射波刀G3系統(tǒng)六維顱骨追蹤的曝光參數(shù)選擇的研究—全國射波刀診療中心

1、射波刀G3系統(tǒng)六維顱骨追蹤的曝光參數(shù)選擇的研究張鑫 汪勝 錢偉* 蔚華 史立群 張濤（中國人民解放軍第117醫(yī)院射波刀治療研究中心，杭州 310013）摘要 目的：探索研究6D-skull (六維顱骨追蹤)的曝光參數(shù)選擇。方法：以模型LUCY（體模名字）為實驗?zāi)ｓw，改變曝光參數(shù)的電壓，電流和時間值，采集影響追蹤出的誤差與參考數(shù)據(jù)。然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。結(jié)果：6D-skull的曝光參數(shù)選擇為：電壓在97kV107kV之間為最佳(電流為100mA，曝光時間為75ms時)，電流在100mA200mA之間最佳（電壓為90kV，曝光時間為75ms時），曝光時間在100ms125ms之間最佳(電壓為90

2、kV，電流為100mA時)。結(jié)論：所得結(jié)果可指導(dǎo)曝光參數(shù)選擇，保證治療的穩(wěn)定性，一定程度的減少了治療時間。關(guān)鍵詞 射波刀；影像引導(dǎo)放療；曝光參數(shù)；6D-skullThe research to the choose of exposure parameter while the G3 Cyberknife system work by 6D-skull traceZhang xin，Wang sheng，Qian wei*，Wei hua，Shi Li-qun，Zhang tao(The Cyberknife Treatment and research centre in the 117th

3、 hospital of PLA )【Abstract】 Objective: To research the choose of the exposure parameters for 6D-skull trace. Method: The LUCY which was a body mold was placed on the treatment couch, The traced error and the reference data were collected while changed the exposure parameters: KV, MA and EX . then w

4、e made a quantifiable analyswas for those data. Result: The choose of the exposure parameters were that: the optimum voltage was range between 97kV and 107kV while the electric current was 100 mA and the time of exposure was 75ms; the optimum electric current was range between 100mA and 125mA while

5、the voltage was 90 kV and the time of exposure was 75ms; the optimum time of exposure was range between 100ms and 125ms while the voltage was 90 kV and the electric current was 100 mA. Conclusion: The result might lead to the choose of exposure parameters, and ensured the stability of treatment, and

6、 decreased the time of treatment.【Key word】: Cyberknife；Image guided radiotherapy；exposure parameters；6D-skull0. 引言立體定向放射治療的目的是最大程度地提高腫瘤靶區(qū)的劑量，并盡可能降低正常組織的受照劑量1。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，影像追蹤在放射治療中得到越來越廣泛的應(yīng)用，立體定向放射治療的要求也越來越高。其中射波刀的高精度、大劑量、分割次數(shù)少、無創(chuàng)傷以及機(jī)器人影像跟蹤技術(shù)等優(yōu)勢，作為立體定向放射外科的最新技術(shù)被越來越多的人們所認(rèn)同2。射波刀于1999年獲得美國食品與藥品管理局 (FDA)

7、認(rèn)證可用于顱內(nèi)可放療疾病的治療，并于2001年獲得 FDA認(rèn)證可用于全身可放療疾病的治療3。之后，射波刀在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用開來。射波刀系統(tǒng)的配置包括硬件部分和軟件部分。硬件部分分為6部分：機(jī)械手臂系統(tǒng)，直線加速器系統(tǒng)，治療床系統(tǒng)， X線實時影像系統(tǒng)，紅外線同步呼吸追蹤系統(tǒng)，機(jī)電配套子系統(tǒng)。軟件部分分為：圖像融合及輪廓勾畫工作站和治療計劃系統(tǒng)，治療執(zhí)行控制軟件系統(tǒng)，患者資料管理系統(tǒng)，DICOM RT協(xié)議 4。雖然射波刀立體定向放射治療平臺的影像追蹤技術(shù)已經(jīng)達(dá)到亞毫米級，但是其誤差補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性研究還沒有深入，由于曝光參數(shù)不同，誤差補(bǔ)償也不同，因此，對于亞毫米級誤差的射波刀立體定向放射治療平臺，影

