射波刀脊柱追蹤定位誤差異常原因探討

趙 瑞，張奮進，王震岳，陸 軍，李 莎

（聯(lián)勤保障部隊第940醫(yī)院放療科，蘭州 730050）

0 引言

射波刀是一種新型全身腫瘤立體定向放射外科治療設(shè)備[1]。射波刀脊柱追蹤通過實時X線影像與放療計劃系統(tǒng)重建產(chǎn)生的數(shù)字重建放射影像（digital reconstructed radiography，DRR）對比計算患者六維方向校準誤差，可對靠近脊柱的腫瘤進行精確放療[2-3]，其無需植入金標就能精確定位，并可用于肺追蹤、金標追蹤輔助定位，因此在射波刀影像引導放療中得到廣泛應用。臨床實踐中，絕大多數(shù)患者脊柱追蹤定位誤差變化穩(wěn)定，而極少數(shù)患者定位誤差變化異常，主要表現(xiàn)為三維旋轉(zhuǎn)中的ROLL L/R誤差不可控或無法預判。在脊柱追蹤放療計劃制訂時，為獲得清晰的脊柱DRR影像以方便圖像比對，可選擇性對脊柱影像進行分割，生成DRR脊柱分割影像。脊柱未分割時，DRR完整影像參與脊柱追蹤算法計算；脊柱分割后，DRR脊柱分割影像是否參與脊柱追蹤算法的計算，在射波刀使用指南中并未說明。因此，本文采用LTT Dynamic Phantom體模和臨床病例研究并驗證脊柱分割在脊柱追蹤定位中的作用，探究引起脊柱追蹤定位異常的原因。

1 資料與方法

1.1 病例資料及處理方法

病例資料：選取2016年10月至2017年6月在我院行脊柱追蹤治療的患者共211例，其中16例出現(xiàn)脊柱追蹤定位異常，追蹤部位分別為中上段胸椎（4例）、中下段胸椎（9例）、胸腰椎（2例）、腰椎（1例）。處理方法：對定位異常的患者放療計劃保持治療中心不變，分別添加或去除DRR脊柱分割影像，重新制訂放療計劃，重新擺位、定位，觀察定位誤差的變化。

1.2 定位異常判斷標準

排除脊柱追蹤患者自身移動因素，若三維體位旋轉(zhuǎn)誤差可通過調(diào)整得到糾正及調(diào)整變化預期值為0.1～1°，則判定為定位正常；若三維體位旋轉(zhuǎn)誤差無法通過調(diào)整得到糾正，或者調(diào)整變化預期值＞1°，則判定為定位異常。

1.3 實驗器材

美國Accuray公司G4射波刀，放療計劃系統(tǒng)MultePlan 4.0，放療計劃執(zhí)行系統(tǒng)CyberKnife 9.0，美國CIRS公司LTT Dynamic Phantom體模。

1.4 體模計劃制訂

根據(jù)體模預訂曝光條件，行常規(guī)CT掃描，層厚1.5 mm；制訂脊柱無分割放療計劃，感興趣區(qū)（region of interest，ROI）高度采用默認 60 mm，保存計劃名稱為LTT0；制訂脊柱有分割放療計劃，自治療中心頭側(cè)端第30 CT層面開始，依次間隔10個CT層面向腳側(cè)端遞增，直至第90 CT層面，ROI高度默認60 mm，制訂ROI中不同長度脊柱分割計劃，分別保存放療計劃LTT1～LTT7；將體模放療計劃發(fā)送至射波刀數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1.5 體模計劃實驗

擺位體模，打開體模治療計劃LTT0，使用默認脊柱追蹤參數(shù)條件，調(diào)整治療床，進行體模體位預置，定位誤差盡量調(diào)整至0 mm/0°；保持體模及治療床位置固定不變，依次打開放療計劃LTT1～LLT7，均使用默認脊柱追蹤參數(shù)條件，對體模實時X線曝光定位；根據(jù)定位日志，記錄脊柱追蹤錯誤節(jié)點百分比。

2 結(jié)果

2.1 體模預置結(jié)果

體模六維誤差分別為RIGHT0.0mm、SUP0.0mm、ANT 0.0 mm、ROLL L 0.1°、HEAD D 0.0°、CCW 0.2°。

2.2 體模脊柱追蹤定位分析

ROI中脊柱長度以15 mm為標準，由90 mm依次遞減為0 mm時，脊柱追蹤錯誤節(jié)點百分比分別為8%、14%、24%、49%、63%、79%、91%，如圖1所示?？梢钥闯?，ROI中脊柱長度與脊柱錯誤節(jié)點呈負相關(guān)，脊柱錯誤節(jié)點隨著脊柱長度逐漸增加呈逐漸減少的趨勢。

