肺追蹤優(yōu)化對(duì)射波刀Synchrony建模的價(jià)值

黎國(guó)全，胡 斌，朱 斌，梁志文，陳 秘，彭振軍

（華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院腫瘤中心，武漢 430022）

0 引言

G5代射波刀是目前世界上最新型的全身立體定向放射外科治療系統(tǒng)[1-2]，該系統(tǒng)具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)：（1）同步呼吸跟蹤腫瘤；（2）靈活的機(jī)器人手臂；（3）多個(gè)靶區(qū)的腫瘤同時(shí)治療[3]。基于以上3個(gè)特點(diǎn)，該系統(tǒng)能主動(dòng)追蹤腫瘤并精確計(jì)算腫瘤的運(yùn)動(dòng)位置，使腫瘤區(qū)的劑量高度集中的同時(shí)，鄰近腫瘤邊緣的正常組織器官能夠得到很好的保護(hù)[4]。在射波刀治療中下肺腫瘤時(shí)，腫瘤位置隨呼吸運(yùn)動(dòng)而大幅度移動(dòng)，為實(shí)施精確治療，推薦采用呼吸同步肺追蹤（X-sight lung）技術(shù)，該技術(shù)主要用于受人體呼吸影響而運(yùn)動(dòng)的腫瘤靶區(qū)治療，是將目標(biāo)移動(dòng)與患者的呼吸移動(dòng)相關(guān)聯(lián)，建立Synchrony模型，并將輸出射束與目標(biāo)移動(dòng)同步的一種治療方法[5]。射波刀VSI版本的系統(tǒng)要求建立的Synchrony模型關(guān)聯(lián)誤差盡可能接近0，覆蓋率盡可能高[6]。但臨床實(shí)際工作中，由于腫瘤大小、患者病情、醫(yī)生的主觀判斷和部分患者不愿意接受金標(biāo)植入穿刺帶來(lái)的并發(fā)癥等因素的影響，導(dǎo)致不能建立Synchrony模型，或者模型不適用頻繁重建導(dǎo)致治療時(shí)間延長(zhǎng)，患者的舒適度降低。因此，放射治療師在實(shí)施肺部追蹤治療過(guò)程中，探討采用肺追蹤優(yōu)化措施對(duì)降低Synchrony模型重建頻率的貢獻(xiàn)和保證放射治療的順利進(jìn)行具有重要的意義。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選取2015年11月至2018年3月152例肺部腫瘤患者，其中男性113例、女性39例，年齡20~85歲，平均年齡54.5歲；采用穿刺活檢證實(shí)為原發(fā)性肺癌或者臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)證實(shí)為肺部轉(zhuǎn)移瘤。所有患者均執(zhí)行肺部追蹤治療，放療分次均為5～8次。按腫瘤直徑大小分為10 mm≤d＜15 mm（40例）、15 mm≤d＜20 mm（65例）、d≥20 mm（47例）3組。病例其他條件均符合射波刀操作指南對(duì)肺部追蹤的要求[7]。

1.2 設(shè)備情況

美國(guó)Accuray公司G5代射波刀（配標(biāo)準(zhǔn)治療床），治療計(jì)劃系統(tǒng)MultiPlan5.2.1，治療執(zhí)行系統(tǒng)Cyber-Knife 10.5。

1.3 優(yōu)化措施

對(duì)于首次行射波刀放射治療的患者，在進(jìn)行Synchrony建模時(shí)，優(yōu)化肺追蹤措施實(shí)際上是調(diào)整射波刀執(zhí)行系統(tǒng)的算法參數(shù)，以治療師的目測(cè)判斷結(jié)合射波刀治療執(zhí)行系統(tǒng)的計(jì)算最終確定腫瘤靶區(qū)的追蹤方案，然后執(zhí)行同步追蹤放射治療。常用肺部追蹤優(yōu)化方法有以下幾種：（1）使用偏移（offset）模式；（2）調(diào)整跟蹤范圍（tracking range）閾值；（3）調(diào)整不確定性（uncertainty）閾值；（4）二次脊柱追蹤輔助定位；（5）啟用建議影像/主要參考影像（Preferred Projection(on)）。

