射波刀追蹤系技術(shù)研究進展

胡斌，彭振軍

華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院 腫瘤中心，湖北 武漢 430022

射波刀追蹤系技術(shù)研究進展

胡斌，彭振軍

華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院 腫瘤中心，湖北 武漢 430022

射波刀全稱X射線立體定向放射外科治療系統(tǒng)，是新型的全身腫瘤放射治療設(shè)備，其核心技術(shù)是將“智能交互式機器人”和“影像導航技術(shù)”引用到放射治療領(lǐng)域，實時跟蹤患者體內(nèi)腫瘤的位置、正常器官的位置、運動變化位置等相關(guān)信息，在“四維影像導航技術(shù)”的定位下，能實現(xiàn)對腫瘤病灶的“實時跟蹤、精確定位、重點打擊”。射波刀在治療中具有分次劑量高、分次數(shù)少、生物劑量高等特點，但其要求設(shè)備必須具有很高的精度和穩(wěn)定性。射波刀追蹤技術(shù)的應(yīng)用是保證射波刀精確性的重要因素，本文對射波刀的追蹤技術(shù)，如六維顱骨追蹤系統(tǒng)、交叉視野脊柱追蹤系統(tǒng)、金標追蹤系統(tǒng)等追蹤技術(shù)的國內(nèi)外進展進行了綜述。

射波刀；追蹤技術(shù)；影像引導；治療精度；立體定向；肺部腫瘤

引言

1987年，美國斯坦福大學放射腫瘤學教授John R. Adler研制出射波刀[1-3]；1994年，世界上首臺射波刀于美國斯坦福大學醫(yī)學中心安裝并開始臨床應(yīng)用，主要用于治療頭部、頸部及脊柱上部的腫瘤；2001年，射波刀被FDA批準用于治療全身各部位的腫瘤[4]。射波刀已經(jīng)廣泛用于以下疾病的治療：顱腦及頸部腫瘤[5]、肺癌、胰腺癌[6-7]、肝癌[8]、前列腺癌[9]、脊髓腫瘤及脊髓其它疾病[10]、良性腫瘤及可放射治療的其它疾病[11]。其融合了緊湊型加速器、機械臂、影像系統(tǒng)、呼吸追蹤系統(tǒng)[12]。

相比常規(guī)加速器，射波刀具有非常高的精度，對于靜態(tài)目標，精度優(yōu)于0.95 mm；對于動態(tài)目標，精度優(yōu)于1.5 mm，改變以往以外部標記線為擺位參考，而以體內(nèi)標記為擺位和追蹤標記[13]。機械臂的引入使射波刀特別靈活，射束可以更有效地分散，然后高度聚焦到腫瘤上，射波刀通常采用3～5 次低分割照射，每次治療時間在20～40 min；在治療期間，影像系統(tǒng)會間隔一定的時間獲取一對正交影像，因此會增加患者的額外輻射劑量[14]。

我國引進的射波刀系統(tǒng)多為第3代（G3）或第4代（G4）射波刀產(chǎn)品。關(guān)佳恒等［15］報道了G3射波刀治療精度的驗證與分析中得到的關(guān)于G3數(shù)據(jù)，李玉等［16］報道了G4射波刀照射精度的驗證評價與第五代（VSI）進行比較，可見射波刀的精度一代比一代高。這三代射波刀精度都處于亞毫米級內(nèi)，對動態(tài)目標的治療精度＜1.5 mm，對固定目標的治療精度＜0.95 mm，可以很好的滿足放射治療的工作要求［17］。目前國內(nèi)已開始使用第六代產(chǎn)品，第六代射波刀系統(tǒng)與前五代主要不同為圓筒準直器改為多葉準直器，提高了靶區(qū)適形度，且機器人更靈活，射線覆蓋角度更廣。各種追蹤技術(shù)的應(yīng)用對于射波刀的高精度治療具有重要意義，下面對此進行綜述。

1 射波刀追蹤技術(shù)研究進展

1.1 六維顱骨追蹤系統(tǒng)

