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广东三九脑科医院 a.肿瘤综合治疗中心；b.设备科，广东广州 510510

[摘要]目的使用ExacTrac 6D红外/X线DR影像精确引导系统对脑转移瘤立体定向放射治疗（Stereotactic Radiotherapy Surgery，SRS）进行摆位，比较一键复位前后的摆位精度，评估6D治疗床在SRS非共面弧治疗中的重要性。方法选择我院89例脑转移瘤SRS治疗的患者，在治疗前和治疗床旋转至固定角度后，采用ExacTrac系统的X光影像装置拍摄靶点区域的两幅X光图像，与计划系统中CT数据自动处理所得的数字化重建X光照片进行匹配，得到前者在X、Y、Z轴3个方向的平移误差和旋转误差（6D误差），并进行一键复位摆位修正。摆位修正后，再以ExacTrac 6D红外/X线DR影像精确引导系统验证患者体位的6D误差。结果治疗前0°床角摆位，经X线图像引导一键复位修正后的3个线性误差均＜1.0 mm，3个旋转误差均＜0.5°，满足SRS放疗要求。且6D误差明显小于修正前的摆位误差，差异有统计学意义（P＜0.05）。治疗床旋转至计划设计角度后，经X线图像引导一键复位修正后的3个线性误差和3个旋转误差均明显小于修正前的摆位误差，差异有统计学意义（P＜0.05）。结论应用ExacTrac 6D红外/X线DR影像精确引导系统在非共面弧立体定向放射外科治疗时可行的，并可明显减少患者因治疗床旋转引起的摆位误差。

[关键词]脑转移瘤；ExacTrac 6D图像引导系统；立体定向放射治疗；摆位误差

引言

头颈部集中了很多重要器官，在放射治疗时对放疗技术的准确性和精确性要求极高[1]。图像引导放射治疗（Image Guided Radiotherapy，IGRT）是当前肿瘤精确放疗的新技术之一，它是将立体定向技术和适形、调强技术融为一体的放射治疗技术[2]。该技术是将放射治疗机与先进的影像设备及近几年快速发展的计算机技术巧妙结合，在放射治疗分次摆位或治疗中，采集治疗区域的图像或信号，确定治疗区与重要器官的运动、位置等因素，进行图像或剂量的校正，以引导本次治疗或后继治疗[3]。研究证明[4-7]，图像引导下的无框架立体定向放射外科比传统有创头钉式立体定向放射治疗误差更小，定位更精确。我院自2014年5月引进德国博医来公司研发的ExacTrac摆位系统，配合6D移动治疗床，已开展89例颅内转移瘤的无框架无创立体定向放射外科（Stereotactic Radiotherapy Surgery，SRS）治疗，为提高靶区的适形性和均匀性，降低周围正常组织的受量，治疗中部分野采用的是非共面弧照射，即治疗床固定于不同位置，加速器绕其旋转一定角度。治疗床旋转一定角度，直线加速器的机械精度会随之变化[8]。Rahimian等[9]研究表明，摆位治疗时考虑治疗床的旋转可减少治疗误差。本研究旨在评估治疗床旋转一定角度后对颅内转移瘤立体定向放射治疗的摆位精度。

1 资料与方法

收集2014年8月～2015年12月间89例颅内转移瘤患者，男54例，女35例，年龄27～80岁，中位年龄59岁。全组病例均在X射线图像引导下进行摆位修正，并完成立体定向放射治疗。

将博医来无框架定位系统的碳素纤维架水平置于定位床上，患者按最舒适的位置躺好，然后坐起不动。将底部面罩置于恒温水箱加温至透明，置于定位架的马蹄形巢里，患者躺下不动，将底部面膜塑成患者后脑形状直至冷却变硬，并放上2 mm固定条。将中部面罩加温透明后弄干，固定患者的前额、下巴和上唇部，并用与2 mm固定条相配的S型扣条固定。取下S型扣条，将软化透明的顶部面罩覆在中部面罩上，塑出患者脸形，尤其是鼻子和下巴，再用2 mm扣条固定。

采用20层大孔径螺旋CT（Somatom Def i nition AS，Simense）进行模拟定位扫描，层厚1.5 mm，扫描时将定位框架卡在碳素纤维定位架上，使得每一帧CT图像都带有坐标标记，扫描图像数据传输至放射治疗计划系统Brainlab iPlan RT image 4.1.1。

