射波刀治療中追蹤腫瘤邊界縮放對肺追蹤定位參數(shù)的影響

趙 瑞，林 虎，李 莎，高行新，周 敏

（聯(lián)勤保障部隊第940醫(yī)院放療科，蘭州 730050）

0 引言

射波刀（Cyberknife）是一種新型全身腫瘤立體定向放射外科治療設(shè)備[1]。射波刀影像追蹤定位技術(shù)是通過影像系統(tǒng)實時X射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 reconstruction radiography，DRR）的對比來計算患者的體位誤差[2-4]，從而實現(xiàn)射波刀機(jī)械臂對患者體位的自動糾正。射波刀肺追蹤技術(shù)適用于瘤體大于2 cm、肺周區(qū)域腫瘤的放療，其經(jīng)過呼吸建模與實時影像追蹤定位共同實現(xiàn)射波刀機(jī)械臂對運動腫瘤的精準(zhǔn)治療[5-8]。基于放療醫(yī)師對腫瘤影像理解、臨床因素考慮的差異，放療計劃制訂時，即使同一患者同一部位腫瘤，不同醫(yī)師勾畫的腫瘤靶區(qū)（gross tumor volume，GTV）也不盡相同，由GTV外放形成的腫瘤計劃靶區(qū)（planning target volume，PTV）大小亦不相同[9-10]。肺追蹤放療計劃制訂時，為實現(xiàn)運動腫瘤的實時追蹤，系統(tǒng)要求選擇追蹤腫瘤（tracking tumor），以實現(xiàn)運動腫瘤的位移監(jiān)視和校準(zhǔn)。追蹤腫瘤到底應(yīng)如何選擇，射波刀放療計劃手冊未能指明，國內(nèi)外文獻(xiàn)亦未見或鮮有報道。我院物理人員一般以GTV作為追蹤腫瘤，特殊情況下使用腫瘤PTV作為追蹤腫瘤。射波刀臨床操作實踐中發(fā)現(xiàn)，追蹤腫瘤選擇不同，其肺追蹤定位參數(shù)結(jié)果有所不同，導(dǎo)致肺追蹤成功定位難易程度亦有所不同。本文借助肺追蹤專用測試模體，對模擬腫瘤GTV邊界縮放形成不同大小的追蹤腫瘤，觀察模擬腫瘤肺追蹤定位相關(guān)參數(shù)的變化，以期為射波刀肺追蹤計劃的制訂提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗器材

德國西門子SOMATOM Definition AS 64排128層CT模擬定位機(jī)；美國Accuray公司G4射波刀，放療計劃系統(tǒng)MultePlan4.0，放療計劃執(zhí)行系統(tǒng)Cyber-Knife9.0；美國CIRS公司LTT Dynamic Phantom模體（附直徑為25 mm的模擬腫瘤標(biāo)準(zhǔn)球體），該模體專配于射波刀治療系統(tǒng)用于肺追蹤治療物理測試。

1.2 CT掃描模體

安裝LTT Dynamic Phantom模體，放入模擬腫瘤，常規(guī)模體擺位。掃描條件：120 kV、340 mA，螺距1.0，層厚 0.6 mm。

1.3 制訂模體放療計劃

導(dǎo)入CT圖像，為方便追蹤腫瘤感興趣容積（volume of interest，VOI）及放療計劃的創(chuàng)建、使用和識別，依次創(chuàng)建和命名 GTV、PTV-1～PTV-5、PTV1～PTV5共11個輪廓。利用球體識別工具識別模擬腫瘤實際邊界，形成追蹤腫瘤VOI，保存VOI為GTV；追蹤腫瘤選擇為GTV，常規(guī)給定處方劑量，常規(guī)制訂肺追蹤放療計劃，存儲并傳輸為PTV0放療計劃。同樣，利用球體識別工具識別模擬腫瘤實際邊界，使用測量工具以1mm間距將模擬腫瘤邊界（即GTV輪廓）依次內(nèi)收及外放至5 mm，并將其VOI依次保存為 PTV-1～PTV-5、PTV1～PTV5 輪廓，同時依次將追蹤腫瘤選擇為 PTV-1～PTV-5、PTV1～PTV5 輪廓，保持原有脊柱及肺追蹤定位中心不變，僅使用低分辨率計算靶區(qū)劑量（劑量計算時間短），分別并依次制訂、存儲和傳輸 PTV-1～PTV-5、PTV1～PTV5 共 10 個放療計劃。