六維顱骨追蹤系統(tǒng)主要用于治療顱內(nèi)腫瘤，對于較小的顱內(nèi)疾病可達到良好的治療效果，F(xiàn)ariselli等［18］報道了33例三叉神經(jīng)痛患者使用射波刀治療的結(jié)果，除2例外均獲得了較好的療效。六維顱骨追蹤系統(tǒng)通過對比患者實時曝光產(chǎn)生顱骨位置實時的圖像和CT掃描重建生成數(shù)字重建影像（Digitally Reconstructed Radiography，DRR）的圖像，計算出6個自由度（3個平移和3個全局旋轉(zhuǎn)）的患者位移，如果這些數(shù)值在機械手可以校準的范圍內(nèi)，機械手會自動校準這些數(shù)據(jù)，然后發(fā)出射線束進行治療，從而實現(xiàn)6D-顱骨追蹤，跟蹤成像參數(shù)最好處在設(shè)定的閾值內(nèi)，主要考慮亮度增益和梯度增益等參數(shù)，由于曝光參數(shù)不同，誤差補償也不同，對于亞mm級誤差的射波刀立體定向放射治療平臺，影像追蹤曝光參數(shù)的選擇顯得更有必要，圖像引導系統(tǒng)額外吸收劑量評估有待研究，曝光參數(shù)不當，會影響跟蹤算法的準確性。

1.2 交叉視野脊柱追蹤系統(tǒng)

脊柱追蹤包括頸椎、胸椎、腰椎及骶尾骨病變，（Xsight Spine Tracking System，XSTS）常用于治療椎體旁腫瘤及骨轉(zhuǎn)移瘤，骨轉(zhuǎn)移瘤是引起患者劇烈癌痛的根源，同樣還會伴隨著神經(jīng)性的疼痛[18-20]。轉(zhuǎn)移性脊髓壓迫是癌癥的常見并發(fā)癥，通常以腫瘤急癥的方式呈現(xiàn)[21]。而對于骨轉(zhuǎn)移而言，放射治療尤其是立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）是非常重要的治療方式[22-23]。XSTS追蹤模式能夠?qū)崟r追蹤靶區(qū)部位的脊柱變化，它主要用于追蹤脊柱及周圍的病變，通過計算患者身體內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)的位移來工作。在治療計劃期間預(yù)先確定要追蹤的骨骼結(jié)構(gòu)，計劃時定義一個包含81個節(jié)點網(wǎng)格的感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）,在治療輸出期間，其通過監(jiān)視相對DRR影像中節(jié)點的實時X射線影像中ROI的節(jié)點位移，計算目標位移，治療計劃期間定義的ROI大小作為治療輸出期間的默認ROI大小，XSTS計算6個自由度的患者位移。在定位期間，計算的位移用于調(diào)整患者的位置，在治療輸出期間，治療機械手會自動調(diào)整加速器的位置，以對目標的平移和旋轉(zhuǎn)位移進行校正。它的視覺驗證必不可少，目測評估可確保其算法能夠正確的跟蹤骨骼結(jié)構(gòu)，跟蹤成像參數(shù)最好處于設(shè)定的閾值內(nèi)，其主要考慮X軸目標配對公差閾值（dxAB)、r軸目標配對公差閾值（drAB)、錯誤節(jié)點閾值、ROI高度、追蹤范圍等，否則會影響跟蹤算法的準確性。

1.3 金標追蹤系統(tǒng)

金標追蹤系統(tǒng)使用金標提取算法分析DRR和實時X射線影像以確定金標的位置。金標使用3個或更多金標可顯著改善定位的精度，推薦使用4～6個金標，放置金標應(yīng)符合以下要求：① 金標與金標之間的距離要大于2 cm；②金標與治療靶區(qū)的距離要小于5～6 cm；③ 金標不能在同一條直線上放置，這是指在患者獲取X射線影像中，在獲取右前斜位和左前斜位或在獲取右后前斜位和左后前斜位的X射線影像中，3個金標不在一條直線上；④ 在3個金標的任意組合之間應(yīng)采用至少15°的角度差異。