将患者MRI扫描图像数据传入iPlan RT image 4.1.1系统，放疗医生按照CT和MRI扫描图像在iPlan RT image 4.1.1软件内进行靶区勾画，确定治疗范围。物理师根据靶区范围和治疗要求，通过iPlan RT 4.5.3 Dose软件对放疗的剂量分布进行计算并优化，完成采用限光筒治疗的立体定向放疗计划，生成治疗部位的数字重建射野图像（Digital Reconstructed Radiography，DRR），并将治疗计划和DRR数据分别传输至治疗加速器（Unique，Varian）和X线图像引导系统（ExacTrac，BrainLAB）。

每次开机预热后，采用博医来等中心模体检查ExacTrac系统红外定位装置和kV级X射线成像系统的中心是否与Unique加速器等中心重合。若不重合，采用ET X-ray 校准模体进行校准。

治疗床位于0°位置，患者躺在治疗床上，采用和模拟定位相同的体位和3层面膜固定，将无框架立体定向放射外科定位架（含有6个可追踪患者体位的反光标记求）固定在碳素纤维定位架上，从ExacTrac系统中调出患者摆位数据后，用kV级X射线成像装置获取一组交叉的X射野图像，将其与相应的由CT数据自动处理所得的数字化重建X光照片（DRRs）进行配准，得到患者体位在X（左-右）、Y（头-脚）、Z（前-后）3个方向的平移误差和绕X、Y、Z轴的旋转误差。根据图像配准结果，由6D移动治疗床进行位置修正调整。当X、Y、Z轴3个方向的平移误差和旋转误差达到SRS放疗要求（平移误差＜1 mm，旋转误差＜0.5°）时开始治疗。

治疗床旋转至计划设计角度后，再次采用kV级X射线成像装置获取一组交叉的X射野图像，将其与相应的由CT数据自动处理所得的数字化重建X光照片（DRRs）进行配准，得到患者体位在X、Y、Z轴3个方向的平移误差和绕X、Y、Z轴的旋转误差。根据图像配准结果，由6D移动治疗床进行位置修正调整。在摆位修正后，再次重复X线影像引导的验证过程，记录得到的X、Y、Z轴3个方向的平移误差和旋转误差。当X、Y、Z轴3个方向的平移误差和旋转误差达到SRS放疗要求（平移误差＜1 mm，旋转误差＜0.5°）后治疗。

应用SPSS 13.0软件，统计出患者非共面拉弧治疗前和6D移动治疗床位置修正后X、Y、Z轴3个方向平移误差和绕X、Y、Z轴旋转误差的均数

标准差（s）、中位数、最大值和最小值，采用t检验分析误差，P＜0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

治疗前治疗床位于0°进行摆位，89例颅内转移瘤患者在完成红外线标记预摆位后，均采用kV级X射线影像引导系统进行体位误差检验和修正，并在摆位修正后再次进行体位误差验证测量。89例患者共获取了196次治疗的体位位置图像，摆位修正前和修正后各98组图像，分别与治疗计划的DRR配准得到修正前后的红外线标记摆位误差结果，见表1。

治疗前治疗床位于0°预摆位修正前后结果显示，经交叉X射线图像配准验证，治疗前摆位修正后的6D误差均明显小于修正前预摆位误差，差异有统计学意义（P＜0.05）。误差修正后X、Y、Z轴3个方向的平移误差均＜1.0 mm，绕X、Y、Z轴3个方向的旋转误差均＜0.5°，满足SRS放疗要求。

89例颅内转移瘤患者非共面弧治疗前治疗床旋转到一定角度后，均采用kV级X射线影像引导系统进行体位误差检验和修正，并在摆位修正后再次进行体位误差验证测量。89例患者共获取了548次治疗的体位位置图像，摆位修正前和修正后各274组图像，分别与治疗计划的DRR配准得到修正前后的红外线标记摆位误差结果，见表2。

当治疗床按计划设计要求旋转至固定角度后，经交叉X射线图像配准验证，其在6D方向上的摆位误差均较大，其中平移摆位误差在Y方向最大，Z方向次之，X方向最小，旋转摆位误差最大2.2°。经X射线图像引导修正摆位，最大平移摆位误差为0.49 mm，最大旋转误差为0.5°，误差均很小。Exactrac X线/红外影像引导精确引导的6D误差均明显小于修正前的摆位误差，差异有统计学意义（P＜0.05）。

3 讨论

立体定向放射外科（X-刀、γ刀）因定位准确，靶体积内外剂量落差大，既提高了靶区局部的剂量又最大限度地减少了周围正常组织的受量[10-12]，使肿瘤迅速缩小，挽救患者生命，已成为治疗颅内转移瘤的有效方法之一[13-15]。在传统的有框架放射外科治疗中，患者需要固定在一个头戴式支架中，通过螺丝拧到头骨中防止患者头部活动，增加了患者的痛苦，且只能单次治疗。成像和计算机技术的提升，将患者放疗前体位的验证X线摄影设备纳入放疗的必备步骤，构成了新一代的影像引导放疗技术，推动了无框架立体定向放射外科的发展[16]，该技术不仅具备了放射外科的精准度，还为患者提供更高的舒适度和治疗的灵活性，可单次或多次治疗，为多样化的肿瘤患者提供治疗。