1.4 肺追蹤影像定位

于射波刀機(jī)房對LTT Dynamic phantom模體進(jìn)行擺位。打開模體放療計劃PTV0，使用射波刀影像定位系統(tǒng)默認(rèn)X射線曝光條件（120 kV、100 mA、100 ms）對模體進(jìn)行X射線影像采集，射波刀影像定位系統(tǒng)自動計算并顯示模體擺位誤差，調(diào)整、預(yù)置脊柱追蹤定位平移和旋轉(zhuǎn)誤差至可接受區(qū)域范圍；點擊“Go to Xsight Lung”進(jìn)入肺追蹤模式，以默認(rèn)射波刀影像定位系統(tǒng)X射線曝光條件對模擬腫瘤進(jìn)行X射線影像定位；打開射波刀位移追蹤系統(tǒng)（motion tracking system，MTS）計算機(jī)，打開 Synchrony User Interface窗口；采用射波刀肺追蹤自動呼吸建模方式對模體進(jìn)行呼吸檢測及建立呼吸模型（射波刀肺追蹤定位系統(tǒng)能夠根據(jù)模體呼吸及模擬腫瘤影像定位情況自動設(shè)置X射線曝光次數(shù)與時間間隔），記錄自動呼吸建模期間每次曝光后的dxAB（追蹤腫瘤成像中心在實時影像A、B上下平移方向距離差）、Conference A（實時影像A追蹤腫瘤的可信度）、Conference B（實時影像B追蹤腫瘤的可信度）、Coverage（呼吸模型對模擬腫瘤運動范圍的覆蓋程度）的數(shù)值。Conference A、Conference B、Coverage、dxAB數(shù)值通過影像日志讀取，Coverage通過MTS的Synchrony User Interface窗口讀??；呼吸模型建立完成后，點擊“Go to Xsight Spine”，返回至脊柱追蹤預(yù)置窗口，退出PTV0放療計劃。同樣，依次打開PTV-1～PTV-5、PTV1～PTV5放療計劃，對模體進(jìn)行脊柱追蹤定位（因模體位置保持不變，不再調(diào)整脊柱追蹤定位平移和旋轉(zhuǎn)誤差），同樣采用射波刀肺追蹤自動呼吸建模方式對模體進(jìn)行呼吸檢測及建立呼吸模型，分別記錄各放療計劃的 dxAB、Conference A、Conference B、Coverage值，直至各放療計劃肺追蹤影像定位完成。

1.5 數(shù)據(jù)處理

肺追蹤定位參數(shù)dxAB用毫米（mm）表示，Conference A、Conference B、Coverage用百分比（%）表示。因自動呼吸建模時模體X射線曝光次數(shù)不同，PTV0、PTV-1～PTV-5、PTV1～PTV5 放療計劃的 dxAB、Conference A、Conference B、Coverage值均取平均值；為直觀顯示肺追蹤影像定位腫瘤的可信度，各放療計劃的Conference A、Conference B值取平均值后再做平均處理，各放療計劃的Conference A、Conference B平均值記作Conference；為比較模擬腫瘤邊界總體內(nèi)收和總體外放肺追蹤定位參數(shù)變化情況，對PTV-1～PTV-5（內(nèi)收）和 PTV1～PTV5（外放）放療計劃的dxAB、Conference、Coverage平均值分別再做平均處理，將其定義為肺追蹤腫瘤邊界內(nèi)收與外放dxAB、Conference、Coverage總平均值。

2 結(jié)果

2.1 模體預(yù)置誤差

PTV0放療計劃模體預(yù)置定位誤差：RIGHT 0.1 mm、SUP 0.0 mm、POS 0.0 mm、Roll R 0.1°、HEAD D 0.0°、CW 1.5°。PTV-1～PTV-5、PTV1～PTV5 放療計劃模體預(yù)置定位誤差與PTV0放療計劃相比基本不變，平移誤差不超過0.2 mm，旋轉(zhuǎn)誤差不超過0.1°。

2.2 模擬腫瘤邊界未縮放時肺追蹤定位參數(shù)

肺追蹤定位參數(shù)dxAB、Conference值分別為0.39 mm、100%，優(yōu)于其默認(rèn)閾值范圍（dxAB為0.5～5 mm，Conference為 40.0%～99.0%）；Coverage值為76.14%，位于呼吸建模次優(yōu)水平（≥40.0%）。

