射波刀設(shè)備的精度和誤差分析研究

謝陳晨，孟璐珈，蔣元林

（中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第903醫(yī)院，浙江 杭州 310013）

射波刀和常規(guī)加速器相比，精度非常高，尤其是在靜態(tài)目標(biāo)中精度可以達(dá)到0.95mm，動(dòng)態(tài)目標(biāo)定位中精度可以達(dá)到1.5mm。在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了對(duì)之前采用外部標(biāo)記線作為擺位參考方式的改變，實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)標(biāo)記為擺位及追蹤標(biāo)記。另外，在引入機(jī)械臂后，進(jìn)一步提升了射波刀應(yīng)用的靈活性，射束能夠更加分散地集中在腫瘤上，一般是采用3～5次低分割照射，治療時(shí)間為20～40min/次。針對(duì)患者腫瘤實(shí)施治療過(guò)程中，影像系統(tǒng)會(huì)在固定時(shí)間周期獲取一次正交影像，所以會(huì)提升患者的額外輻射劑量。我國(guó)射波刀通常引入的是第3代和第4代產(chǎn)品，也出現(xiàn)了第5代產(chǎn)品，相關(guān)研究中提出射波刀精度后一代高于前一代。以上提出的三代產(chǎn)品精度均是在亞毫米級(jí)內(nèi)，固定目標(biāo)和動(dòng)態(tài)目標(biāo)治療精度分別為0.95mm、1.5mm以下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)放射治療工作需求的滿足。各種追蹤技術(shù)在射波刀設(shè)備中的應(yīng)用，直接影響著射波刀的治療精度，本文在對(duì)其研究發(fā)展現(xiàn)狀分析基礎(chǔ)上，探討其精度和誤差。

1 射波刀追蹤技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 六維顱骨追蹤系統(tǒng)

這一追蹤系統(tǒng)通常是應(yīng)用在顱內(nèi)腫瘤治療中，尤其是針對(duì)較小顱內(nèi)疾病可以取得良好的治療效果。六維顱骨追蹤系統(tǒng)是針對(duì)患者的顱骨位置實(shí)時(shí)圖像以及CT掃描重建生成數(shù)字重建影像圖像實(shí)施對(duì)比，進(jìn)而獲取患者的6個(gè)自由度位移，若所得計(jì)算結(jié)果是在機(jī)械手可校準(zhǔn)范圍內(nèi)即會(huì)立即自動(dòng)校準(zhǔn)，之后發(fā)射射線束實(shí)施治療。在追蹤過(guò)程中，主要是借助亮度增益以及梯度增益等參數(shù)設(shè)置跟蹤成像參數(shù)，因?yàn)槭艿狡毓鈪?shù)的影響，誤差補(bǔ)償也具有差異，一旦出現(xiàn)曝光參數(shù)不當(dāng)，容易對(duì)跟蹤算法準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

1.2 交叉視野脊柱追蹤系統(tǒng)

脊柱追蹤主要是用來(lái)進(jìn)行錐體旁腫瘤和骨轉(zhuǎn)移瘤的治療，其中骨轉(zhuǎn)移瘤容易引發(fā)患者出現(xiàn)劇烈疼痛，同時(shí)也會(huì)伴有神經(jīng)性疼痛。交叉視野脊柱追蹤系統(tǒng)定位中，位移計(jì)算主要是對(duì)患者的位置實(shí)施調(diào)整，治療中機(jī)械手對(duì)于加速器位置會(huì)自動(dòng)實(shí)施調(diào)整，同時(shí)校正目標(biāo)平移和旋轉(zhuǎn)位移。

在此過(guò)程中視覺驗(yàn)證具有重要應(yīng)用，目測(cè)評(píng)估能夠?yàn)樗惴▽?shí)現(xiàn)對(duì)骨骼結(jié)構(gòu)的正確跟蹤提供保障，其中X軸目標(biāo)配對(duì)公差閾值、r軸目標(biāo)配對(duì)公差閾值以及ROI高度等參數(shù)均會(huì)對(duì)跟蹤算法準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響。

1.3 金標(biāo)追蹤系統(tǒng)

這一跟蹤系統(tǒng)即是在金標(biāo)提取算法的應(yīng)用下對(duì)DRR以及實(shí)時(shí)X射線影像進(jìn)行分析，以此確定金標(biāo)位置。一旦出現(xiàn)金標(biāo)放錯(cuò)位置，會(huì)對(duì)腫瘤靶區(qū)以及治療精度產(chǎn)生不良影響。

