張聿浩,張小鵬,李 林,劉家令,劉一兵,溫錦崇,麥樹榮,賴素云 綜述 梁軍潮 審校
(1.前海人壽廣州總醫(yī)院神經(jīng)外科,廣東 廣州 511325;2.南部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院神經(jīng)外科,廣東 廣州 510010)
在長期臨床實(shí)踐中,Leksell 剛性框架與病人顱骨均通過固定釘進(jìn)行連接,并積累大量成功數(shù)據(jù)。但臨床上各種原因?qū)е驴蚣芪灰?,將可能影響最終治療精度,且這種定位方式會(huì)給病人帶來一定痛苦,個(gè)別病人在框架安裝過程中甚至?xí)霈F(xiàn)休克。Leksell ICON 伽瑪?shù)断到y(tǒng)集成了一體化的錐形束X射線計(jì)算機(jī)體層成像設(shè)備(cone beam computed tomography,CBCT)。除提供框架或面罩2種可選擇的固定方式外,更重要的是提供一種基于錐形束CT 成像的坐標(biāo)定位體系。理論上說,容積成像的錐形束CT 定位精度高于斷層掃描的螺旋CT,也高于有一定圖像畸變的MRI 定位。本文就CBCT 治療精度展開綜述。
1.1 CBCT對(duì)靶點(diǎn)位移的檢測 CBCT已應(yīng)用于多種圖像引導(dǎo)的放療設(shè)備[1]。雖然目前CBCT 技術(shù)得到的斷層圖像信噪比尚達(dá)不到傳統(tǒng)螺旋CT 的程度,但CBCT圖像采集速度更快,病人受到輻射劑量更低。隨著技術(shù)進(jìn)步,CBCT具有更廣闊的應(yīng)用場景。
臨床上常用的螺旋CT,球管發(fā)出的X 射線呈扇形,獲取的是二維斷面數(shù)據(jù),需要多個(gè)斷面數(shù)據(jù)疊加,才能重建形成三維圖像。CBCT 球管發(fā)出的X射線是三維錐形束流,只需旋轉(zhuǎn)360°即可獲取重建所需的全部數(shù)據(jù)。CBCT 另一個(gè)優(yōu)勢是具有很高的各向同性空間分辨力[2],建立的三維圖像更精準(zhǔn),因此所測數(shù)據(jù)亦更精準(zhǔn)。
ICON 伽瑪?shù)断到y(tǒng)集成一個(gè)內(nèi)置一體化的CBCT,分辨率在0.5mm內(nèi)(空間分辨率為8Lp/cm)。視野(FOV)為224mm×224mm×224mm。采用非晶硅探測器面板,C 型臂旋轉(zhuǎn)1 周約200°,即可完成數(shù)據(jù)采集。臨床模式下預(yù)設(shè)兩個(gè)CT 劑量指數(shù),分別為2.5mGy 和6.3mGy,管電壓均為90kVp,投影數(shù)也均為332 次。GammaPlan?軟件可將CBCT 采集圖像與MRI 或CT 圖像以及預(yù)計(jì)劃進(jìn)行融合,將其定位體系轉(zhuǎn)換為治療坐標(biāo)。CBCT 還可在治療前對(duì)病人進(jìn)行第二次校準(zhǔn)。雖然CBCT 的初衷是服務(wù)于無框架的面罩固定方式,但將CBCT與框架定位方式結(jié)合,可提供另外一種治療模式。
Leksell 剛性框架與病人顱骨通過固定釘?shù)倪B接被認(rèn)為是最可靠的定位方式,病人需佩戴框架進(jìn)行CT、MRI 或血管造影采集定位影像,建立立體定向坐標(biāo)體系。但臨床實(shí)踐中多種因素可能影響固定框架的穩(wěn)定性。治療過程中長時(shí)間的等待、體位擺放中框架的碰撞均可能導(dǎo)致框架位移、滑脫;固定螺釘力矩大小變化可能使框架變形,最終導(dǎo)致無法察覺的治療精度變化。