2.3 肺追蹤模擬腫瘤邊界內(nèi)收與外放定位參數(shù)的變化

肺追蹤模擬腫瘤邊界內(nèi)收與外放定位參數(shù)的變化情況如圖1所示。參數(shù)dxAB值隨著模擬腫瘤邊界順序縮放呈不規(guī)則波動性增大，其中模擬腫瘤邊界內(nèi)收時更為明顯；當(dāng)模擬腫瘤邊界分別內(nèi)收與外放到5 mm時其差值最大，分別為0.55、0.25 mm。參數(shù)Conference值在整個肺追蹤定位過程中始終保持不變（100%）。參數(shù)Coverage值隨著模擬腫瘤邊界縮放波動平穩(wěn)，平均值為70%，最大波動幅度不超過9%。

圖1 模擬腫瘤邊界順序縮放時dxAB、Conference、Coverage變化情況

2.4 肺追蹤模擬腫瘤邊界總體內(nèi)收與總體外放定位參數(shù)的變化

模擬腫瘤邊界總體內(nèi)收時dxAB、Conference、Coverage總平均值分別為0.67 mm、100%、70%，與模擬腫瘤邊界未內(nèi)收時相比，dxAB數(shù)值增大0.28 mm，Coverage值減少6.14%；模擬腫瘤邊界總體外放時dxAB、Conference、Coverage總平均值分別為0.53 mm、100%、69%，與模擬腫瘤邊界未外放時相比，dxAB數(shù)值增大0.14 mm，Coverage值減少7.14%。無論肺追蹤模擬腫瘤邊界內(nèi)收與外放，肺追蹤影像定位結(jié)果均變差。

3 討論

dxAB值反映了追蹤腫瘤影像定位中心辨識的統(tǒng)一性，并間接反映了影像追蹤系統(tǒng)對影像定位中心辨識的準(zhǔn)確性，其值越大定位精度越低。Conference值反映了影像配準(zhǔn)期間追蹤腫瘤位移后匹配窗口的一致性，其值越大表示患者呼吸幅度覆蓋程度越高。建立呼吸模式時，Coverage值能否快速達(dá)到可治療閾值，與射波刀影像追蹤系統(tǒng)對追蹤腫瘤影像的準(zhǔn)確識別、患者呼吸是否規(guī)律和穩(wěn)定有關(guān)。從臨床操作實際經(jīng)驗看，除去患者不自主咳嗽等意外因素打破呼吸模型的穩(wěn)定，dxAB超閾值變化是干擾肺追蹤治療正常執(zhí)行的主要原因，dxAB間斷或連續(xù)超閾值會造成患者治療中斷、呼吸建模時曝光次數(shù)增多，導(dǎo)致患者治療時間被迫延長。因此，為使肺追蹤治療能夠順利進(jìn)行，放療技師不得不提高dxAB閾值，在一定程度降低了射波刀影像定位精度，但加大了肺追蹤治療的風(fēng)險。

射波刀放療計劃系統(tǒng)提供VOI復(fù)制、粘貼功能，可通過數(shù)值變動縮放VOI邊界，但因腫瘤CT值并不均勻，VOI邊界縮放后不成比例，與原有形狀相比變形明顯。為保證模擬腫瘤邊界縮放不變形，在制訂PTV-1～PTV-5、PTV1～PTV5 放療計劃時，需采用球體識別工具重新對模擬腫瘤實際邊界進(jìn)行識別，然后再利用測量工具均勻、等比例縮放模擬腫瘤邊界。由于模擬腫瘤實際邊界識別無法做到絕對相同，造成其模擬腫瘤邊界縮放時亦存在微小差別，但總體上能夠保證模擬腫瘤邊界內(nèi)收和外放的趨勢變化。

PTV-1～PTV-5、PTV1～PTV5 放療計劃是在PTV0放療計劃基礎(chǔ)上制訂的，脊柱追蹤定位中心保持默認(rèn)不變，曝光條件相同，但在定位過程中各放療計劃仍然出現(xiàn)了微弱的模體預(yù)置定位誤差，其與射波刀靶區(qū)定位系統(tǒng)（target locating system，TLS）自動曝光控制差異有關(guān)。由于實驗中LTT Dynamic Phantom模體相對于治療床位置始終保持不變，其不會對后期dxAB、Conference、Coverage值測定產(chǎn)生影響。