1.4 Synchrony呼吸追蹤系統(tǒng)

這一追蹤系統(tǒng)主要是對(duì)受到人體呼吸影響而運(yùn)動(dòng)的腫瘤靶區(qū)實(shí)施治療，即為將目標(biāo)移動(dòng)和呼吸移動(dòng)實(shí)現(xiàn)有效結(jié)合，完成Synchrony模型建構(gòu)，進(jìn)而輸出和目標(biāo)移動(dòng)相同的射束，進(jìn)而實(shí)施治療，針對(duì)目標(biāo)移動(dòng)可以實(shí)施跟蹤以及補(bǔ)償。在應(yīng)用過(guò)程中，也可以和脊柱追蹤、金標(biāo)等方式結(jié)合應(yīng)用。

1.5 交叉視野肺部追蹤系統(tǒng)

這一追蹤系統(tǒng)只能夠應(yīng)用在對(duì)肺部病變位置腫瘤患者的治療中，不用植入金標(biāo)，采用肺部腫瘤輪廓作為標(biāo)記物，即可以實(shí)施追蹤。交叉視野肺部追蹤系統(tǒng)肺部成像質(zhì)量受到目標(biāo)dxAB以及drAB閾值、跟蹤范圍以及不確定閾值等因素的影響，因此，會(huì)對(duì)其計(jì)算準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

1.6 肺部?jī)?yōu)化治療

肺部?jī)?yōu)化治療是結(jié)合應(yīng)用交叉視野肺部追蹤系統(tǒng)、0-視圖以及1-視圖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)肺部病變的照射治療。肺部成像參數(shù)也需要對(duì)目標(biāo)dxAB以及drAB閾值、跟蹤范圍以及不確定閾值等因素進(jìn)行綜合考量，以此提升計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2 射波刀追蹤技術(shù)的精度及誤差分析

為能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)射波刀追蹤技術(shù)精度和誤差的進(jìn)一步了解，本次選擇相關(guān)設(shè)備，以此對(duì)其實(shí)施目標(biāo)定位以及相對(duì)輸出因子分析。

2.1 設(shè)備選擇

本次選取Accuray公司提出的端到端E2E測(cè)試，另外，還有射波刀設(shè)備治療系統(tǒng)中的膠片計(jì)量測(cè)試法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)射波刀設(shè)備治療系統(tǒng)精度的估算。

2.2 目標(biāo)定位

在研究中采用一個(gè)等效頭部模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)射波刀治療系統(tǒng)精度的評(píng)估。這一模型中包括2篇精密裁剪的薄膠片、1個(gè)球形目標(biāo)以及5個(gè)fiducial金標(biāo)，詳情見圖1。球形目標(biāo)的構(gòu)成原料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料，其中一個(gè)球體是在中心位置。這一膠片在球形目標(biāo)中正交插入，通過(guò)射波刀治療系統(tǒng)完成這一模型治療計(jì)劃的制定，且完成照射。以上工作完成后取出膠片，進(jìn)行膠片掃描，并創(chuàng)建300像素/in（1 in=25.4mm）灰度圖像。采用E2E檢測(cè)軟件測(cè)量膠片質(zhì)量，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同方向誤差位移的計(jì)算，獲取E2E總精確度。

圖1 E2E測(cè)量的頭部體模

2.3 相對(duì)輸出因子

本次研究選用的是6種探測(cè)器，以此測(cè)量分析準(zhǔn)直器的輸出因子。放射治療過(guò)程中，二極管測(cè)量?jī)x主要是對(duì)高能量光子計(jì)量分布P-型硅二極管實(shí)施檢測(cè)，其有效厚度為2.5pm。對(duì)比測(cè)量過(guò)程中置于電離室實(shí)施讀數(shù)，電離室容量為0.015cm3、0.125cm3以及0.6cm3。針對(duì)二極管測(cè)量?jī)x以及三個(gè)電離室均采用水模型實(shí)施測(cè)量，相應(yīng)的測(cè)量條件即為深度為1.5cm，源皮距（SSD）為80cm。測(cè)量相對(duì)輸出因子中，各個(gè)膠片所接受的劑量為100MU針對(duì)薄膠片光學(xué)密度通常采用常規(guī)密度計(jì)實(shí)施測(cè)量，各個(gè)準(zhǔn)直器輸出因子校準(zhǔn)中此阿勇的是最大準(zhǔn)直器于1.5cm深度SSD為80cm實(shí)施校準(zhǔn)。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 目標(biāo)定位結(jié)果