SENEVIRATNE 等[3]報(bào)告使用CBCT 檢測到傳統(tǒng)框架定位方式在治療過程中發(fā)生意外位移的情況;分析49例接受ICON伽瑪?shù)吨委煛⒒诳蚣?CT基準(zhǔn)定位與CBCT圖像融合后兩個(gè)立體定向坐標(biāo)體系的差異;記錄參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)位移、平移位移和兩個(gè)坐標(biāo)體系之間的最大靶點(diǎn)位移(MSD),進(jìn)行線性回歸分析。病人均進(jìn)行單次伽瑪?shù)吨委?,先行MRI圖像采集。治療當(dāng)天常規(guī)安裝Leksell G 型框架,然后進(jìn)行CT 掃描。將采集的定位圖像在治療計(jì)劃軟件上與MRI圖像通過骨性標(biāo)志進(jìn)行配準(zhǔn),在此基礎(chǔ)上形成最終治療計(jì)劃。病人通過框架固定于治療床后,再采集CBCT 圖像,由此形成兩套坐標(biāo)體系,比較結(jié)果顯示:中位旋轉(zhuǎn)移位傾斜度(pitch)0.14°,偏斜度(yaw)0.17°,旋轉(zhuǎn)度(roll)0.13°。中位平移位移數(shù)絕對(duì)值:左-右0.39 mm,前-后0.14 mm,上-下0.22mm。MSD 中位數(shù)為0.71mm。MSD>1.0mm 12例(24.5%)。男性和偏心安裝的頭架與MSD 增加有關(guān)(P=0.011)。故在基于框架的伽瑪?shù)斗派渫饪浦委熤惺褂肅BCT圖像定位可識(shí)別和糾正意外的框架移位。BANNIKOVA 等[4]報(bào)告通過CBCT 檢測到框架移位數(shù)據(jù),在529 例病人中9 例出現(xiàn)最大基準(zhǔn)誤差超過1.2mm。
DUGGAR 等[5]總結(jié)ICON 型伽瑪?shù)稛o框架放射外科工作流程中一些影響治療精度的變量(表1),并總結(jié)ICON 型伽瑪?shù)禖BCT 在框架定位工作流程中的作用[6],發(fā)現(xiàn)CBCT 能夠檢測到傳統(tǒng)框架定位方式不能察覺的位移。
表1 影響ICON伽瑪?shù)稛o框架放射外科工作流程治療精度的變量
在Leksell ICON 伽瑪?shù)杜R床實(shí)踐中,框架與面罩定位均存在平行位移與旋轉(zhuǎn)位移。這些位移會(huì)影響最終的治療精度,而CBCT能夠檢測到這些位移。依靠CBCT建立的三維坐標(biāo)可進(jìn)行精準(zhǔn)的圖像引導(dǎo)放射外科治療,而CBCT 自身的精度與穩(wěn)定性則為這一體系提供質(zhì)量保證。
1.2 CBCT 自身的精度與穩(wěn)定性 ALDAHLAWI等[7-8]報(bào)告CBCT 圖像引導(dǎo)系統(tǒng)的質(zhì)量保證可靠性。使用制造商提供的工具每日檢查CBCT位置精度與CBCT圖像質(zhì)量。通過基于框架坐標(biāo)體系的CT圖像和基于CBCT的掃描圖像來驗(yàn)證兩者空間坐標(biāo)的一致性。結(jié)果CBCT 精度檢查:0.12±0.04mm(最大偏差)。CBCT圖像質(zhì)量:空間分辨率范圍:(6,7)Lp/cm(低劑量模式),(7,8)Lp/cm(高劑量模式);基于CBCT 的協(xié)議與基于框架的立體定向坐標(biāo)范圍一致:(0.33,0.66)mm。圖像配準(zhǔn):0.03±0.06mm(平均),0.23mm(最大)。CBCT 和圖像配準(zhǔn)算法(image registration algorithm)可以檢測出<0.5mm 和0.5°的位移[9]。
