射波刀脊柱追踪定位误差异常原因探讨

赵 瑞，张奋进，王震岳，陆 军，李 莎

（联勤保障部队第940医院放疗科，兰州 730050）

0 引言

射波刀是一种新型全身肿瘤立体定向放射外科治疗设备[1]。射波刀脊柱追踪通过实时X线影像与放疗计划系统重建产生的数字重建放射影像（digital reconstructed radiography，DRR）对比计算患者六维方向校准误差，可对靠近脊柱的肿瘤进行精确放疗[2-3]，其无需植入金标就能精确定位，并可用于肺追踪、金标追踪辅助定位，因此在射波刀影像引导放疗中得到广泛应用。临床实践中，绝大多数患者脊柱追踪定位误差变化稳定，而极少数患者定位误差变化异常，主要表现为三维旋转中的ROLL L/R误差不可控或无法预判。在脊柱追踪放疗计划制订时，为获得清晰的脊柱DRR影像以方便图像比对，可选择性对脊柱影像进行分割，生成DRR脊柱分割影像。脊柱未分割时，DRR完整影像参与脊柱追踪算法计算；脊柱分割后，DRR脊柱分割影像是否参与脊柱追踪算法的计算，在射波刀使用指南中并未说明。因此，本文采用LTT Dynamic Phantom体模和临床病例研究并验证脊柱分割在脊柱追踪定位中的作用，探究引起脊柱追踪定位异常的原因。

1 资料与方法

1.1 病例资料及处理方法

病例资料：选取2016年10月至2017年6月在我院行脊柱追踪治疗的患者共211例，其中16例出现脊柱追踪定位异常，追踪部位分别为中上段胸椎（4例）、中下段胸椎（9例）、胸腰椎（2例）、腰椎（1例）。处理方法：对定位异常的患者放疗计划保持治疗中心不变，分别添加或去除DRR脊柱分割影像，重新制订放疗计划，重新摆位、定位，观察定位误差的变化。

1.2 定位异常判断标准

排除脊柱追踪患者自身移动因素，若三维体位旋转误差可通过调整得到纠正及调整变化预期值为0.1～1°，则判定为定位正常；若三维体位旋转误差无法通过调整得到纠正，或者调整变化预期值＞1°，则判定为定位异常。

1.3 实验器材

美国Accuray公司G4射波刀，放疗计划系统MultePlan 4.0，放疗计划执行系统CyberKnife 9.0，美国CIRS公司LTT Dynamic Phantom体模。

1.4 体模计划制订

根据体模预订曝光条件，行常规CT扫描，层厚1.5 mm；制订脊柱无分割放疗计划，感兴趣区（region of interest，ROI）高度采用默认 60 mm，保存计划名称为LTT0；制订脊柱有分割放疗计划，自治疗中心头侧端第30 CT层面开始，依次间隔10个CT层面向脚侧端递增，直至第90 CT层面，ROI高度默认60 mm，制订ROI中不同长度脊柱分割计划，分别保存放疗计划LTT1～LTT7；将体模放疗计划发送至射波刀数据管理系统。

1.5 体模计划实验

摆位体模，打开体模治疗计划LTT0，使用默认脊柱追踪参数条件，调整治疗床，进行体模体位预置，定位误差尽量调整至0 mm/0°；保持体模及治疗床位置固定不变，依次打开放疗计划LTT1～LLT7，均使用默认脊柱追踪参数条件，对体模实时X线曝光定位；根据定位日志，记录脊柱追踪错误节点百分比。

2 结果

2.1 体模预置结果

体模六维误差分别为RIGHT0.0mm、SUP0.0mm、ANT 0.0 mm、ROLL L 0.1°、HEAD D 0.0°、CCW 0.2°。

2.2 体模脊柱追踪定位分析

ROI中脊柱长度以15 mm为标准，由90 mm依次递减为0 mm时，脊柱追踪错误节点百分比分别为8%、14%、24%、49%、63%、79%、91%，如图1所示。可以看出，ROI中脊柱长度与脊柱错误节点呈负相关，脊柱错误节点随着脊柱长度逐渐增加呈逐渐减少的趋势。