Synchrony建模階段，首先采集一個(gè)呼吸波形中點(diǎn)的X線影像，觀察射波刀治療系統(tǒng)是否正確識(shí)別計(jì)劃中標(biāo)記的腫瘤位置。參考操作方法是對(duì)比實(shí)時(shí)X線影像中腫瘤位置與CT重建的腫瘤位置是否相似，并輔助監(jiān)視治療系統(tǒng)計(jì)算的不確定性和X軸目標(biāo)配對(duì)公差（dxAB）的值。如果不確定性值超過(guò)閾值（系統(tǒng)默認(rèn)為40），治療系統(tǒng)不能通過(guò)計(jì)算識(shí)別腫瘤，此時(shí)優(yōu)先采用偏移模式，手動(dòng)拖動(dòng)腫瘤識(shí)別輪廓于治療師目測(cè)的位置。治療系統(tǒng)根據(jù)手動(dòng)拖動(dòng)腫瘤位置重新計(jì)算不確定性和dxAB的值。如果計(jì)算值在閾值以下，則優(yōu)化成功，繼續(xù)采集其他時(shí)相以達(dá)到最優(yōu)模型實(shí)施治療。如果治療系統(tǒng)仍然無(wú)法確認(rèn)腫瘤的具體位置，分3種情況進(jìn)行處理：（1）不確定性值在閾值內(nèi)而dxAB值超出閾值，說(shuō)明治療系統(tǒng)正確識(shí)別腫瘤位置，但是在2個(gè)X線實(shí)時(shí)影像的計(jì)算靶區(qū)位移有偏差，也就是其中一個(gè)影像中腫瘤被脊柱或心臟之類的輻射不透性結(jié)構(gòu)阻擋。此時(shí)在治療師目測(cè)確認(rèn)其中一個(gè)可見腫瘤已正確識(shí)別跟蹤的情況下，啟用建議影像/主要參考影像優(yōu)化肺追蹤治療。（2）不確定性超出閾值而dxAB值在閾值內(nèi)，這種情況一般出現(xiàn)在腫瘤隨呼吸運(yùn)動(dòng)而位移較大的Synchrony建模中。此時(shí)考慮調(diào)整跟蹤范圍，增大搜索目標(biāo)的搜索區(qū)域，計(jì)算腫瘤的位置。（3）不確定性值和dxAB值均超出閾值。此時(shí)采用二次脊柱追蹤輔助定位，重新調(diào)整患者的體位并匹配患者CT重建圖像的參考骨性標(biāo)記，然后再采取上述優(yōu)化方式進(jìn)行Synchrony建模。其余7個(gè)模型點(diǎn)的采集運(yùn)用同樣的追蹤優(yōu)化方式，建立最優(yōu)Synchrony模型。

1.3 數(shù)據(jù)評(píng)估

僅統(tǒng)計(jì)3組患者首次執(zhí)行治療計(jì)劃時(shí)優(yōu)化前后能通過(guò)Synchrony建模的數(shù)目；對(duì)不進(jìn)行優(yōu)化也能通過(guò)Synchrony建模的病例，在分次治療時(shí)采取第一次治療不優(yōu)化、第二次治療優(yōu)化、第三次治療不優(yōu)化、第四次治療優(yōu)化的方式交替進(jìn)行；統(tǒng)計(jì)采用優(yōu)化措施與不采用優(yōu)化措施模型重建的次數(shù)，并計(jì)算頻率。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

所有數(shù)據(jù)均使用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件行χ2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 優(yōu)化前后通過(guò)Synchrony建模統(tǒng)計(jì)

優(yōu)化前能夠通過(guò)Synchrony建模的病例數(shù)：10 mm≤d＜15 mm 組 3例（7.5%），15 mm≤d＜20 mm組 24例（36.9%），d≥20 mm 組 43例（91.5%）；通過(guò)不確定性閾值、跟蹤范圍優(yōu)化和二次脊柱追蹤輔助定位，能夠通過(guò)Synchrony建模的病例數(shù)：10 mm≤d＜15 mm 組 8例（20%），15 mm≤d＜20 mm 組 53例（81.5%），d≥20 mm組45例（95.7%）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，χ2=6.133，P=0.047，優(yōu)化前后差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