SARFEHNIA 等[10]分5 個(gè)方面檢測ICON 伽瑪?shù)兜腃BCT 和高清運(yùn)動(dòng)管理系統(tǒng)的定位精度:①圖像質(zhì)量和機(jī)械完整性;②圖像共配準(zhǔn)保真度;③自適應(yīng)處理交付質(zhì)量;④高清晰度運(yùn)動(dòng)管理性能表征;⑤CBCT系統(tǒng)的軟件通信性能測試;研究結(jié)果為所有圖像質(zhì)量和性能特征均滿足或超過制造商的規(guī)格。CBCT 系統(tǒng)在3 個(gè)月內(nèi)的圖像質(zhì)量和力學(xué)穩(wěn)定性在公差范圍內(nèi),探測器傾斜角度可忽略(<0.1°)。CBCT 坐標(biāo)體系在x、y、z方向上的平均差異為0.15~0.16mm。
HU 等[11]報(bào)告ICON 伽瑪?shù)禖BCT 無框架工作流程的全面精度檢測結(jié)果。所有準(zhǔn)直器的相對(duì)輸出系數(shù)誤差<2%。無框架工作流程的端對(duì)端檢測平均誤差為0.225mm。在所有測試條件下,伽瑪通過率(1%/1 mm)均高于97%。人為引入4.5cm、旋轉(zhuǎn)6°這樣非臨床正常使用的移動(dòng),在線自適應(yīng)劑量校正的伽瑪通過率(1%/1 mm)也在97%以上。CHUNG等[12]報(bào)告基于ICON 的伽瑪?shù)稛o框架放射治療系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性:放射等中心在中心和極端位置的位置誤差均小于0.1mm。CBCT 坐標(biāo)系的三維偏差在一年半內(nèi)保持穩(wěn)定,平均(0.04±0.02)mm。CBCT 在不同模態(tài)的配準(zhǔn)精度[13],CT 和CBCT 圖像偏差為(0.2±0.1)mm,MR 和CBCT 圖像偏差為(0.4±0.2)mm。通過CBCT 建立的坐標(biāo)體系比傳統(tǒng)框架標(biāo)記的定位體系更準(zhǔn)確。
基于CBCT 在掃描與配準(zhǔn)方面的精度,ICON伽瑪?shù)稁砜蛇x擇的工作新流程。在不安裝框架的情況下進(jìn)行MRI 和(或)CT 圖像采集,并在此基礎(chǔ)上形成預(yù)計(jì)劃。治療當(dāng)天安裝框架(或面罩)定位,隨后將病人固定于治療床,采集CBCT 圖像。將CBCT 圖像在GammaPlan 軟件上與MRI 或CT 圖像融合,在CBCT 坐標(biāo)體系下實(shí)施審定后的放射外科治療。這一工作流程關(guān)鍵點(diǎn)在于放棄原有的、建立于框架基準(zhǔn)的立體定向坐標(biāo)體系,轉(zhuǎn)而采用建立在CBCT 三維容積成像基礎(chǔ)上的立體定向坐標(biāo)體系。新流程減少病人佩戴框架的時(shí)間,同時(shí)減少在MRI、CT圖像采集以及治療床擺位過程中框架意外碰撞導(dǎo)致位移的機(jī)會(huì)。由于沒有框架的影響,MRI圖像畸變更小,提高系統(tǒng)治療精度。
經(jīng)過校準(zhǔn)的CBCT提供令人信服的機(jī)械定位精度[6],使用3D 打印模型驗(yàn)證ICON 伽瑪?shù)犊蚣芎兔嬲侄ㄎ幌到y(tǒng)的精度[14]。MRI 圖像的采集質(zhì)量、掃描方式等均可能影響其與CBCT 圖像的配準(zhǔn)。KIM等[15]報(bào)告使用MRI 圖像定位的畸變問題,3.0T 誤差大于1.5T。無論MRI序列如何,x坐標(biāo)誤差最小,z坐標(biāo)誤差最大,T2序列是最準(zhǔn)確的序列。DUGGAR等[6]報(bào)告圖像配準(zhǔn)不確定性可能低于0.4mm。