以上金標放置錯誤將會對腫瘤靶區(qū)和治療精度造成負面影響，還應(yīng)注意金標植入后，不應(yīng)立即進行CT掃描，應(yīng)根據(jù)不同植入部位組織，等金標與組織相對穩(wěn)定后再行CT掃描。在金標追蹤模式中，要改善DRR和實時X射線影像質(zhì)量，主要是減少背景噪聲信息，然后在提取DRR影像中參考金標周圍的區(qū)域，并將它與相應(yīng)實時X射線影像相關(guān)聯(lián)。金標提取成像和算法參數(shù)，要注意剛體誤差閾值、金標間隔閾值、共線性閾值、dxAB、跟蹤范圍等都應(yīng)在特定閾值范圍內(nèi)，改變以上參數(shù)可能會導致計算錯誤。Mallarajapatna等[24]研究報道，122例患者中有14例（11.5%）發(fā)生金標移位，也有其他研究報道了金標發(fā)生移位從而影響患者定位和治療的精度的情況[25]。

1.4 Synchrony呼吸追蹤系統(tǒng)

Synchrony呼吸追蹤系統(tǒng)主要用于受人體呼吸影響而運動的腫瘤靶區(qū)治療，其方法是將目標移動與患者的呼吸移動相關(guān)聯(lián)，建立Synchrony模型，并將輸出射束與目標移動同步的一種治療方法，對目標的移動進行跟蹤和補償，可與金標、脊柱追蹤等方法聯(lián)合使用。Synchrony模型使用一種預(yù)測算法來預(yù)測目標的位置，它將確定的位置傳送給機械手，從而使治療機械手能夠與目標同步移動，常用于運動的靶區(qū)，如肺、肝等器官病變，通過呼吸模型修正加速器照射方向，以實現(xiàn)靶區(qū)的同步照射[26-27]。肝臟腫瘤由于是軟組織腫瘤，同時受肺部呼吸動度和自身運動的影響，在追蹤時需要采用Synchrony呼吸追蹤。

1.5 交叉視野肺部追蹤系統(tǒng)

交叉視野肺部追蹤系統(tǒng)只用于跟蹤治療肺部病變部位腫瘤，無需植入金標，直接選取肺部腫瘤的輪廓代替植入的金標，把腫瘤當作標記物進行追蹤。正式治療時開啟呼吸追蹤軟件系統(tǒng)，追蹤體表紅光標記點的運動，X線同步拍攝肺部影像，采集到8個拍攝點,模擬出呼吸運動曲線，建立紅光標記點與肺部腫瘤的對應(yīng)關(guān)系，指導機械手臂控制射束隨患者的呼吸對腫瘤作同步移動治療。交叉視野肺部追蹤系統(tǒng)肺部成像的參數(shù)要考慮目標dxAB和drAB閾值、不確定性閾值、跟蹤的范圍、實時影像對比系數(shù)等處于閾值范圍內(nèi)，保證計算的準確性。其在滿足以下3點的情況下，可以不使用金標精確追蹤肺部腫瘤：① 腫瘤的直徑在任何方向上都大于1.5 cm；② 腫瘤位于肺部周圍區(qū)域；③ 腫瘤的密度相對較大。