本次射波刀設(shè)備追蹤系統(tǒng)E2E測(cè)試中，兩種追蹤模式目標(biāo)定位誤差分析結(jié)果具體見表1。從表1可以看出，2種追蹤模式均在正常范圍內(nèi)。

表1 射波刀追蹤系統(tǒng)目標(biāo)定位結(jié)果

2.4.2 相對(duì)輸出因子結(jié)果

不同尺寸準(zhǔn)直器相對(duì)輸出因子見表2。其中針對(duì)5mm準(zhǔn)直器，所選取的6種不同探測(cè)器相對(duì)輸出因子結(jié)果中0.015cm3、0.125cm3以及0.6cm3電離室存在較大差異，其他探測(cè)器相對(duì)輸出因子具有一致性。另外，35mm的準(zhǔn)直器所檢測(cè)的相對(duì)輸出因子具有良好一致性。

表2 不同尺寸準(zhǔn)直器相對(duì)輸出因子結(jié)果

3 射波刀追蹤技術(shù)的應(yīng)用精確度研究

近年影像技術(shù)迅速發(fā)展進(jìn)程中，越來(lái)越多的追蹤技術(shù)應(yīng)用在射波刀設(shè)備中，以進(jìn)一步提高射波刀設(shè)備應(yīng)用精確度。當(dāng)前射波刀治療系統(tǒng)可以結(jié)合5種圖像引導(dǎo)追蹤方式以能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)校正，且獲取非常精確的射束傳輸路線，有助于進(jìn)一步提升腫瘤治療有效性，且可以對(duì)周圍正常組織以及器官起到良好的保護(hù)作用，降低不良反應(yīng)發(fā)生率。在射波刀治療系統(tǒng)應(yīng)用中，結(jié)合腫瘤靶區(qū)大小差異，可以選擇不同尺寸的準(zhǔn)直器。關(guān)于射波刀追蹤技術(shù)的應(yīng)用精確度一直以來(lái)都是研究重點(diǎn)，本次研究中發(fā)現(xiàn)在射波刀E2E測(cè)試中，目標(biāo)定位誤差6D-skull追蹤模式為（0.532±0.293）mm，fiducial金標(biāo)追蹤模式為（0.482±0.297）mm。與此同時(shí)，發(fā)現(xiàn)6種不同探測(cè)器檢測(cè)35mm準(zhǔn)直器的相對(duì)輸出因子具有良好一致性。在針對(duì)立體定向放射治療光子束精確劑量確定中，由于受到側(cè)向電子失衡以及劑量梯度陡峭因素的影響，難度較大。結(jié)合當(dāng)前研究文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)放射治療數(shù)據(jù)采集中，通常是結(jié)合二極管及其膠片劑量、熱致發(fā)光劑量計(jì)放射學(xué)劑量以及小容量電離室。但是，以上所提出的各個(gè)技術(shù)均存在有能量依賴性或分辨率較差問(wèn)題，通常不會(huì)提供所需劑量精度。本次研究中也發(fā)現(xiàn)采用電離室和二極管測(cè)量?jī)x所檢測(cè)結(jié)果差異較大，相對(duì)采用Gafchromic EBT膠片和二極管測(cè)量?jī)x所得相對(duì)輸出因子結(jié)果兩者之間較為接近。由此可以得出，射波刀治療系統(tǒng)端到端E2E測(cè)量誤差在1mm以下，目標(biāo)定位中具有較高精度。同時(shí)，也可以發(fā)現(xiàn)30mm以上準(zhǔn)直器不同探測(cè)器檢測(cè)相對(duì)輸出因子一致性較好，15mm以下所測(cè)相對(duì)輸出因子差異較大，Gafchromic EBT膠片的精確精確度最高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析所得結(jié)論主要為：

（1）針對(duì)射波刀追蹤技術(shù)精度和誤差實(shí)施分析后發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)定位誤差6D-skull追蹤模式為（0.532±0.293）mm，fiducial金標(biāo)追蹤模式為（0.482±0.297）mm，具有較高精確度。

（2）不同尺寸準(zhǔn)直器的6種不同探測(cè)器檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)35mm準(zhǔn)直器的相對(duì)輸出因子具有良好的一致性。