MENDEL 等[16]報(bào)告382 例病人、3213 個(gè)顱內(nèi)病灶(包括腦轉(zhuǎn)移瘤、腦膜瘤、動(dòng)靜脈畸形、聽神經(jīng)瘤、垂體腺瘤和其他病變),使用ICON 伽瑪?shù)哆M(jìn)行無框架立體定向放射治療;認(rèn)為ICON伽瑪?shù)犊蚣芎蜔o框架治療系統(tǒng)提高每日工作量近50%。CARMINUCCI等[17]報(bào)告在使用框架(66 例)或面罩(13 例)定位方式時(shí),以CBCT 檢測顱骨平移和旋轉(zhuǎn)位移情況;13例面罩定位的病人共進(jìn)行33次治療。盡管兩種定位方式檢測到的位移都很小,均在1mm 和1°以內(nèi),但是面罩位移還是大于框架。故在治療小病灶或靠近關(guān)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)要考慮到面罩固定方式出現(xiàn)靶點(diǎn)位移的情況。面罩定位病人的耐受時(shí)間有限,若戴面罩時(shí)間超過40min,病人將難以忍受;框架固定流程中有多個(gè)不確定因素,導(dǎo)致耗時(shí)難以預(yù)計(jì)[18]。
可根據(jù)CBCT 配準(zhǔn)的、已知的不確定程度建立閾值,超過該閾值的偏移值將通過重新計(jì)劃和使用CBCT 坐標(biāo)值進(jìn)行校正[6]。CLAPS 等[19]報(bào)告一組108例病人(201 個(gè)病灶),將CBCT 圖像與MRI 圖像進(jìn)行融合,統(tǒng)計(jì)融合后的圖像在x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸及旋轉(zhuǎn)位移數(shù)值。在分析7個(gè)參數(shù)的變化范圍后,提出1mm 為最大位移閾值,故通過CBCT 檢測到定位框架出現(xiàn)1mm以上位移,治療計(jì)劃不應(yīng)該被接受,
BANNIKOVA 等[4]報(bào)告包含529 例病人的一組數(shù)據(jù),調(diào)查19 個(gè)參數(shù),分析傳統(tǒng)框架定位和CBCT定位之間出現(xiàn)差異的原因;其中2.6%病人出現(xiàn)1mm 以上的平面位移和1°以上的旋轉(zhuǎn)位移;在8.3%病例中,腫瘤覆蓋率下降>5%;最大基準(zhǔn)誤差和平均基準(zhǔn)誤差的中位數(shù)分別為0.95mm 和0.40mm;22 例病人的平均基準(zhǔn)誤差大于0.4mm;9例病人的最大基準(zhǔn)誤差超過1.2mm;故基準(zhǔn)誤差、MSD、病人體質(zhì)量、多發(fā)病灶和KPS 是旋轉(zhuǎn)和平移增加的預(yù)測因素。如有下述任一項(xiàng):平均和最大基準(zhǔn)誤差大于0.4mm 和1.0mm、病人體質(zhì)量超過100kg、低KPS 評(píng)分、多發(fā)性轉(zhuǎn)移性病灶,需行進(jìn)一步CBCT檢查。
面罩定位雖然更容易被病人接受[20],但應(yīng)考慮到其適用范圍。STIELER 等[21]報(bào)告使用框架定位時(shí)的特殊情況,當(dāng)不能使用4個(gè)螺釘常規(guī)固定時(shí),應(yīng)使用CBCT檢測病灶的定位精度。
無論采用框架或面罩固定方式[22-23],使用CBCT采集的圖像與符合立體定向要求的MRI 或CT 圖像[24]進(jìn)行融合,基于CBCT圖像建立治療坐標(biāo),再通過多個(gè)骨性標(biāo)志進(jìn)行融合后的圖像審定,這是ICON 伽瑪?shù)稁淼男鹿ぷ髁鞒?。這個(gè)流程建立于CBCT定位精度,與傳統(tǒng)工作流程相比,新流程減少因框架畸變、位移等因素帶來的穩(wěn)定性變化,提高最終的治療精度。