ExacTrac X 线图像引导系统在非小细胞肺癌立体定向体部放射治疗中的应用

翟丽，李军（通信作者），桂龙刚

江苏省苏北人民医院（江苏扬州 225000）

立体定向放射治疗（stereotactic radiation therapy，SRT）的特征是将高能量放射线聚焦照射在某一局部靶区内，摧毁该区域内的所有组织或引起所需要的生物学效应，达到类似外科手术的效果，靶区外围的放射剂量呈梯度锐减。SRT对治疗精确度（包括定位精度、摆位精度、设备精度）的要求均较高[1-2]。随着治疗技术的进步和新型设备的不断出现，立体定向体部放射治疗（stereotactic body radiation therapy，SBRT）在临床上的应用越来越广泛，可适用于无法手术治疗的早期非小细胞肺癌（non small cell lung cancer，NSCLC）和转移性肺癌，能够实现良好的局部控制，降低并发症发生率，提高患者的生存率[3]，但SBRT需要设定更小的摆位边界以减少对正常组织的照射，因此采用图像引导技术来提高治疗精度至关重要[4-5]。

我院于2019年引进了德国博医来（Brainlab）的无框架SRT设备，该设备可以行胸部肿瘤的SBRT，其图像引导功能由ExacTrac X线（ETX）图像引导系统来完成。ETX图像引导系统由双kV-X线成像子系统、红外光学定位子系统及六维治疗床组成，其中双kV-X线成像系统由两个安装在地板上的X线发生器及两个安装在天花板上的平板非晶硅探测器组成，红外光学定位子系统利用反射标记球来监控患者的实时位置，而六维治疗床主要用于纠正ETX图像引导系统所测摆位误差，以实现精确治疗。本研究选取于我院行SBRT的NSCLC患者作为研究对象，采用ETX图像引导系统获取六维治疗床校正前的误差和校正后的误差，并利用锥形束CT（cone beam CT，CBCT）获取验证误差，以探讨ETX图像引导系统的应用价值，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2020年5—10月于我院接受SBRT的NSCLC患者24例，其中男13例，女11例；年龄33～64岁，中位年龄51岁；右上叶3例，右中叶4例，右下叶6例，左上叶6例，左下叶5例。本研究获得医院医学伦理委员会的审核批准，患者均具备明确放射治疗适应证且初次接受放射治疗，研究方案均经患者或其授权人签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 体位固定方式的选择

使用ETX 图像引导系统进行肺癌SBRT 位置验证时，患者的体位固定方式通常有两种：第一种是固定体架+真空垫+体表标记球的方式，其中体表标志球指是将标记球插座用自粘垫固定在患者不受呼吸或皮肤移动影响的稳定区域（如锁骨或胸骨等），并在皮肤上勾勒身体标志球轮廓，这种方式的优点是可以在治疗过程中随时红外监控患者体位是否发生移动，缺点是易受呼吸运动影响，预摆位时间较长，体表标记球和标志球轮廓易发生丢失，且操作烦琐、工作效率低；第二种是固定体架+热塑体膜+“鱼叉”型定位参考架和定位臂，这种方式虽然不能直接监控患者体位是否发生变化，但可以通过“鱼叉”型定位参考架和定位臂跟踪监测六维治疗床在治疗过程中的变化，且预摆位时间短，操作简单，重复性良好。本研究所有患者均采用第二种方式进行体位固定。

1.2.2 CT 扫描及iPlan 计划的设计

CT 扫描：使用美国通用电气（GE）64排大孔径CT 对患者进行胸部扫描，扫描层厚为2.5 mm，扫描范围包括环状甲膜至肝下缘所有区域，并将获取的CT 图像传至Brainlab 的iPlan 治疗计划系统。

iPlan计划的设计：放射治疗医师利用iPlan计划系统勾画计划靶区（planning target volume，PTV）和危及器官（organs at risk，OARs），并确定处方剂量及OARs的剂量限定；放射治疗物理师利用iPlan系统进行SBRT计划的设计，并将设计好的iPlan计划通过网络传至Varian IX型电子直线加速器进行执行；此外，放射治疗物理师还需将患者计划CT图像通过网络传至ETX图像引导系统。