8、像追蹤的曝光參數(shù)選擇的研究更顯得有必要了。射波刀治療平臺治療時需要運用面罩固定患者頭部，保持頭部穩(wěn)定以完成治療計劃。治療過程中，機(jī)器人適時影像追蹤以提高治療精度，為了減少追蹤軟件計算的對比誤差，提高治療的準(zhǔn)確性。本文對追蹤曝光參數(shù)的選擇進(jìn)行了一定的探索研究。1. 實驗方法首先，模體LUCY經(jīng)過GE Dwascovery CT750 HD CT掃描，掃描參數(shù)為：120kV，400mA，1.25mm無間距掃描。以此CT圖像資料在治療計劃系統(tǒng)Multiplan2.1.0上做出6D-skull的E2E（模擬病人治療）計劃。然后，在操作界面SGI平臺上生成DRR，把LUCY放在治療床上，調(diào)到CT中心的位

9、置上，在操作界面上微調(diào)至影像追蹤到的對比誤差為1mm和1deg之內(nèi)（順逆時針除外）。其次即可進(jìn)行下面操作：第一，保證mA=100mA,Ex=75ms不變，改變KV的值，從小到大，觀察對應(yīng)的平移和旋轉(zhuǎn)誤差值及A、B影像的亮度增益、梯度增益和DxAB(配對公差)的變化。第二，保證KV=90kV,Ex=75ms不變，改變mA的值，從小到大，觀察對應(yīng)的平移和旋轉(zhuǎn)誤差值及A、B影像的亮度增益、梯度增益和DxAB的變化。第三，保證KV=90kV,mA=100mA不變，改變Ex的值，從小到大，觀察對應(yīng)的平移和旋轉(zhuǎn)誤差值及A、B影像的亮度增益、梯度增益和DxAB的變化。最后對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整合。2. 結(jié)果

10、2.1 KV（電壓）值對影像誤差的影響在mA=100mA，Ex=75ms不變的情況下，改變KV值，由于KV值是按1KV的檔次調(diào)節(jié)的，為了優(yōu)化方便，我們選擇了2KV檔次遞增變量，最后得出數(shù)據(jù)顯示，在83KV121KV的范圍內(nèi)可以追蹤出誤差，其變化趨勢如圖1，圖2：圖 1 六維誤差與電壓的關(guān)系曲線圖 2 亮度增益、梯度增益及DxAB與電壓的關(guān)系曲線由此，在83121kV的電壓范圍內(nèi)可以追蹤到誤差值，由圖可見，KV值取87121，誤差趨于穩(wěn)定，保證亮度增益為0.981.02，梯度增益接近0.95，KV取97107左右為最佳，此時誤差最穩(wěn)定，最接近準(zhǔn)確值。而且隨著電壓的升高，亮度增益呈增大趨勢，梯度增

11、益呈減小趨勢。2.2 mA（電流）值對影像誤差的影響在KV=90kV，Ex=75ms不變的條件下，改變mA的值，由于mA的增值檔次不恒定，所以我們從50增加到300。只有75，100，150，200，250這些值時可以追蹤出誤差。變化趨勢如圖3，圖4：圖 3六維誤差與電流的關(guān)系曲線圖 4 亮度增益、梯度增益及DxAB與電壓的關(guān)系曲線由此，在75250mA的電流可以追蹤到誤差值，由圖可見，mA值取100250，誤差趨于穩(wěn)定，保證亮度增益為0.981.02，梯度增益接近0.95，MA取150左右為最佳，此時誤差最穩(wěn)定，最接近準(zhǔn)確值。而且隨著電流的升高，亮度增益呈增大趨勢，梯度增益呈減小趨勢。2.3

12、 Ex（曝光參數(shù)）值對影像誤差的影響在KV=90kV，mA=100mA不變的條件下，改變EX的值，由于Ex的增值檔次不恒定，所以我們從10增加到200。只有75，100，125，150這些值時可以追蹤出誤差。變化趨勢如圖5，圖6：圖 5六維誤差與曝光時間的關(guān)系曲線圖 6 亮度增益、梯度增益及DxAB與曝光時間的關(guān)系曲線由此，由圖可見，在75150ms的曝光時間范圍內(nèi)可以追蹤到誤差值，保證亮度增益為0.981.02，梯度增益接近0.95，Ex取100125ms左右為最佳，此時誤差最穩(wěn)定，最接近準(zhǔn)確值。而且隨著曝光時間的升高，亮度增益呈增大趨勢，梯度增益呈減小趨勢。3. 討論影像引導(dǎo)功能逐漸成為放