表1 不同腫瘤直徑優(yōu)化前后通過(guò)Synchrony建模的患者數(shù)量統(tǒng)計(jì)例

2.2 治療過(guò)程中Synchrony模型重建次數(shù)統(tǒng)計(jì)

在Sychrony建模的過(guò)程中，由于不同患者呼吸習(xí)慣不同，按照同一個(gè)患者不同分次治療時(shí)進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)，用以對(duì)照分析肺追蹤優(yōu)化對(duì)Synchrony建模的作用。統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表2、3。

表2 不優(yōu)化情況下不同腫瘤直徑患者模型重建次數(shù)統(tǒng)計(jì)

表3 優(yōu)化情況下不同腫瘤直徑患者模型重建次數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 討論

偏移模式是在肺部追蹤算法不能識(shí)別腫瘤的情況下，通過(guò)治療師目測(cè)識(shí)別腫瘤、手動(dòng)移動(dòng)腫瘤輪廓的一種優(yōu)化方法。這種模式可以根據(jù)鄰近腫瘤的骨性標(biāo)志判斷，如椎體、胸骨等；另外還應(yīng)考慮調(diào)整跟蹤范圍以獲得更加準(zhǔn)確的腫瘤定位。鑒于肺部追蹤算法不評(píng)估旋轉(zhuǎn)偏移量，因此在治療期間當(dāng)患者自主呼吸或者不可預(yù)料的原因可能出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)偏移，導(dǎo)致腫瘤輪廓在2個(gè)X線影像的投影與DRR影像上產(chǎn)生差異，其結(jié)果dxAB（mm）和不確定性（%）超出閾值。此時(shí)應(yīng)首先進(jìn)行二次脊柱輔助定位。返回到定位>肺（Alignment>Lung）階段，將肺部中心移到脊柱中心，重新通過(guò)脊柱的旋轉(zhuǎn)偏差來(lái)評(píng)估肺追蹤的旋轉(zhuǎn)偏移量，從而決定調(diào)整患者治療體位。對(duì)比統(tǒng)計(jì)的3組數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，在10 mm≤d＜15 mm組的患者中，優(yōu)化前92.5%的患者都不能順利建立Synchrony模型，80%的患者即使進(jìn)行肺部?jī)?yōu)化仍不能順利建模。其中通過(guò)優(yōu)化能夠進(jìn)行建模的4例患者其腫瘤直徑也接近15 mm。因此，對(duì)于10 mm≤d＜15 mm的患者不建議執(zhí)行射波刀肺部追蹤放射治療。而在15 mm≤d＜20 mm組65例患者中，經(jīng)過(guò)優(yōu)化措施后，能夠建模的病例由原來(lái)的36.9%提升為81.5%，多數(shù)患者采用肺追蹤優(yōu)化措施可以提高建立Synchrony模型的概率。d≥20 mm組中有2例患者可以通過(guò)優(yōu)化措施順利建立模型。

射波刀跟蹤算法是通過(guò)計(jì)算2個(gè)影像中腫瘤與周圍組織灰階差別來(lái)識(shí)別腫瘤的，在灰階差異不大或者其中一個(gè)影像中腫瘤被周圍輻射不透性結(jié)構(gòu)阻擋時(shí)，出現(xiàn)肺部跟蹤算法不能正確計(jì)算dxAB時(shí)，通過(guò)調(diào)用建議影像/主要參考影像的方法可以忽略dxAB錯(cuò)誤計(jì)算帶來(lái)的閾值報(bào)錯(cuò)，從而順利進(jìn)行Synchrony建模。需要注意的是，啟用此功能需要治療師目測(cè)檢查，否則肺部跟蹤算法可能錯(cuò)誤地估計(jì)患者位置，誤導(dǎo)輻射射束。