1.2.3 ETX 图像引导系统和CBCT 误差的获取

第一步，获取ETX图像引导系统校正前的预摆位误差。如图1所示，患者固定在治疗床上，安装“鱼叉”型定位参考架和定位臂，利用激光灯进行常规摆位；红外线光学定位仪根据“鱼叉”型定位参考架上6个定位球的位置引导治疗床移动到预定位置；用双kV-X线成像系统拍摄一组正交X线片，其中管电压、管电流分别设置为120 kV和160 mAs；将正交X线片与计划CT数字重建影像（digitally reconstructed radiograph，DRR）进行图像融合配准（图2），其中配准区域（volume of interest，VOI）采用基于骨性标记的自动配准后即可得到6个方向的预摆位误差，即X方向（患者左右方向）的平移误差（Xt）、Y方向（患者头脚方向）的平移误差（Yt）、Z方向（患者前后方向）的平移误差（Zt）及围绕X、Y及Z3个方向的旋转角度Xr、Yr和Zr。

图1 固定体架+热塑体膜+“鱼叉”型定位参考架和定位臂体的体位固定示意图

图2 正交X 线片与DRR 中骨性标记的融合配准

第二步，获取ETX 图像引导系统校正后的残余误差。由于六维治疗床不仅可以实现X、Y 及Z 3个方向的平移运动控制，还能对治疗床进行俯仰以及左右方向的旋转校正，并可通过调整治疗床的转角校正患者身体长轴方向的旋转，所以可以通过六维治疗床校正上述第一步获取的平移误差和旋转误差；校正后，再次拍摄一组正交X 线片，并与DRR 片再次进行基于骨性标记的融合配准，即可得到校正后6个方向的残留误差。

第三步，获取CBCT 验证误差，并以CBCT 结果为金标准，对上述第二步所获残余误差进行评价。具体操作为：在完成上述第一、二步后，用Varian IX 型电子直线加速器自带的CBCT 进行机架旋转扫描，经过三维重建算法生成三维图像，将生成的CBCT 图像和原定位CT 图像进行基于骨性标记的图像配准，并记录下此刻的X、Y 和Z 3个方向的验证误差Xt、Yt和Zt，若Xt、Yt和Zt满足≤2 mm 的临床要求，考虑到肺部肿瘤的摆位误差受呼吸运动影响较大，即可认为≤2 mm 的误差足以说明上述第二步所获残余误差是可接受的，则无需进行CBCT 的误差修正，可以直接开始对患者实施治疗。

1.3 统计学处理

2 结果

24例患者治疗次数共计为87次，平均每例患者治疗次数为3.66次，患者每次治疗前都需进行ETX图像引导系统和CBCT验证并记录误差。表1、2分别为六维治疗床校正前、后ETX图像引导系统获取的误差统计结果，图3、4分别为87次治疗所获平移误差和旋转误差的误差分布图。从图3、4可以看出：校正前各方向上的误差相对较大，其中Xt范围为-4.61～6.78 mm，Yt范围为-8.53～5.46 mm，Zt范围为-6.23～5.12 mm，Xr范围为-2.26°～1.95°，Yr范围为-2.42°～2.23°，Zr范围为-2.41°～2.64°；校正后各方向上的误差明显减小，各方向平移误差均≤1 mm，旋转误差均＜0.5°，其中Xt范围为-0.48～0.49 mm，Yt范围为-0.86～0.79 mm，Zt范围为-0.93～0.87 mm，Xr范围为-0.81°～0.87°，Yr范围为-0.43°～0.47°，Zr范围为-0.49°～0.48°。

图3 校正前、后平移误差分布图

表1 ETX 图像引导系统在六维治疗床校正前获取的预摆位误差

表2 ETX 图像引导系统在六维治疗床校正后获取的残余误差

通过对六维治疗床校正前、后的两组数据进行配对t检验，可知校正前、后Yt、Zt、Xr和Zr比较，差异有统计学意义（P＜0.05）；校正前、后Xt、Yr比较，差异无统计学意义（P＞0.05），见表3。

