基于ExacTrac X射线图像引导系统的无创颅脑SRS精确性研究

谭薇薇，罗 灿，周 军

（陆军军医大学第二附属医院，重庆 400037）

0 引言

1951年瑞典神经外科学家Lars leksell提出了立体定向放射外科（stereotactic radiotherapy surgery，SRS）的概念[1]，其特征是小野三维集束单次大剂量照射，可使靶区得到大剂量的破坏性照射，而周围正常组织受到的照射剂量很小，其效果类似手术刀切除。SRS对治疗精确度要求更高，其治疗精确性不仅与定位精度有关，还与基础环固定系统的可靠性、摆位精确度、机械等中心精度有关[2-4]。基础环固定系统分为有创固定方式和无创固定方式，进行立体定向治疗需要建立一个三维坐标系统，有创固定头环利用局部麻醉，通过固定支杆和螺钉在头颅上安装一个框架形成一个三维空间坐标，虽然有创固定精度高，但是会对患者造成创伤。随着科技进步和图像引导技术越来越成熟，从有创固定到无创固定[5]，利用图像引导设备纠正误差，即可实现高精确的治疗[6-7]，使无创固定逐渐替代有创固定。

本院引进Brainlab无框架颅脑放射外科手术系统，使用舒适型的面膜实现高精度的治疗。ExacTrac X射线图像引导系统由红外光学定位系统、双kV-X射线成像系统及六维治疗床组成。红外光学定位系统利用反射标记球跟踪患者的位置，双kV-X射线成像系统由2个安装在地板上的X射线发生器及2个安装在天花板上的平板非晶硅探测器组成。Brain-Lab软件利用探测器记录的平面X射线图像与定位CT图像进行对比，得到3个平移和3个旋转方向的校正参数，通过六维床纠正6个方向的误差，减少因解剖结构移位、患者移动、摆位误差而导致的定位误差。本文利用ExacTrac X射线图像引导系统引导颅脑SRS治疗摆位，研究ExacTrac X射线图像引导系统对摆位误差的纠正精度。

1 材料与方法

1.1 临床资料

选择2016年5月至2017年12月颅脑肿瘤患者30例，其中男21例、女9例，年龄28～56岁；肺癌脑转移患者18例，胶质瘤患者12例；患者均无多次出血史、无动静脉畸形、病变周围无严重水肿、无顽固性颅内压增高，肿瘤直径均小于3 cm。

1.2 CT模拟定位、治疗计划设计

使用无框架的SRS面膜套件固定患者的体位，固定面膜一共3层，分别为底部面膜、中间面膜、顶部面膜，3层面膜能更好地固定患者的头部[8]。使用飞利浦大孔径CT模拟机获取患者的影像数据。将扫描图像传至Brainlab的iPlan治疗计划系统，由放疗医生进行靶区的勾画，确定处方剂量及危及器官的剂量限定，物理师在iPlan治疗计划系统上制订SRS治疗计划，最后通过网络系统将治疗计划及CT定位图像传至Varian Trilogy直线加速器及ExacTrac X射线图像引导系统。

1.3 治疗前准备

首先进行ExacTrac X射线图像引导系统的校正，使ExacTrac X射线图像引导系统中心与Varian加速器中心重合，再按照治疗过程检查，打开治疗计划查看计划是否正常、条码扫描装置是否充好电、治疗通道是否正常。由于SRS治疗有些角度是非共面弧照射，还应在治疗前确保在有机架角度时，非共面弧照射机架不会撞到治疗床。

