射波刀追踪系技术研究进展

胡斌,彭振军

华中科技大学同济医学院附属协和医院 肿瘤中心,湖北 武汉 430022

[摘 要]射波刀全称X射线立体定向放射外科治疗系统,是新型的全身肿瘤放射治疗设备,其核心技术是将“智能交互式机器人”和“影像导航技术”引用到放射治疗领域,实时跟踪患者体内肿瘤的位置、正常器官的位置、运动变化位置等相关信息,在“四维影像导航技术”的定位下,能实现对肿瘤病灶的“实时跟踪、精确定位、重点打击”。射波刀在治疗中具有分次剂量高、分次数少、生物剂量高等特点,但其要求设备必须具有很高的精度和稳定性。射波刀追踪技术的应用是保证射波刀精确性的重要因素,本文对射波刀的追踪技术,如六维颅骨追踪系统、交叉视野脊柱追踪系统、金标追踪系统等追踪技术的国内外进展进行了综述。

[关键词]射波刀;追踪技术;影像引导;治疗精度;立体定向;肺部肿瘤

引言

1987年,美国斯坦福大学放射肿瘤学教授John R. Adler研制出射波刀 [1-3];1994年,世界上首台射波刀于美国斯坦福大学医学中心安装并开始临床应用,主要用于治疗头部、颈部及脊柱上部的肿瘤;2001年,射波刀被FDA批准用于治疗全身各部位的肿瘤 [4]。射波刀已经广泛用于以下疾病的治疗:颅脑及颈部肿瘤 [5]、肺癌、胰腺癌 [6-7]、肝癌 [8]、前列腺癌 [9]、脊髓肿瘤及脊髓其它疾病 [10]、良性肿瘤及可放射治疗的其它疾病 [11]。其融合了紧凑型加速器、机械臂、影像系统、呼吸追踪系统 [12]

相比常规加速器,射波刀具有非常高的精度,对于静态目标,精度优于0.95 mm;对于动态目标,精度优于1.5 mm,改变以往以外部标记线为摆位参考,而以体内标记为摆位和追踪标记 [13]。机械臂的引入使射波刀特别灵活,射束可以更有效地分散,然后高度聚焦到肿瘤上,射波刀通常采用3~5 次低分割照射,每次治疗时间在20~40 min;在治疗期间,影像系统会间隔一定的时间获取一对正交影像,因此会增加患者的额外辐射剂量 [14]

我国引进的射波刀系统多为第3代(G3)或第4代(G4)射波刀产品。关佳恒等 [15]报道了G3射波刀治疗精度的验证与分析中得到的关于G3数据,李玉等 [16]报道了G4射波刀照射精度的验证评价与第五代(VSI)进行比较,可见射波刀的精度一代比一代高。这三代射波刀精度都处于亚毫米级内,对动态目标的治疗精度<1.5 mm,对固定目标的治疗精度<0.95 mm,可以很好的满足放射治疗的工作要求 [17]。目前国内已开始使用第六代产品,第六代射波刀系统与前五代主要不同为圆筒准直器改为多叶准直器,提高了靶区适形度,且机器人更灵活,射线覆盖角度更广。各种追踪技术的应用对于射波刀的高精度治疗具有重要意义,下面对此进行综述。

1 射波刀追踪技术研究进展

1.1 六维颅骨追踪系统

六维颅骨追踪系统主要用于治疗颅内肿瘤,对于较小的颅内疾病可达到良好的治疗效果,Fariselli等 [18]报道了33例三叉神经痛患者使用射波刀治疗的结果,除2例外均获得了较好的疗效。六维颅骨追踪系统通过对比患者实时曝光产生颅骨位置实时的图像和CT扫描重建生成数字重建影像(Digitally Reconstructed Radiography,DRR)的图像,计算出6个自由度(3个平移和3个全局旋转)的患者位移,如果这些数值在机械手可以校准的范围内,机械手会自动校准这些数据,然后发出射线束进行治疗,从而实现6D-颅骨追踪,跟踪成像参数最好处在设定的阈值内,主要考虑亮度增益和梯度增益等参数,由于曝光参数不同,误差补偿也不同,对于亚mm级误差的射波刀立体定向放射治疗平台,影像追踪曝光参数的选择显得更有必要,图像引导系统额外吸收剂量评估有待研究,曝光参数不当,会影响跟踪算法的准确性。