X-sight lung肺部跟蹤算法是在患者的實(shí)時(shí)X線影像中搜索和定位目標(biāo)。目標(biāo)定位由影像配準(zhǔn)在DRR影像和實(shí)時(shí)X線影像之間執(zhí)行。具體而言，就是將DRR影像中腫瘤區(qū)域的影像強(qiáng)度模式與實(shí)時(shí)X線影像中的最相似區(qū)域進(jìn)行匹配。用基于各影像中的二維腫瘤輪廓來(lái)定義腫瘤的匹配區(qū)域，該匹配區(qū)域是可容納整個(gè)腫瘤的最小矩形。因?yàn)榈湫偷哪[瘤形狀不是矩形，所以該匹配區(qū)域也會(huì)包括一些周圍區(qū)域。通過(guò)在治療師定義的搜索區(qū)域中移動(dòng)匹配窗口，執(zhí)行配準(zhǔn)。表1結(jié)果表明，腫瘤直徑越大，通過(guò)Synchrony建模的病例越多。因此，腫瘤直徑越大，治療系統(tǒng)識(shí)別出腫瘤與周圍正常肺組織的概率越大。并且腫瘤影像直徑越大，腫瘤越不容易被周圍輻射不透性組織（如心臟、肋骨、肱骨等）阻擋。人的肋骨在影像上的寬度約為15mm，在治療建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，腫瘤直徑小于15mm時(shí)，腫瘤在X線實(shí)時(shí)影像上隨呼吸運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，當(dāng)腫瘤陰影進(jìn)入肋骨陰影邊緣時(shí)，容易出現(xiàn)邊界計(jì)算錯(cuò)誤。表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，腫瘤越小模型平均重建次數(shù)越多。因此，在射波刀臨床治療中，對(duì)于腫瘤直徑小于15 mm的患者，不建議選擇肺部跟蹤技術(shù)。

根據(jù)表2、3統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，在腫瘤直徑10mm≤d＜15 mm的3例患者中，通過(guò)優(yōu)化措施后，治療過(guò)程中Synchrony模型重建頻率降低了2.0，優(yōu)化效果最為明顯；腫瘤直徑15 mm≤d＜20 mm的24例患者中，通過(guò)優(yōu)化措施重建頻率也下降了0.77，表明肺追蹤優(yōu)化措施對(duì)于降低治療過(guò)程中Synchrony模型重建頻率是有效的。本研究中腫瘤直徑10 mm≤d＜15 mm的病例數(shù)偏少，可以進(jìn)一步進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究以獲得更多的數(shù)據(jù)支持，但在15mm≤d＜20mm和d≥20 mm病灶治療中依然可以看到優(yōu)化措施對(duì)于Synchrony模型重建頻率有下降趨勢(shì)，綜上，肺追蹤優(yōu)化對(duì)模型重建是有積極作用的。此結(jié)論的前提是同一例患者在不同分次治療過(guò)程中的呼吸習(xí)慣和規(guī)律一致，因?yàn)楹粑?guī)律對(duì)Synchrony模型重建也有影響[8-10]。但是本研究中，射波刀治療分次少，因此在短時(shí)間內(nèi)同一個(gè)患者呼吸習(xí)慣變化較小，建議可以進(jìn)一步探討呼吸習(xí)慣和規(guī)律對(duì)Synchrony模型重建的影響。

X-sight lung肺部跟蹤技術(shù)是射波刀唯一一種可直接對(duì)患者呼吸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行追蹤而不需要穿刺植入金屬標(biāo)志物[11]、放療前的準(zhǔn)備和醫(yī)療付出較少的同步運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)。在Synchrony建模前正確的目測(cè)判斷和采用肺追蹤優(yōu)化措施可使建模的成功率最大提高44.6%（腫瘤直徑15 mm≤d＜20 mm），且綜合采用二次脊柱追蹤輔助定位和啟用建議影像/主要參考影像可以提高射波刀肺追蹤治療旋轉(zhuǎn)偏差的修正，降低治療風(fēng)險(xiǎn)。因此，放射治療師應(yīng)綜合利用各種優(yōu)化手段，在提高射波刀治療精度的同時(shí)規(guī)避治療的意外和風(fēng)險(xiǎn)。