圖1 錯誤節(jié)點百分比與脊柱長度的關(guān)系

2.3 病例驗證結(jié)果

16例定位異?；颊咧?，4例中上段胸椎、2例胸腰椎和1例腰椎追蹤患者脊柱未分割，增加脊柱分割影像后定位正常；9例中下段胸椎追蹤患者進行了脊柱影像分割，去除脊柱分割影像后，1例患者因治療中心距椎間隙過近再次出現(xiàn)ROLL L/R旋轉(zhuǎn)異常，經(jīng)定位中心微移后，全部患者脊柱追蹤定位正常。

3 討論

為確保射波刀脊柱影像追蹤準確性，脊柱追蹤定義了9行9列共81個覆蓋于脊柱的網(wǎng)格（即mesh網(wǎng)格）節(jié)點，根據(jù)實時X線影像網(wǎng)格節(jié)點相對于DRR影像網(wǎng)格節(jié)點位置變化，計算患者體位平移及旋轉(zhuǎn)定位數(shù)據(jù)[4-5]。脊柱追蹤ROI指制訂放療計劃時確定的鄰近腫瘤用于影像追蹤的脊柱骨骼結(jié)構(gòu)，其等同于9行9列骨骼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。錯誤節(jié)點指脊柱追蹤定位時實時脊椎X線影像網(wǎng)格節(jié)點在DRR影像骨骼網(wǎng)格中無法找到關(guān)聯(lián)的節(jié)點。因此，脊柱影像分割后，改變DRR脊柱分割影像在ROI中脊柱的長度，若發(fā)現(xiàn)錯誤節(jié)點隨脊柱長度改變發(fā)生了相應變化，可判斷脊柱分割影像參與了脊柱追蹤算法。射波刀治療系統(tǒng)中，脊柱追蹤ROI網(wǎng)格寬高比定義為3∶2，當ROI高度為60 mm時，ROI寬度為90 mm，即ROI實際用于脊柱追蹤時脊柱長度為90 mm（包含3～4個椎體）。

脊柱追蹤錯誤節(jié)點越少，脊柱追蹤算法所計算的定位誤差數(shù)值可信度越高。為保證脊柱追蹤治療定位誤差的可信度，射波刀定位系統(tǒng)（target locating system，TLS）對脊柱追蹤錯誤節(jié)點百分數(shù)值進行了限定，當超出限定閾值（默認50%）時，TLS對患者定位誤差不再進行計算。本研究中采用縮短ROI中脊柱長度的方法進行錯誤節(jié)點數(shù)據(jù)驗證，發(fā)現(xiàn)其錯誤節(jié)點隨ROI中脊柱長度的增加明顯減少，其定位誤差數(shù)值可信度也在逐漸降低（第4次定位時，誤差已無法計算），導致脊柱追蹤算法的可靠性降低乃至不可信，因此實驗未對脊柱追蹤定位誤差進行統(tǒng)計。LTT Dynamic Phantom體模的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)固定，無法反映人體組織器官的微小變化及隨呼吸、心臟搏動的真實情況，實驗中無法模擬實際治療患者脊柱追蹤定位異?，F(xiàn)象。

對脊柱追蹤定位誤差異常的原因，近年來已有報道，指出該問題多是由ROI治療中心選擇和/或高度不當所致[6]。實際臨床病例證明，ROI高度的調(diào)整僅對少數(shù)患者有效，絕大部分患者需要大幅度移動治療中心才能得到根本解決。但是治療中心的移動往往超出射波刀使用指南中治療中心選擇的要求，其造成的定位偏差甚至超出脊柱追蹤定位異常帶來的不良后果，同時還易導致射波刀機械臂限位事件的發(fā)生[7]。

另有研究指出，脊柱追蹤中實時影像對比度可引起體模定位誤差的改變，其中對旋轉(zhuǎn)誤差ROLL L/R的影響最大，誤差最高可達2.2°，接近脊柱追蹤定位異常的特征[8]。但該問題僅在影像對比度處于極端手工賦值情況下才會發(fā)生。射波刀使用指南要求脊柱追蹤影像對比度手工賦值時，應采用自動對比度附近數(shù)值。實際工作中，對比度手工賦值方法很少使用。極端手工賦值脊柱影像無法通過人眼鑒別，無法用于DRR脊柱影像的比對。且極端影像對比度手工賦值以犧牲實時脊柱影像質(zhì)量為代價，即便解決了定位誤差異常的問題，其定位結(jié)果的可靠性亦會大打折扣。