1.6 肺部優(yōu)化治療

肺部優(yōu)化治療是將交叉視野脊柱追蹤系統(tǒng)與0-視圖（0-view）、1-視圖（1-view）結(jié)合實現(xiàn)肺部病變的照射，無需植入金標即可進行跟蹤。1-view追蹤可以與Synchrony呼吸追蹤系統(tǒng)配合使用，追蹤因患者呼吸而導致靶區(qū)移動的腫瘤。0-view與1-view直接決定照射的體積，1-view相對0-view照射體積小，因此對正常組織保護較好。肺部優(yōu)化治療采取0-view時，靶區(qū)體積包括臨床靶區(qū)體積及腫瘤位置運動中所有的內(nèi)部邊界，當上述靶區(qū)體積基于臨床靶區(qū)體積并由醫(yī)生勾畫時，內(nèi)部靶區(qū)追蹤體積基于靶區(qū)追蹤體積并通常在模擬計劃的創(chuàng)建期間由物理師或劑量師勾畫。在選擇1-view追蹤時，且治療計劃是基于模擬計劃的個案治療過程中，內(nèi)部靶區(qū)追蹤體積的投影重疊顯示在未追蹤的實時X射線影像中。2-view常直接用于交叉視野肺部追蹤系統(tǒng)技術(shù)，只用于治療肺部跟蹤病變部位腫瘤，通常與Synchrony呼吸追蹤系統(tǒng)配合使用。肺部追蹤系統(tǒng)可以精確的追蹤肺部腫瘤而不使用金標，需滿足以下3點：① 腫瘤的直徑在任何方向上都大于1.5 cm；② 腫瘤位于肺部的周圍區(qū)域；③ 腫瘤的密度相對較大。其肺部成像的參數(shù)要考慮目標dxAB和drAB閾值、不確定性閾值、跟蹤的范圍、實時影像對比系數(shù)等處于閾值范圍內(nèi)，保證計算的準確性。

2 討論

射波刀作為一種精確的放射外科手段，在治療腫瘤的徹底性、治療過程的安全性、功能器官的保存性及以復發(fā)后的再治等方面都具有很高的優(yōu)勢。使用射波刀治療早期腫瘤，生存率與手術(shù)等效，改變了唯手術(shù)治癌的認知，開創(chuàng)了放射治癌的新時代。采用大劑量治療，可使腫瘤細胞消融壞死、周圍血管內(nèi)膜損傷、腫瘤抗原暴露激活免疫，發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢特點，可以為更多的腫瘤患者服務(wù)。

醫(yī)療儀器設(shè)備越精確，在實際使用及操作中就越會遇到各種各樣的問題，射波刀作為一種高精度醫(yī)療設(shè)備在使用過程中可能出現(xiàn)亮度錯誤、配準圖像失敗、X軸配對公差目標錯誤、找不到金標、治療中呼吸模型丟失、治療意外中斷等出現(xiàn)問題等。因此，如何快速找到問題解決方案、提高設(shè)備精度的質(zhì)量、保證使用金標的風險、選擇臨床適應(yīng)癥及并發(fā)癥的預(yù)防等，都是需解決的問題。射波刀各種追蹤技術(shù)對于不同部位腫瘤的治療，如顱內(nèi)、肺、肝、胰腺、腎臟及腎上腺、椎體及椎體旁腫瘤、前列腺、腹膜后等部位的原發(fā)或轉(zhuǎn)移腫瘤都具有重要意義。目前國內(nèi)使用最多的第五代射波刀與前幾代相比具有更高的輸出劑量率，配置的自動準直器系統(tǒng)等多項新技術(shù)顯著提高了照射的準確性和穩(wěn)定性及更短的照射時間，提高了工作效率，減少了治療時間，

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本文編輯 劉峰

Research Progress of Cyberknife Tracking Technology

HU Bin, PENG Zhen-jun
Cancer Center, Wuhan Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Hubei 430022, China

The full name of cyberknife is X-ray stereotactic radiosurgery treatment system, which is a new type of radiotherapy equipment for whole body tumor treatment. By combining “intelligent interactive robot” with “image navigation technology”, it can collect and analyze the position data of tumor and normal organ as well as data of corresponding movement. With the location of fourdimensional imaging navigation technology, it can realize real-time tracking, precise-positioning and high-level irradiation of cancer disease. Cyberknife has the characteristics of high fractional dose, few fractional time and high biological dose, while it requires very high accuracy and stability of equipment. Cyberknife tracking technology is the key factor to ensure its accuracy. This article reviewed the research progress of domestic and overseas cyberknife tracking technologies including six-dimensional skull tracking technology, X-sight spine tracking system, gold mark tracking system, etc.

cyberknife; tracking technology; image-guidance; treatment accuracy; stereotactic; lung cancer

TH774；R730.5

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.02.027

1674-1633(2017)02-0100-04

2016-03-21

2016-03-24

作者郵箱：23012406@qq.com