射波刀脊柱追蹤系統(tǒng)胸椎追蹤定位問題的分析

趙瑞，李中華，王震岳，陳國梁，張奮進(jìn)

蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院 a.放療科；b.放射科，甘肅 蘭州 730050

射波刀脊柱追蹤系統(tǒng)胸椎追蹤定位問題的分析

趙瑞a，李中華b，王震岳a，陳國梁a，張奮進(jìn)a

蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院 a.放療科；b.放射科，甘肅 蘭州 730050

本文介紹了射波刀脊柱追蹤系統(tǒng)的工作原理，分析了胸椎追蹤定位中存在的典型問題并提出了有效地解決辦法，指出在治療計(jì)劃制定和執(zhí)行過程中合理選取CT中心位置和感興趣區(qū)域?qū)τ谔岣呱洳ǖ兜闹委熅仁种匾?/p>

射波刀；立體定向放射外科；脊柱追蹤系統(tǒng)；感興趣區(qū)域

0 前言

射波刀（Cyberknife）是一種新型的全身腫瘤立體定向放射外科治療設(shè)備[1]。射波刀脊柱追蹤系統(tǒng)（Spine Tracking System）主要用于位于脊柱周圍，相對(duì)靜止不動(dòng)的腫瘤的追蹤治療，工作原理為：將靠近靶區(qū)的脊椎作為治療時(shí)的擺位基準(zhǔn)，在治療計(jì)劃期間預(yù)先在數(shù)字重建影像（Digital Reconstructed Radiograph，DRR）上定義9行9列共81個(gè)節(jié)點(diǎn)的脊柱骨骼網(wǎng)格（Skeletal Mesh）；治療前擺好患者體位，由靶區(qū)定位系統(tǒng)拍攝實(shí)時(shí)脊柱X射線影像，由計(jì)算機(jī)識(shí)別出實(shí)時(shí)X射線影像的相應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)比對(duì)獲得靶區(qū)（或腫瘤）的平移與旋轉(zhuǎn)誤差；在治療時(shí)，射波刀機(jī)械手根據(jù)靶區(qū)位置的實(shí)時(shí)誤差調(diào)整加速器射束位置，對(duì)患者的平移和旋轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動(dòng)的修正補(bǔ)償，保證治療位置的準(zhǔn)確性[2-5]。射波刀脊柱追蹤系統(tǒng)可以追蹤整個(gè)脊柱區(qū)域內(nèi)如頸椎、胸椎、腰椎和骶椎等的骨性結(jié)構(gòu)，常規(guī)調(diào)整實(shí)時(shí)影像的X線參數(shù)、對(duì)比度以及脊柱追蹤范圍參數(shù)[6]。大部分病例的定位和治療比較容易，但一些病例受諸多不確定因素的影響，其脊柱追蹤存在定位困難的問題。本文主要對(duì)Xsight? Spine追蹤系統(tǒng)胸椎中下段追蹤存在的典型問題進(jìn)行分析和討論。

1 胸椎中下段追蹤定位問題

（1）旋轉(zhuǎn)誤差不可調(diào)。表現(xiàn)為：定位過程中，射波刀治療執(zhí)行終端始終提示患者治療位置超范圍，不論患者如何調(diào)整，均不能達(dá)到正常范圍。主要表現(xiàn)為患者位置的左右旋轉(zhuǎn)角度誤差不可調(diào)，見圖1。

（2）dxAB、drAB超范圍，dxAB為射波刀靶區(qū)定位A、B影像成像中心的上/下平移之間的絕對(duì)差異的最大允許值；drAB為射波刀靶區(qū)定位A、B影像中左右旋轉(zhuǎn)角度之間的絕對(duì)差異的最大允許值。表現(xiàn)為：患者治療位置可調(diào)整至正常范圍，但在定位時(shí)或者治療中，dxAB、drAB錯(cuò)誤頻繁出現(xiàn)，且無需調(diào)整患者位置，經(jīng)再次或多次獲取定位圖像后dxAB、drAB錯(cuò)誤消失，又可行正常定位或治療。