表3 预摆位误差和残余误差比较

表4为六维治疗床校正后，ETX 图像引导系统与CBCT 所获平移误差相减的差值区间占比，该差值占比可在一定程度上反映ETX 图像引导系统和CBCT 这两个图像引导系统的差异性。从表4中可明显看出，尽管两个系统所获误差存在一定差值，但＞92%的差值位于0～2 mm 区间内，这说明这两个系统的结果非常接近，表明这两个系统的可靠性较一致。

图4 校正前、后旋转误差分布图

表4 ETX 图像引导系统与CBCT 所获平移误差相减的差值区间占比

3 讨论

目前，CBCT 是被国内广泛使用并被认可的一种高精确度的放射治疗图像引导系统。而Brainlab 公司生产的ETX 图像引导系统在国内的应用相对较少。ETX 图像引导系统的成像系统包含了两个正交的kV 级X 线球管和两个正交的平板探测器，与CBCT 系统相比，ETX 图像引导系统具有以下四个显著优势：一是验证剂量更低，28～35次ETX 验证的受照剂量才相当于1～2次CBCT 验证的受照剂量[6-7]；二是验证过程耗时更短，整个过程耗时1～2 min，而CBCT 验证过程需要3～4 min[8]；三是误差精度更高，CBCT 的误差精度以0.1 cm 为单位，而ETX 则以0.01 mm 为单位[9]；四是可以实现对治疗位置的实时监控。

本研究对24例行SBRT 的NSCLC 患者的摆位误差进行了分析，从表1可以看出，在六维治疗床校正前，Y 方向的平移误差最大，Z 方向次之，而X 方向最小。Y 方向的平移误差相对较大的原因可能为，体膜制作时由于患者紧张或者平躺对患者而言可能不是最舒适的体位，导致治疗过程中，患者身体稍微上下移动均会使得Y 方向的误差变大。从图3、4可以看出，ETX 图像引导系统在六维治疗床校正前各方向上的误差分布范围相对较大，而校正后各方向上的误差明显减小，各方向平移误差均≤1 mm，旋转误差均＜0.5°，符合临床治疗要求[10]，这也证明了ETX 图像引导系统能显著降低摆位误差，提高放射治疗的精确度，满足NSCLC 患者行SBRT 的高精度治疗要求。

本研究还比较了ETX 图像引导系统和CBCT 的差异性问题。在对同一患者进行ETX 位置校正后，并没有立即进行治疗，而是在相同条件下，用CBCT进行了再次位置验证，并将获得的CBCT 误差与ETX 图像引导系统校正后的残留误差进行差值比较。通过表4可知，两个系统所获误差存在一定差异，但这种差异很小，且差值占比绝大多数（＞92%）落在了0～2 mm 误差的区间内，考虑到肺部肿瘤放射治疗的摆位误差受呼吸运动影响大，这一结果足以说明ETX 图像引导系统和CBCT 的可靠性较一致，造成两者误差存在一定差异的原因可能为成像质量不同，因为ETX 图像引导系统仅拍摄了2张正交X 线片，不能保证成像质量，而CBCT 通过将多组序列的kV-X 线图像进行三维重建，可获得分辨力更高的影像[11]。

4 小结

CBCT 是目前被广泛认可的高精度图像引导系统，尽管ETX 图像引导系统采集图像的分辨力较CBCT 低，但通过比较可知，两个系统误差的差值非常小，在一定程度上可以认为两者的精度和可靠性较一致；且ETX 图像引导系统配合六维治疗床不仅能纠正平移误差，还能纠正旋转误差，可以满足SBRT 超高精度的治疗要求；此外，ETX 图像引导系统还具有耗时短、剂量低、可实时监控等优势。综上所述，对于行SBRT 的NSCLC 患者而言，ETX图像引导系统具有一定的临床价值。