图1 错误节点百分比与脊柱长度的关系

2.3 病例验证结果

16例定位异常患者中，4例中上段胸椎、2例胸腰椎和1例腰椎追踪患者脊柱未分割，增加脊柱分割影像后定位正常；9例中下段胸椎追踪患者进行了脊柱影像分割，去除脊柱分割影像后，1例患者因治疗中心距椎间隙过近再次出现ROLL L/R旋转异常，经定位中心微移后，全部患者脊柱追踪定位正常。

3 讨论

为确保射波刀脊柱影像追踪准确性，脊柱追踪定义了9行9列共81个覆盖于脊柱的网格（即mesh网格）节点，根据实时X线影像网格节点相对于DRR影像网格节点位置变化，计算患者体位平移及旋转定位数据[4-5]。脊柱追踪ROI指制订放疗计划时确定的邻近肿瘤用于影像追踪的脊柱骨骼结构，其等同于9行9列骨骼网格结构。错误节点指脊柱追踪定位时实时脊椎X线影像网格节点在DRR影像骨骼网格中无法找到关联的节点。因此，脊柱影像分割后，改变DRR脊柱分割影像在ROI中脊柱的长度，若发现错误节点随脊柱长度改变发生了相应变化，可判断脊柱分割影像参与了脊柱追踪算法。射波刀治疗系统中，脊柱追踪ROI网格宽高比定义为3∶2，当ROI高度为60 mm时，ROI宽度为90 mm，即ROI实际用于脊柱追踪时脊柱长度为90 mm（包含3～4个椎体）。

脊柱追踪错误节点越少，脊柱追踪算法所计算的定位误差数值可信度越高。为保证脊柱追踪治疗定位误差的可信度，射波刀定位系统（target locating system，TLS）对脊柱追踪错误节点百分数值进行了限定，当超出限定阈值（默认50%）时，TLS对患者定位误差不再进行计算。本研究中采用缩短ROI中脊柱长度的方法进行错误节点数据验证，发现其错误节点随ROI中脊柱长度的增加明显减少，其定位误差数值可信度也在逐渐降低（第4次定位时，误差已无法计算），导致脊柱追踪算法的可靠性降低乃至不可信，因此实验未对脊柱追踪定位误差进行统计。LTT Dynamic Phantom体模的内部组织结构固定，无法反映人体组织器官的微小变化及随呼吸、心脏搏动的真实情况，实验中无法模拟实际治疗患者脊柱追踪定位异常现象。

对脊柱追踪定位误差异常的原因，近年来已有报道，指出该问题多是由ROI治疗中心选择和/或高度不当所致[6]。实际临床病例证明，ROI高度的调整仅对少数患者有效，绝大部分患者需要大幅度移动治疗中心才能得到根本解决。但是治疗中心的移动往往超出射波刀使用指南中治疗中心选择的要求，其造成的定位偏差甚至超出脊柱追踪定位异常带来的不良后果，同时还易导致射波刀机械臂限位事件的发生[7]。

另有研究指出，脊柱追踪中实时影像对比度可引起体模定位误差的改变，其中对旋转误差ROLL L/R的影响最大，误差最高可达2.2°，接近脊柱追踪定位异常的特征[8]。但该问题仅在影像对比度处于极端手工赋值情况下才会发生。射波刀使用指南要求脊柱追踪影像对比度手工赋值时，应采用自动对比度附近数值。实际工作中，对比度手工赋值方法很少使用。极端手工赋值脊柱影像无法通过人眼鉴别，无法用于DRR脊柱影像的比对。且极端影像对比度手工赋值以牺牲实时脊柱影像质量为代价，即便解决了定位误差异常的问题，其定位结果的可靠性亦会大打折扣。