圖1 左右旋轉(zhuǎn)角度誤差調(diào)整異常

2 問題分析與處理

（1）旋轉(zhuǎn)誤差不可調(diào)的分析與處理。問題分析：由脊柱追蹤原理知，脊柱追蹤以DRR圖像為參照，依靠DRR圖像骨骼網(wǎng)格所在的影像特征與實(shí)時(shí)X射線影像的配準(zhǔn)和比對(duì)，獲得靶區(qū)的平移與旋轉(zhuǎn)誤差。為最大限度地提高影像配準(zhǔn)和腫瘤治療的精度，治療計(jì)劃要求CT中心[7]應(yīng)選擇在腫瘤靶區(qū)周圍5 cm范圍內(nèi)，且影像定位中心區(qū)域應(yīng)覆蓋豐富的骨骼結(jié)構(gòu)；同時(shí)要求脊柱感興趣區(qū)域[8]（Region of Interest，ROI），即9行9列骨骼網(wǎng)格能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)影像定位中心區(qū)域骨骼結(jié)構(gòu)的最佳覆蓋。因此，考慮左右旋轉(zhuǎn)誤差的不可調(diào)是ROI骨骼結(jié)構(gòu)不夠豐富所致。

問題處理：從操作方便方面考慮，首先調(diào)整ROI大小，使骨骼網(wǎng)格充分覆蓋脊柱骨性結(jié)構(gòu)，然后重新對(duì)患者進(jìn)行定位，部分病例問題解決；對(duì)于其他病例，考慮是影像定位中心的選擇不理想，進(jìn)而導(dǎo)致ROI骨骼結(jié)構(gòu)不豐富，經(jīng)重新選擇和調(diào)整CT中心和ROI，全部病例問題得以解決。

（2）dxAB、drAB超范圍的分析與處理。問題分析：射波刀系統(tǒng)對(duì)CT中心識(shí)別不當(dāng)可致dxAB超范圍；射波刀系統(tǒng)對(duì)ROI識(shí)別不當(dāng)也可致患者左右旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生較大變化從而出現(xiàn)超范圍。另外，dxAB、drAB出錯(cuò)后無需重新調(diào)整患者位置，經(jīng)再次或多次獲取定位圖像又能恢復(fù)正常，表明在重新獲取定位圖像時(shí)患者身體可能出現(xiàn)不經(jīng)易的微動(dòng)，DRR脊柱圖像骨骼網(wǎng)格與實(shí)時(shí)X射線影像實(shí)現(xiàn)了較好的配準(zhǔn)和比對(duì)。因此考慮，dxAB、drAB超范圍極有可能還是因CT中心或ROI設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致ROI骨骼特殊結(jié)構(gòu)不夠豐富所致。

問題處理：重新調(diào)整ROI高度和/或CT中心，問題同樣得到解決。

3 討論

治療計(jì)劃系統(tǒng)確定的CT中心是指治療床上方兩側(cè)X射線球管交叉成像的交界點(diǎn)，同時(shí)也是DRR圖像中心，代表了射波刀治療時(shí)的擺位中心[7]。脊柱ROI是實(shí)際治療時(shí)用于脊柱追蹤的骨骼結(jié)構(gòu)區(qū)域，等同于覆蓋于DRR脊柱圖像上的9行9列的骨骼網(wǎng)格。CT中心決定ROI的位置，CT中心亦即ROI中心。ROI的大小可通過其高度按照3:2寬高比進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)默認(rèn)值為60 mm，可調(diào)整范圍為40～100 mm，系統(tǒng)以調(diào)整后的最終高度值作為默認(rèn)高度。ROI高度若過大，其包含的背景區(qū)域就會(huì)過大，脊柱追蹤算法會(huì)掃描更大的區(qū)域，這會(huì)降低脊柱追蹤算法的運(yùn)算速度，增加錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)百分率；ROI高度若過小，則不會(huì)充分覆蓋相關(guān)的骨骼結(jié)構(gòu)，會(huì)漏掉有助于實(shí)現(xiàn)最佳配準(zhǔn)的相關(guān)信息。CT中心和/或ROI選擇不當(dāng)，若無人工正確的識(shí)別與干預(yù)，還會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的定位結(jié)果，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的治療錯(cuò)誤。