1.2 交叉视野脊柱追踪系统

脊柱追踪包括颈椎、胸椎、腰椎及骶尾骨病变,(Xsight Spine Tracking System,XSTS)常用于治疗椎体旁肿瘤及骨转移瘤,骨转移瘤是引起患者剧烈癌痛的根源,同样还会伴随着神经性的疼痛 [18-20]。转移性脊髓压迫是癌症的常见并发症,通常以肿瘤急症的方式呈现 [21]。而对于骨转移而言,放射治疗尤其是立体定向放射治疗(Stereotactic Body Radiation Therapy,SBRT)是非常重要的治疗方式 [22-23]。XSTS追踪模式能够实时追踪靶区部位的脊柱变化,它主要用于追踪脊柱及周围的病变,通过计算患者身体内骨骼结构的位移来工作。在治疗计划期间预先确定要追踪的骨骼结构,计划时定义一个包含81个节点网格的感兴趣区(Region of Interest,ROI),在治疗输出期间,其通过监视相对DRR影像中节点的实时X射线影像中ROI的节点位移,计算目标位移,治疗计划期间定义的ROI大小作为治疗输出期间的默认ROI大小,XSTS计算6个自由度的患者位移。在定位期间,计算的位移用于调整患者的位置,在治疗输出期间,治疗机械手会自动调整加速器的位置,以对目标的平移和旋转位移进行校正。它的视觉验证必不可少,目测评估可确保其算法能够正确的跟踪骨骼结构,跟踪成像参数最好处于设定的阈值内,其主要考虑X轴目标配对公差阈值(dxAB)、r轴目标配对公差阈值(drAB)、错误节点阈值、ROI高度、追踪范围等,否则会影响跟踪算法的准确性。

1.3 金标追踪系统

金标追踪系统使用金标提取算法分析DRR和实时X射线影像以确定金标的位置。金标使用3个或更多金标可显著改善定位的精度,推荐使用4~6个金标,放置金标应符合以下要求:① 金标与金标之间的距离要大于2 cm;②金标与治疗靶区的距离要小于5~6 cm;③ 金标不能在同一条直线上放置,这是指在患者获取X射线影像中,在获取右前斜位和左前斜位或在获取右后前斜位和左后前斜位的X射线影像中,3个金标不在一条直线上;④ 在3个金标的任意组合之间应采用至少15°的角度差异。

以上金标放置错误将会对肿瘤靶区和治疗精度造成负面影响,还应注意金标植入后,不应立即进行CT扫描,应根据不同植入部位组织,等金标与组织相对稳定后再行CT扫描。在金标追踪模式中,要改善DRR和实时X射线影像质量,主要是减少背景噪声信息,然后在提取DRR影像中参考金标周围的区域,并将它与相应实时X射线影像相关联。金标提取成像和算法参数,要注意刚体误差阈值、金标间隔阈值、共线性阈值、dxAB、跟踪范围等都应在特定阈值范围内,改变以上参数可能会导致计算错误。Mallarajapatna等 [24]研究报道,122例患者中有14例(11.5%)发生金标移位,也有其他研究报道了金标发生移位从而影响患者定位和治疗的精度的情况 [25]

1.4 Synchrony呼吸追踪系统

Synchrony呼吸追踪系统主要用于受人体呼吸影响而运动的肿瘤靶区治疗,其方法是将目标移动与患者的呼吸移动相关联,建立Synchrony模型,并将输出射束与目标移动同步的一种治疗方法,对目标的移动进行跟踪和补偿,可与金标、脊柱追踪等方法联合使用。Synchrony模型使用一种预测算法来预测目标的位置,它将确定的位置传送给机械手,从而使治疗机械手能够与目标同步移动,常用于运动的靶区,如肺、肝等器官病变,通过呼吸模型修正加速器照射方向,以实现靶区的同步照射 [26-27]。肝脏肿瘤由于是软组织肿瘤,同时受肺部呼吸动度和自身运动的影响,在追踪时需要采用Synchrony呼吸追踪。