1.4 误差修正

在ExacTrac X射线图像引导系统中调出患者信息，患者固定在治疗床上后，将有6个红外线定位标记球的架子置于患者头上方，红外线光学定位仪根据定位球的位置把床移动到预定位置，用X射线成像系统拍摄一组交叉的X射线片，与计划CT图像进行匹配，得到6个方向的误差值，分别为Lat（左右）、Long（头脚）、Vert（前后）及围绕3个方向的旋转角度 Lat Ang、Long Ang、Vert Ang。通过六维床对平移和旋转误差进行纠正后，再拍摄一组交叉的X射线片与数字重建放射影像（digitally reconstructured radiograph，DRR）匹配，记录 6个方向的误差值。最后进行锥形束CT（cone beam CT，CBCT）扫描，医师在线匹配确认靶区无误后开始治疗。CBCT图像离线与CT定位图像匹配，得到误差值，将此误差值与经ExacTrac X射线图像引导系统校正后的3个平移误差进行比较，并分析2个系统的设置差异。

1.5 统计学分析

使用SPSS 19.0统计学软件进行数据分析，分别计算出ExacTrac X射线图像引导系统校正前后Lat、Long、Vert 3个方向及围绕3个方向的旋转角度Lat Ang、Long Ang、Vert Ang误差平均值和标准差。将ExacTrac X射线图像引导系统校正前后的数据进行配对t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

30例患者中有7例分2次治疗，1例分3次治疗，校正前后各拍摄39次的X射线片，CBCT共扫描39次。对校正前后的X射线片分别与DRR图像匹配，结果如下。

表1、2为校正前后ExacTrac X射线图像引导系统3个平移方向和3个旋转方向误差结果。把校正前后的2组数据进行配对t检验，得到P值（见表3），在3个平移方向和Lat Ang旋转方向P值均＜0.05，差异有统计学意义；在Long Ang、Vert Ang 2个旋转方向P值分别为0.67、0.23，差异无统计学意义。

表1 校正前ExacTrac X射线图像引导系统3个平移方向和3个旋转方向误差结果

表2 校正后ExacTrac X射线图像引导系统3个平移方向和3个旋转方向误差结果

表3 校正前后ExacTrac X射线图像引导系统6个方向误差统计检验t值、P值

校正前后平移误差值和旋转误差值如图1所示。由图1可以看出，校正前的平移及旋转误差范围Lat-3.33～1.57 mm/Lat Ang-2.24～1.43°，Long-0.72～4.46 mm/Long Ang-2.07～2.78°，Vert-2.98～2.37 mm/Vert Ang-3.26～2.05°，校正后 Lat-0.36～0.46 mm/Lat Ang-0.36～0.37°，Long-0.41～0.33 mm/Long Ang-0.34～0.25°，Vert-0.50～0.34 mm/Vert Ang-0.30～0.44°。校正后平移误差小于等于0.5 mm，旋转方向误差均小于 0.5°。

表4为应用CBCT离线匹配得到的误差数据与ExacTrac X射线图像引导系统得到的第二组误差数据相减得到的差值区间，差值为2个系统的设置差异。图2为CBCT的误差范围，所有误差均小于等于2 mm。

3 讨论

Brainlab无框架颅脑放射外科手术系统把U形框架固定在床板上，利用舒适的U形面膜减轻患者的痛苦，增强颅脑固定。ExacTrac X射线图像引导系统应用2个千伏级的X射线成像系统拍摄图片，相比CBCT系统，该技术使患者接受的辐射量大大减少，且成像时间很短，拍摄的X射线片与定位的DRR图匹配，可快速提供6个方向的摆位误差信息，并配合六维床可从6个方向远程控制治疗床移动，纠正患者的摆位误差。整个过程耗时1～2 min，减少了整体的治疗时间，实现了精确无创的SRS治疗。而CBCT只能纠正3个平移方向的误差。根据Gutfeld等[9]和Fu等[10]的研究发现大于2°的旋转误差对头颈部肿瘤的治疗效果有较大影响，经ExacTrac X射线图像引导系统校正后可减少旋转误差造成的正常组织受量。治疗过程中，系统可以监控整个治疗中治疗位置是否有偏移，实时显示并提醒医务工作者。但ExacTrac X射线图像引导系统拍摄的是交叉的X射线片，对三维解剖结构及软组织的显示没有CBCT图像好[11-12]。