精确定位、精确设计、精确治疗是SRS治疗的关键。为提高肿瘤剂量覆盖率，降低周围正常脑组织的受量，我科颅内转移瘤SRS计划基本使用多弧非共面照射。多弧非共面照射时，治疗床旋转对摆位精度产生影响，可能导致靶区的漏照和危及器官的错照，影响患者的疗效和生存质量。

本研究89例患者中3例患者各有2个转移瘤，4例患者各有3个转移瘤，所以治疗前摆位复位前后各采集了98副图像。本研究SRS计划根据肿瘤形状、大小、位置等因素设计计划时，存在1～3个不等非零床角，所以非共面弧共采集274副图像。治疗前摆位经ExacTrac X线/红外影像引导后X、Y、Z轴3个方向的平移误差均＜1.0 mm，绕X、Y、Z轴3个方向的旋转误差均＜0.5°，满足SRS放疗要求。但当治疗床按照SRS治疗计划旋转一定角度后，6D方向误差都有超出SRS治疗要求，因此治疗床旋转对摆位误差影响较大，不容忽视。其中以Y和Z方向摆位误差较大，最大误差分别为12.8 mm和11.16 mm，主要是因为加速器各机械参数因治疗床旋转产生的系统误差，以及治疗床0°时患者体位因使用ExacTrac影像引导系统导致6D治疗床产生倾角，当治疗床旋转时，体位误差随之增加导致。ExacTrac红外/X线影像引导系统由一个红外线光学定位仪和两个交叉的千伏级X射线成像装置，以及相应图像配准软件组成，通过红外线光学定位仪检测定位架上的反光标记球位置自动摆位，再用X射线成像装置获取图像并修正摆位误差，摆位精度高。使用ExacTrac红外/X线影像引导系统修正治疗床旋转的摆位误差，在X、Y、Z轴3个方向平移误差均＜0.5 mm，绕X、Y、Z轴旋转误差均＜0.5°，误差均很小。

表1 治疗前摆位误差测定及修正

注：X1表示左右方向误差，Y1表示头脚方向误差，Z1表示前后方向；X1°表示绕X轴旋转误差，Y1°表示绕Y轴旋转误差，Z1°表示绕Z轴旋转误差。

表2 非共面弧修正前后摆位误差测定

注：X2表示左右方向误差，Y2表示头脚方向误差，Z2表示前后方向；X2°表示绕X轴旋转误差，Y2°表示绕Y轴旋转误差，Z2°表示绕Z轴旋转误差。

Gevaert T等[4]研究了不同治疗床旋转对加速器精度的影响，本研究探讨了立体定向放射外科实际治疗中治疗床旋转对患者摆位精度的影响。在颅内转移瘤立体定向放射外科的治疗过程中，不可忽视治疗床旋转带来的误差。应在配备有六位治疗床的基础上开展立体定向放射外科。治疗床旋转不同的角度可能对立体定向放射外科治疗精度造成不同程度的影响。下一步拟具体分析研究不同治疗床角度对颅内转移瘤立体定向放射外科摆位精度的影响。

4 结论

BrainLAB无框架立体定向放射外科采用覆盖头颈的可固定、可拆卸的面罩，采用ExacTrac 6D红外/X线DR影像精确引导系统，根据患者颅骨骨性标记以亚毫米级精度进行调整，速度快，无痛苦，可显著减少患者非共面弧照射因治疗床旋转引起的位置误差，提高摆位精确性。下一步拟研究不同治疗床角度对脑转移瘤立体定向放射外科摆位的影响，为患者SRS计划设计提供实际临床需求。

[1] 金献测,吴式琇,谢聪颖,等.新型热塑面罩系统的定位精度研究[J].温州医学院学报,2005,35(1):43-45.

[2] 王永刚,陈宏,曹学武,等.图像引导放射治疗中固定体位用热塑体膜变性的应对策略[J].现代肿瘤医学,2010,18(3):566-568.

[3] 秦永辉,黄莉,王若峥.图像引导放射治疗的临床应用[J].新疆医科大学学报,2012,35(3):297-300.

[4] Gevaert T,Verellen D,Tournel K,et al.Setup accuracy of the Novalis ExacTrac 6DOF system for frameless radiosurgery[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys,2012,82(5):1627-1635.