胸段脊柱中下段處于肝臟、膈肌、心臟底部的密度較高組織的包圍之中，肝臟、膈肌、心臟底部位于脊柱兩側(cè)的高度明顯不一。那么，脊柱追蹤定位是否會(huì)受這些密度較高器官的影響呢？胸段脊柱中下段追蹤定位問題主要表現(xiàn)為患者左右旋轉(zhuǎn)角度不可調(diào)，筆者設(shè)計(jì)的脊柱追蹤影像干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明X線影像骨骼網(wǎng)格錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)百分率隨一側(cè)較高密度物質(zhì)厚度的增加而增加，但不會(huì)影響左右旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)整，亦不會(huì)出現(xiàn)dxAB、drAB錯(cuò)誤問題，因此胸段脊柱中下段追蹤定位并不受密度較高器官的影響。

胸椎中下段椎體具有較高的相似性，脊柱由椎體和椎體附件組成，椎體近似于圓柱，若CT中心置于近椎體中心且ROI僅包括椎體部分，或者包括的部分椎體附件對(duì)影像密度影響甚小，那么對(duì)于用于脊柱追蹤定位的骨骼網(wǎng)格來說，脊椎定位影像則會(huì)缺乏可供辨別的特征影像，這可能也是造成脊柱追蹤定位困難的一個(gè)原因。當(dāng)較多的椎體附件參與到脊椎定位影像當(dāng)中時(shí)，才有可能獲得明顯的骨骼影像特征，這也從另一方面說明選擇適合的ROI大小和CT中心的必要和重要性。

總之，胸椎中下段追蹤定位問題的出現(xiàn)與CT中心和ROI大小密切相關(guān)，合理選取CT中心和ROI以實(shí)現(xiàn)骨骼網(wǎng)格對(duì)脊柱骨性結(jié)構(gòu)的充分覆蓋，使更多可用和豐富的骨性結(jié)構(gòu)應(yīng)用于脊柱追蹤的定位和比對(duì)，在治療計(jì)劃制定和執(zhí)行中十分重要?；谛刈抵邢露巫粉櫠ㄎ粏栴}的考慮，建議對(duì)該部位治療時(shí)均應(yīng)鑒別左右旋轉(zhuǎn)角度的真實(shí)性，以最大程度地提高射波刀治療的準(zhǔn)確和精確性。

[1] 陳光耀．CyherKnife放射外科治療規(guī)范[M]．上海:學(xué)林出版社, 2008:23-30．[2] 韓俊慶,畢迎惠,盛威,等．CyberKnife放射治療腫瘤的臨床研究[J]．中國腫瘤臨床,2007,34(5):297-300．

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Analysis of Problems Exsiting in the Tracking and Positioning Process of Thoracic Vertebrae with Cyberknife Spine Tracking System

ZHAO Ruia, LI Zhong-huab, WANG Zhen-yuea, CHEN Guo-lianga, ZHANG Fen-jina
a.Department of Radiotherapy; b.Department of Radiology, The General Hospital of Lanzhou Military Area Command of PLA, Lanzhou Gansu 730050, China

This paper introduced the working principle of Cyberknife spine tracking system and analyzed the typical problems exsited in the tracking and positioning process of thoracic vertebrae by using the spine tracking system. Then corresponding solutions of the problems were proposed. This paper also pointed out that the reasonable selection of CT central position and region of interest was important for the improvement of the treatment accuracy of Cyberknife during the formulation and implementation processes of treatment plans.

Cyberknife; stereotactic radiosurgery; spine tracking system; region of interest

TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.07.043

1674-1633(2014)07-0116-02

2013-12-11

2014-01-20

本文作者：趙瑞，副主任技師。

李中華，主管技師。

作者郵箱：lzhaoye@sina．com