1.5 交叉视野肺部追踪系统

交叉视野肺部追踪系统只用于跟踪治疗肺部病变部位肿瘤,无需植入金标,直接选取肺部肿瘤的轮廓代替植入的金标,把肿瘤当作标记物进行追踪。正式治疗时开启呼吸追踪软件系统,追踪体表红光标记点的运动,X线同步拍摄肺部影像,采集到8个拍摄点,模拟出呼吸运动曲线,建立红光标记点与肺部肿瘤的对应关系,指导机械手臂控制射束随患者的呼吸对肿瘤作同步移动治疗。交叉视野肺部追踪系统肺部成像的参数要考虑目标dxAB和drAB阈值、不确定性阈值、跟踪的范围、实时影像对比系数等处于阈值范围内,保证计算的准确性。其在满足以下3点的情况下,可以不使用金标精确追踪肺部肿瘤:① 肿瘤的直径在任何方向上都大于1.5 cm;② 肿瘤位于肺部周围区域;③ 肿瘤的密度相对较大。

1.6 肺部优化治疗

肺部优化治疗是将交叉视野脊柱追踪系统与0-视图(0-view)、1-视图(1-view)结合实现肺部病变的照射,无需植入金标即可进行跟踪。1-view追踪可以与Synchrony呼吸追踪系统配合使用,追踪因患者呼吸而导致靶区移动的肿瘤。0-view与1-view直接决定照射的体积,1-view相对0-view照射体积小,因此对正常组织保护较好。肺部优化治疗采取0-view时,靶区体积包括临床靶区体积及肿瘤位置运动中所有的内部边界,当上述靶区体积基于临床靶区体积并由医生勾画时,内部靶区追踪体积基于靶区追踪体积并通常在模拟计划的创建期间由物理师或剂量师勾画。在选择1-view追踪时,且治疗计划是基于模拟计划的个案治疗过程中,内部靶区追踪体积的投影重叠显示在未追踪的实时X射线影像中。2-view常直接用于交叉视野肺部追踪系统技术,只用于治疗肺部跟踪病变部位肿瘤,通常与Synchrony呼吸追踪系统配合使用。肺部追踪系统可以精确的追踪肺部肿瘤而不使用金标,需满足以下3点:① 肿瘤的直径在任何方向上都大于1.5 cm;② 肿瘤位于肺部的周围区域;③ 肿瘤的密度相对较大。其肺部成像的参数要考虑目标dxAB和drAB阈值、不确定性阈值、跟踪的范围、实时影像对比系数等处于阈值范围内,保证计算的准确性。

2 讨论

射波刀作为一种精确的放射外科手段,在治疗肿瘤的彻底性、治疗过程的安全性、功能器官的保存性及以复发后的再治等方面都具有很高的优势。使用射波刀治疗早期肿瘤,生存率与手术等效,改变了唯手术治癌的认知,开创了放射治癌的新时代。采用大剂量治疗,可使肿瘤细胞消融坏死、周围血管内膜损伤、肿瘤抗原暴露激活免疫,发挥其技术优势特点,可以为更多的肿瘤患者服务。

医疗仪器设备越精确,在实际使用及操作中就越会遇到各种各样的问题,射波刀作为一种高精度医疗设备在使用过程中可能出现亮度错误、配准图像失败、X轴配对公差目标错误、找不到金标、治疗中呼吸模型丢失、治疗意外中断等出现问题等。因此,如何快速找到问题解决方案、提高设备精度的质量、保证使用金标的风险、选择临床适应症及并发症的预防等,都是需解决的问题。射波刀各种追踪技术对于不同部位肿瘤的治疗,如颅内、肺、肝、胰腺、肾脏及肾上腺、椎体及椎体旁肿瘤、前列腺、腹膜后等部位的原发或转移肿瘤都具有重要意义。目前国内使用最多的第五代射波刀与前几代相比具有更高的输出剂量率,配置的自动准直器系统等多项新技术显著提高了照射的准确性和稳定性及更短的照射时间,提高了工作效率,减少了治疗时间,

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本文编辑 刘峰

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

Abstract: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.

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

[中图分类号]TH774;R730.5

[文献标识码]A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2017.02.027

[文章编号]1674-1633(2017)02-0100-04

收稿日期:2016-03-21

修回日期:2016-03-24

作者邮箱:23012406@qq.com