[5] Dzyubak O,Kincaid R,Hertanto A,et al.Evaluation of tumor localization in respiration motion-corrected cone-beam CT: Prospective study in lung[J].Med Phys,2014,41(10):101918.

[6] Shi C,Tazi A,Fang DX,et al.Study o f ExacTrac X-ray 6D IGRT setup uncertainty for marker-based prostate IMRT treatment[J]. J Appl Clin Med Phys,2012,13(3):3757.

[7] Stanley DN,Papanikolaou N,Gutierrez AN.Development of image quality assurance measures of the ExacTrac localization system using commercially available image evaluation software and hardware for image-guided radiotherapy[J].J Appl Clin Med Phys,2014,15(6):81-91.

[8] Gevaert T,Boussaer M,Engels B,et al.Evaluation of the clinical usefulness for usi ng verification images during frameless radiosurgery[J].Radiother Oncol.2013,108(1):114-117.

[9] Rahimian J,Yin F,Rao A,et al.Geometrical accuracy of the Novalis stereotactic radiosurgery system for trigeminal neuralgia[J].J Neurosurg,2004,101(S3):351-355.

[10] 祁峰.颅内肿瘤的立体定向放射外科治疗[J].中国现代药物应用,2009,2(15):33-34.

[11] Oh SA,Kang MK,Kim SK,et al.Comparison of IMRT and VMAT techniques in spine stereotactic radiosurgery with international spine radiosurgery consortium consensus guidelines[J].Pro Med Phys,2013,24(3):145-153.

[12] Oh SA,Yea JW, Kang MK,et al.Analysis of the setup uncertainty and margin of the daily exactrac 6D image guide system for patients with brain tumors[J].PloS One,2016,11(3):e0151709.

[13] 陈苏,刘淑芬,王守森,等.X刀放射外科治疗多发脑转移瘤效果及影响因素[J].青岛大学医学院学报,2008,44(6):540-542.

[14] Lamba M,Breneman JC,Warnick RE.Evaluation of imageguided positioning for frameless intracranial radiosurg ery[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2009,74:913-919.

[15] Almeida TV,Cordova Junior AL,Piedade PA,et al.Analysis of translational errors in frame-based and frameless cran ial radiosurgery using an anthropomorphic phantom[J].Radiol Bras,2016,49(2):98-103.

[16] 陈光耀.放射外科的诞生与发展[J].中华放射肿瘤学杂志,2008, 17(1):79-80.

Application of ExacTrac 6D Image-Guidance System in Stereotactic Radiotherapy Surgery Treatment of Brain Metastasis

a.Department of Oncology; b.Department of Equipment, Guangdong 999 Brain Hospital, Guangzhou Guangdong 510510, China

Abstract：Objective To evaluate the importance of the application of ExacTrac 6D image-guidance system in non-coplanar arcs stereotactic radiosurgery treatment of stereotactic radiotherapy surgery (SRS) based on comparing the setup error before and after the reset. Methods From August 2014 to December 2015, a total of 89 brain metastases patients who were treated with SRS were chosen to perform the research. Firstly, the X-ray imaging device of ExacTrac system was used to shoot 2 X-ray images on the target area before treatment and after the table were rotated to a fi xed angle, respectively. Then, they were separately matched with the X-ray images that were automatic processed based on the CT data. In this case, the X, Y, Z direction of 3 translation and rotation errors (6D error) of the former were gained. In the following, a key reset placement correction was performed. Finally, ExacTrac 6D image-guidance system were utilized to validate the 6D error of the patients’ position. Results Before the treatment when the table placed in 0° angle, three linear error was less than 1.0 mm and 3 rotation error was less than 0.5° after using the X-ray images to guide a key reset, which satisf i ed the requirement of the SRS radiotherapy. Meanwhile, the 6D errors were much smaller than the positioning error correction before, the differences were signif i cant (P＜0.05). When the table was rotated to the setting angle, the use of verif i cation images could adequately reduce the error associated with intrafraction patient movement in all 3 translations and rotations. The differences were signif i cant (P＜0.05). Conclusion Application of ExacTrac 6D image-guidance system in non-coplanar arcs stereotactic radiosurgery treatment is feasible. In addition, it can obviously reduce the positioning error caused by rotating the table during frameless stereotactic radiosurgery.

Key Words：brain metastases; ExacTrac 6D image-guidance system; stereotactic radiotherapy surgery; setup error

ExacTrac 6D影像精确引导系统在脑转移瘤SRS中的应用

引言

1 资料与方法

2 结果

3 讨论

4 结论