本研究对30例颅脑肿瘤患者的摆位误差进行了分析，从表1可以看出，在校正前，平移方向误差在Long方向最大，Vert次之，Lat最小，原因分析如下：（1）制作头部面膜时患者紧张，且平躺不是最舒适的体位，治疗时患者稍往上或往下移动都会导致Long方向误差变大。因此，制作面膜时应及时与患者沟通，消除患者的不适感，提高患者的舒适度，以减少误差。（2）患者抬头或低头也会导致Long方向误差变大，中间面膜配备了鼻托胶，扣膜时注意患者鼻梁、额头需贴紧鼻托胶。从图1可以得到，Lat、Long、Vert方向误差大于1 mm所占百分比分别为38%、34%、50%，Lat Ang、Long Ang、Vert Ang 旋转方向误差大于0.5°所占百分比分别为37%、50%、76%；而经过ExacTrac X射线图像引导系统纠正后6个方向的误差明显缩小，3个平移方向的值均小于等于0.5 mm，3个旋转方向均小于0.5°。目前临床上最常用的图像引导是千伏（kV）CBCT，其精确性得到了大范围的肯定。本研究观察经ExacTrac X射线图像引导系统校正后拍摄的CBCT图像，结果显示Lat、Long、Vert方向误差均小于等于2mm，符合临床要求（医生靶区外扩2 mm）。综上，在SRS治疗前应用ExacTrac X射线图像引导系统纠正摆位误差具有临床意义，能显著降低摆位误差，提高放疗精确度，满足SRS高精度的治疗标准。

图1 校正前后ExacTrac X射线图像引导系统平移方向和旋转方向的误差值

表4 CBCT离线数据与ExacTrac X射线图像引导系统校正后数据相减得到差值占比%

图2 CBCT平移方向的误差值

理论上在经ExacTrac X射线图像引导系统校正后拍摄的CBCT图像是没有误差值的，但从CBCT离线匹配出来的数据看，其平移误差值明显大于Exac-Trac X射线图像引导系统，旋转误差差异小，经临床医师在线确认了CBCT测量的误差值在医师确定的靶区范围内，对治疗没有影响。2个系统产生差异的可能原因如下：（1）2个系统的图像融合算法是不一样的。（2）ExacTrac X射线图像引导系统只拍摄了2张交叉的X射线片，图像上有其他的组织，使得X射线片的质量不是很好，而CBCT能清楚地显示软组织与骨性标准，其在配准过程中的精确度较高。（3）2个系统的精确度是不一样的，CBCT精度以0.1 cm为单位，而Exac-Trac X射线图像引导系统可以精确到0.01 mm。由表4可以看出，2个系统的差值基本小于1 mm，对于颅脑SRS来说，1 mm可以认为是2个系统的差值区间。但对于其他部位，由于固定方式没有SRS精确以及靶区范围不一样，该差值还会更大，比如鼻咽癌的患者由于靶区很大，还包括了颈部，而颈部的移动更大，会造成更大的差值。

应用ExacTrac X射线图像引导系统配合六维床可明显减小误差值，且可以从6个方向上进行纠正，提高治疗精度。虽然ExacTrac X射线图像引导系统图像显示不清楚，但医生通过CBCT验证，在线确认该系统校正后的位置是符合医生确定的靶区范围内的。此外该系统可缩短整体治疗时间、降低患者接收的辐射量，在颅脑SRS治疗中应用该系统是很有必要的。对于颅脑SRS来说，2个系统的平移差值为1 mm，旋转方向差值很小，但对于其他部位，由于ExacTrac X射线图像引导系统匹配是按照骨性标准匹配的，对于骨性标准不是很多的部位，例如肺部肿瘤，由于呼吸运动的影响，按照骨性标准匹配可能会造成靶区遗漏，所以对于其他部位ExacTrac X射线图像引导系统的应用仍需要更多的实验来验证其精确性。