不同金標(biāo)數(shù)量（2、3、4）雙變量因素條件下，進行AQA檢測，并記錄總位置精度誤差、可信度、剛性誤差三項參數(shù)。使用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，正態(tài)分布的計量資料采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。采用雙因素?zé)o重復(fù)試驗方差分析方法評價不同測試條件對AQA總位置精度誤差、可信度、剛性誤差的影響，組間兩兩比較采用LSD方法。檢驗水平a=0.01，P＜0.01表明差異存在統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 總位置精度誤差

如表1所示，增加建成與背散的固體水后，當(dāng)X線球管成像參數(shù)一致時，3、4顆金標(biāo)的總位置精度誤差明顯小于2顆金標(biāo)，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001）。兩兩比較，3顆與4顆金標(biāo)間的總位置精度誤差沒有顯著性差異。當(dāng)追蹤金標(biāo)數(shù)目一致時，3、4顆金標(biāo)的總位置精度誤差隨著X線球管成像條件的升高而降低，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001）。但是，只追蹤2顆金標(biāo)時，隨X線球管成像條件的升高，雖然平均總位置精度誤差均值有所降低，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.037）。

表1 兩種X線球管成像參數(shù)在2、3、4顆金標(biāo)追蹤條件下AQA測試總位置精度誤差的比較

2.2 目標(biāo)追蹤可信度

如表2所示，當(dāng)X線球管成像參數(shù)一致時，2、3、4顆金標(biāo)的目標(biāo)追蹤可信度差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義。相比于特定球管成像條件，選擇標(biāo)準(zhǔn)球管成像條件的目標(biāo)追蹤可信度均無法達到40%以下的追蹤要求。當(dāng)追蹤金標(biāo)數(shù)目一致時，隨著X線球管成像參數(shù)升高，目標(biāo)追蹤可信度數(shù)值顯著降低，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001）。

表2 兩種X線球管成像參數(shù)在2、3、4顆金標(biāo)追蹤條件下目標(biāo)追蹤可信度的比較（%）

2.3 剛性誤差

如表3所示，當(dāng)X線球管成像參數(shù)一致時，無論采用標(biāo)準(zhǔn)成像條件還是特定成像條件，3、4顆金標(biāo)都比2顆金標(biāo)的剛性誤差大，差異存在統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01）。當(dāng)追蹤金標(biāo)數(shù)目一致時，隨著X線球管成像參數(shù)升高，追蹤剛性誤差顯著降低，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001）。

表3 兩種X線球管成像參數(shù)在2、3、4顆金標(biāo)追蹤條件下剛性誤差的比較

3 討論

射波刀作為立體定向放射治療技術(shù)的專用設(shè)備，基于實時影像追蹤系統(tǒng)，在治療過程中能不間斷地追蹤靶目標(biāo)，并通過自動修正機械手臂位置，實現(xiàn)精準(zhǔn)打靶[7-8]。為確保治療準(zhǔn)確性，通過日常全面的AQA檢測對加速器正常運行的相關(guān)參數(shù)進行持續(xù)量化是非常重要的[9]。但是，常規(guī)AQA標(biāo)準(zhǔn)測試條件與實際治療差別較大。為了更接近常規(guī)治療情況，本研究通過增加模體厚度并有意引入人為擺位誤差，驗證特定條件下，X線球管成像條件與金標(biāo)追蹤數(shù)量對AQA測試結(jié)果的影響。

結(jié)果顯示，2顆金標(biāo)因缺乏旋轉(zhuǎn)修正，總位置精度誤差比3、4顆金標(biāo)顯著增加；4顆金標(biāo)的總位置精度誤差最小，說明4 個金標(biāo)為基準(zhǔn)進行追蹤時，對平移和旋轉(zhuǎn)誤差修正貢獻最大，該結(jié)論與已發(fā)表的研究結(jié)果一致[10-11]。相比于之前的研究，本研究同時評估了剛性誤差與追蹤可信度，結(jié)果表明減少金標(biāo)數(shù)量（＜3顆）會導(dǎo)致TLS算法對追蹤目標(biāo)的限制降低[12-13]。因此，使用有限的信息追蹤靶目標(biāo)，即便算法給出的可信度和剛性誤差能夠滿足測試要求，但實際執(zhí)行中射波刀并沒有實現(xiàn)準(zhǔn)確的位置修正，這時TLS算法的修正值是需要懷疑的。為保證使用金標(biāo)能很好的提高射波刀治療精確度，從而達到更好的治療效果，在日常射波刀金標(biāo)追蹤治療中，應(yīng)盡可能按照金標(biāo)植入原則，植入4～6顆金標(biāo)。

本研究發(fā)現(xiàn)，增加模體厚度后，若采用標(biāo)準(zhǔn)X線球管成像條件，AQA測試的總位置精度誤差明顯增大，同時追蹤可信度與剛性誤差也有所增加。有研究表明，X線球管管電壓、管電流與圖像質(zhì)量相關(guān)，隨著管電壓、管電流的減少，圖像對比度、信噪比降低[13-14]。在X線球管較低的曝光條件下，圖像質(zhì)量下降，不足以提供必要的成像細節(jié)與灰度，這導(dǎo)致TLS算法對靶目標(biāo)追蹤能力產(chǎn)生較大影響，即使系統(tǒng)顯示可以實現(xiàn)金標(biāo)追蹤并執(zhí)行AQA測試，但是追蹤精度變得相當(dāng)不穩(wěn)定。然而X線球管曝光參數(shù)選擇過高，會增加患者不必要的劑量。已有研究表明，不同患者、不同部位，以金標(biāo)為基準(zhǔn)的追蹤方式，X線球管曝光條件是有所變化的[15-16]，因此采用適合的X線球管成像參數(shù)也是實現(xiàn)目標(biāo)追蹤精確地重要因素。

4 結(jié)論

特定條件下，金標(biāo)追蹤數(shù)目與X線球管成像參數(shù)是實現(xiàn)精準(zhǔn)擺位與追蹤的重要因素，正確設(shè)置成像參數(shù)和追蹤金標(biāo)數(shù)目，即使人為引入擺位誤差10.0 mm和1.0°，射波刀也能夠始終如一地保持亞毫米的追蹤精度。