2009年Accuray公司对射波刀脊柱追踪技术进行升级，增加了增强脊柱追踪模式，即在原有标准脊柱追踪模式上，在DRR影像中增加了ROLL L/R角度分别为±5、±4、±3、±2、±1.5、±1、±0.5、0°影像对。为此，德国慕尼黑欧洲射波刀中心利用体模对增强脊柱追踪与标准脊柱追踪模式进行了定位精度对比，结果表明增强脊柱追踪模式定位精度明显优于标准脊柱追踪模式[9]。从增强脊柱追踪技术DRR影像特点来看，其注重解决脊柱追踪定位ROLL L/R旋转精度问题，而该模式能否解决脊柱追踪定位异常问题，因研究条件受限无从论证。

由射波刀使用指南可知，脊柱追踪mesh网格中间列用于ROLL L/R旋转计算，治疗中心设置不当会引起脊柱追踪定位异常。脊柱追踪mesh网格节点的比对实质上是骨骼结构密度的比对，通过同一mesh网格节点下相同骨骼结构密度位置的改变，计算患者体位误差。脊柱追踪放疗计划治疗中心实际上是脊柱追踪mesh网格中间列的中心，确定了放疗计划治疗中心等同确定了脊柱追踪mesh网格中间列的位置。当治疗中心置于脊椎间隙时，由于mesh网格中间列缺乏明显骨骼结构密度特征，引起mesh网格节点不确定，从而导致了ROLLL/R旋转误差计算异常。

为方便描述，本文将胸椎分为上（T1～T4）、中（T5～T8）、下（T9～T12）3段。16例临床病例证明，脊柱分割与否是引起脊柱追踪定位误差异常的重要原因。因此，为保证脊柱追踪定位正常，除规范治疗中心的设置外，应针对不同部位脊柱有选择性地进行脊柱分割。那么，什么情况下应该对脊柱进行分割或者不分割，有无规律可循？通过观察实验病例DRR影像发现，不需要分割的中下段胸椎与需要分割的中上段胸椎、胸腰椎、腰椎相比，中下段胸椎ROI受肝脏、膈肌等软组织的影响，其脊柱影像左右2个部分密度差别显著，而对于中上段胸椎、胸腰椎、腰椎的ROI脊柱影像则密度相对均匀、差别微弱。由此可见，ROI中脊柱影像密度均匀性是决定脊柱是否进行分割的一个重要因素。分析认为，当脊柱追踪定位无脊柱分割影像时，脊柱追踪算法中与DRR脊柱影像进行配对对比的实时X线影像只能是完整的DRR脊柱影像，对于密度不均、对比强烈的ROI中的脊柱，DRR影像分割后脊柱不再受脊柱外组织结构的影响；而ROI中脊柱分割DRR影像与完整的DRR脊柱影像特点已完全不同，完整的DRR脊柱影像已不能与实时影像ROI中脊柱左右密度不均、对比强烈的骨性特点相适应，致使mesh网格节点的匹配不太正常，从而导致脊柱追踪定位结果的异常。当脊柱DRR重建影像质量不佳时，对于密度相对均匀ROI中的脊柱，实时X线曝光影像质量要明显优于DRR重建影像，实时影像中骨性特征明显，分割后的脊柱DRR影像因ROI中脊柱不受外界因素干扰，其影像的骨性特征开始变得明显，更有利于与实时X线影像优良的骨性特征正确匹配和对比，从而得出正确的定位结果。因此，制订脊柱追踪计划时，为防止脊柱追踪定位异常，应依据脊柱追踪区域ROI中脊柱影像密度的均匀性有选择性地进行脊柱分割。同理，治疗中心的大幅度移动可解决脊柱追踪定位异常问题。

综上所述，脊柱分割图像的设计除了方便放疗技师图像比对外，其影像还替代完整脊柱影像参与脊柱追踪定位误差的计算。当脊柱追踪定位出现异常使用常规手段无法解决时，放疗技师应高度怀疑脊柱图像是否分割。物理师在制订脊柱追踪放疗计划时，除规范计划外，还应对脊柱追踪区域影像密度均匀性进行评价，预判脊柱图像分割是否会对脊柱追踪定位造成影响，以保证射波刀治疗工作的正常进行。