2009年Accuray公司對射波刀脊柱追蹤技術(shù)進行升級，增加了增強脊柱追蹤模式，即在原有標準脊柱追蹤模式上，在DRR影像中增加了ROLL L/R角度分別為±5、±4、±3、±2、±1.5、±1、±0.5、0°影像對。為此，德國慕尼黑歐洲射波刀中心利用體模對增強脊柱追蹤與標準脊柱追蹤模式進行了定位精度對比，結(jié)果表明增強脊柱追蹤模式定位精度明顯優(yōu)于標準脊柱追蹤模式[9]。從增強脊柱追蹤技術(shù)DRR影像特點來看，其注重解決脊柱追蹤定位ROLL L/R旋轉(zhuǎn)精度問題，而該模式能否解決脊柱追蹤定位異常問題，因研究條件受限無從論證。

由射波刀使用指南可知，脊柱追蹤mesh網(wǎng)格中間列用于ROLL L/R旋轉(zhuǎn)計算，治療中心設(shè)置不當會引起脊柱追蹤定位異常。脊柱追蹤mesh網(wǎng)格節(jié)點的比對實質(zhì)上是骨骼結(jié)構(gòu)密度的比對，通過同一mesh網(wǎng)格節(jié)點下相同骨骼結(jié)構(gòu)密度位置的改變，計算患者體位誤差。脊柱追蹤放療計劃治療中心實際上是脊柱追蹤mesh網(wǎng)格中間列的中心，確定了放療計劃治療中心等同確定了脊柱追蹤mesh網(wǎng)格中間列的位置。當治療中心置于脊椎間隙時，由于mesh網(wǎng)格中間列缺乏明顯骨骼結(jié)構(gòu)密度特征，引起mesh網(wǎng)格節(jié)點不確定，從而導致了ROLLL/R旋轉(zhuǎn)誤差計算異常。

為方便描述，本文將胸椎分為上（T1～T4）、中（T5～T8）、下（T9～T12）3段。16例臨床病例證明，脊柱分割與否是引起脊柱追蹤定位誤差異常的重要原因。因此，為保證脊柱追蹤定位正常，除規(guī)范治療中心的設(shè)置外，應針對不同部位脊柱有選擇性地進行脊柱分割。那么，什么情況下應該對脊柱進行分割或者不分割，有無規(guī)律可循？通過觀察實驗病例DRR影像發(fā)現(xiàn)，不需要分割的中下段胸椎與需要分割的中上段胸椎、胸腰椎、腰椎相比，中下段胸椎ROI受肝臟、膈肌等軟組織的影響，其脊柱影像左右2個部分密度差別顯著，而對于中上段胸椎、胸腰椎、腰椎的ROI脊柱影像則密度相對均勻、差別微弱。由此可見，ROI中脊柱影像密度均勻性是決定脊柱是否進行分割的一個重要因素。分析認為，當脊柱追蹤定位無脊柱分割影像時，脊柱追蹤算法中與DRR脊柱影像進行配對對比的實時X線影像只能是完整的DRR脊柱影像，對于密度不均、對比強烈的ROI中的脊柱，DRR影像分割后脊柱不再受脊柱外組織結(jié)構(gòu)的影響；而ROI中脊柱分割DRR影像與完整的DRR脊柱影像特點已完全不同，完整的DRR脊柱影像已不能與實時影像ROI中脊柱左右密度不均、對比強烈的骨性特點相適應，致使mesh網(wǎng)格節(jié)點的匹配不太正常，從而導致脊柱追蹤定位結(jié)果的異常。當脊柱DRR重建影像質(zhì)量不佳時，對于密度相對均勻ROI中的脊柱，實時X線曝光影像質(zhì)量要明顯優(yōu)于DRR重建影像，實時影像中骨性特征明顯，分割后的脊柱DRR影像因ROI中脊柱不受外界因素干擾，其影像的骨性特征開始變得明顯，更有利于與實時X線影像優(yōu)良的骨性特征正確匹配和對比，從而得出正確的定位結(jié)果。因此，制訂脊柱追蹤計劃時，為防止脊柱追蹤定位異常，應依據(jù)脊柱追蹤區(qū)域ROI中脊柱影像密度的均勻性有選擇性地進行脊柱分割。同理，治療中心的大幅度移動可解決脊柱追蹤定位異常問題。

綜上所述，脊柱分割圖像的設(shè)計除了方便放療技師圖像比對外，其影像還替代完整脊柱影像參與脊柱追蹤定位誤差的計算。當脊柱追蹤定位出現(xiàn)異常使用常規(guī)手段無法解決時，放療技師應高度懷疑脊柱圖像是否分割。物理師在制訂脊柱追蹤放療計劃時，除規(guī)范計劃外，還應對脊柱追蹤區(qū)域影像密度均勻性進行評價，預判脊柱圖像分割是否會對脊柱追蹤定位造成影響，以保證射波刀治療工作的正常進行。