相對于真人來說，雖然LTT Dynamic Phantom模體所模擬肺腫瘤呼吸運動更加規(guī)則、穩(wěn)定，但由于射波刀靶區(qū)定位系統(tǒng)仍然存在自動曝光控制差異，并且X射線曝光時模體腫瘤運動位置不同，造成模擬腫瘤X射線影像存在差異，這也是實驗中dxAB、Conference、Coverage數(shù)值容易產(chǎn)生波動的重要原因。dxAB、Conference、Coverage平均與總平均值的引入有助于消除dxAB、Conference、Coverage數(shù)值波動帶來的影響，方便實驗結(jié)果特點和規(guī)律的總結(jié)。

從實驗結(jié)果可以看出，追蹤腫瘤GTV邊界縮放可引起肺追蹤影像定位精度下降，其中以模擬腫瘤邊界內(nèi)收下降尤為明顯，當(dāng)邊界內(nèi)收至5 mm時dxAB值已增大至PTV0放療計劃的2.4倍。基于dxAB值在肺追蹤治療中的重要作用和意義，建議射波刀肺追蹤放療計劃制訂時，追蹤腫瘤邊界應(yīng)盡量接近腫瘤實體邊界，即以追蹤腫瘤GTV輪廓作為肺追蹤腫瘤邊界標(biāo)準(zhǔn)。

在實驗中dxAB、Conference值結(jié)果明顯優(yōu)于實際腫瘤患者的定位結(jié)果，尤其Coverage值基本不受追蹤腫瘤邊界縮放的影響，其與LTT Dynamic Phantom模體中模擬腫瘤自身因素及其規(guī)則運動有關(guān)[11]，如模擬腫瘤密度均勻、邊界規(guī)則、運動規(guī)律無變形。但現(xiàn)實中患者腫瘤密度往往不均、形狀不規(guī)則、運動形式多樣且存在形變，不可能具備模擬腫瘤這樣的理想條件，無法達(dá)到如實驗結(jié)果所示優(yōu)良的dxAB、Conference值。因呼吸建模中模擬腫瘤首次曝光Coverage值必定為0%，且dxAB、Conference值在射波刀允許治療范圍內(nèi)變化對Coverage值不會產(chǎn)生任何影響，并且隨X射線曝光次數(shù)的增加由低到高呈臺階式增長，直至達(dá)到某一較高值時不再變化，導(dǎo)致實驗中Coverage平均值僅能位于呼吸建模次優(yōu)水平。

2018年5—8月，我院6例腫瘤患者出現(xiàn)肺追蹤定位治療困難和不成功問題，其主要表現(xiàn)為dxAB值不穩(wěn)定或者超范圍無法追蹤。通過觀察射波刀執(zhí)行界面DRR影像窗口發(fā)現(xiàn)，其多存在追蹤腫瘤邊界與腫瘤實體邊界偏差較大或間有交叉問題。經(jīng)射波刀放療計劃重新修正追蹤腫瘤邊界，其中4例患者肺追蹤定位和治療得以順利實現(xiàn)，1例患者在肺追蹤治療過程中仍然存在dxAB參數(shù)不穩(wěn)定問題，1例患者肺追蹤定位最終無法實現(xiàn)。分析認(rèn)為dxAB參數(shù)不穩(wěn)定患者的呼吸不穩(wěn)定，無法自主進(jìn)行呼吸控制，而肺追蹤無法執(zhí)行患者則因CT掃描比較粗糙，模擬定位不規(guī)范所致。上述病例初步說明，以追蹤腫瘤GTV輪廓作為肺追蹤腫瘤邊界標(biāo)準(zhǔn)可有效解決多數(shù)臨床實踐中部分肺追蹤定位困難及不成功問題。此外，肺追蹤定位治療是否成功或順利，還會受到模擬定位是否規(guī)范、患者呼吸是否規(guī)律、放射治療師經(jīng)驗水平等多重因素影響。

另外，肺追蹤影像定位追蹤腫瘤僅為計算和衡量實際腫瘤位置變化，追蹤腫瘤大小改變不會影響腫瘤GTV或PTV放療劑量的原有分布。當(dāng)追蹤腫瘤因炎癥等原因被正常組織包繞和分界不清時，建議改變追蹤腫瘤X射線曝光條件以提高腫瘤組織對炎性或正常組織的辨識度，或者將腫瘤周圍炎性組織包含在追蹤腫瘤之內(nèi)，或有助于實現(xiàn)射波刀肺追蹤的順利定位和治療。