13、療設(shè)備的主導(dǎo)功能，成像系統(tǒng)分為輻射類和非輻射類，輻射類 主要有：MV級射束成像和kV級X光成像，非輻射類主要是超聲波 6。射波刀影像系統(tǒng)的功能不同于其它設(shè)備，它要完成影像引導(dǎo)擺位、呼吸模型建立、實時追蹤，這就是治療過程中攝片數(shù)多于其它設(shè)備的原因7。CyberKnife系統(tǒng)利用機(jī)器人互動技術(shù)，采用計算機(jī)立體定位，配備kV級X線立體成像系統(tǒng)“即時”影像引導(dǎo)，自動靶區(qū)追蹤、自動位置修正，輕松實現(xiàn)全身各部位良、惡性腫瘤亞毫米級精確放射外科治療8。射波刀的千伏級影像引導(dǎo)系統(tǒng)在實現(xiàn)3種影像引導(dǎo)功能的同時，會對患者產(chǎn)生額外吸收劑量，單次曝光最小吸收劑量為0.5µGy，最大為0.385µG

14、y9。治療頭部病灶時，由于曝光參數(shù)相對較低，對患者產(chǎn)生的額外劑量會相對較小。射波刀曝光參數(shù)指的是X線球管的曝光參數(shù)，具體為一對X線球管 (A、B球管)的電壓、電流、曝光時間10。其中電壓變化范圍40140kV（以1kV值為變化檔），電流變化范圍50300mA（可選擇值為50、75、100、150、200、250、300mA），曝光時間變化范圍10200ms(可供選擇值為10、20、35、50、75、100、125、150、200ms)。治療顱腦和頜面部腫瘤時，應(yīng)用6D-skull追蹤，無需有創(chuàng)頭架。治療時天花板上的2組X射線實時采集顱骨影像，獲得一對相互垂直的頭顱影像，系統(tǒng)將其對比DRR影像，

15、得到六維方向上的誤差，遠(yuǎn)程操作移動治療床，使拍攝的顱骨影像與DRR影像毫米內(nèi)誤差符合。治療開始，設(shè)定好節(jié)點數(shù)，實時比對病灶位置11。如果頭顱有輕微的移動，立刻計算出移動造成的偏差，機(jī)械臂根據(jù)偏差微調(diào)加速器的方位進(jìn)行補(bǔ)償，對準(zhǔn)病灶治療，如果患者移動較大，超出補(bǔ)償誤差范圍，機(jī)械臂會立即停止（E-Stop），需要人為遠(yuǎn)程操控調(diào)整治療床位置。從治療的過程，我們不難發(fā)現(xiàn)，最重要的是系統(tǒng)對比DRR影像所產(chǎn)生的六維方向上的誤差，而這個誤差與曝光參數(shù)的選擇息息相關(guān)。六維顱骨追蹤方式下，X線球管曝光條件要求滿足DxAB1mm、亮度增益接近于1、梯度增益接近于0.94。對于6D-skull（六維顱骨追蹤）和SST

16、（脊椎追蹤）和Fiducial(金標(biāo)追蹤)三種追蹤模式，其治療精度達(dá)0.95mm，此三種追蹤模式只適用于相對靜止的器官，而對于運動性器官的MTS（同步呼吸追蹤）模式，其治療精度可達(dá)1.5mm。雖然射波刀系統(tǒng)的精度已經(jīng)如此亞毫米程度，但是操作治療過程中，技師對追蹤參數(shù)的設(shè)置直接影響了射波刀追蹤誤差，進(jìn)而影響機(jī)械臂的補(bǔ)償值。對六維顱骨追蹤而言，由于面罩的固定和顱骨的骨性特點，每個人的顱骨CT中心CT值較為接近，治療過程相對穩(wěn)定，一般病人不會移動超出追蹤范圍。而且治療過程中，6個自由度的對比誤差最好人工遠(yuǎn)程操作微調(diào)至1mm和1°以下，雖然系統(tǒng)設(shè)定角度的最大微調(diào)幅度為5°，但是微調(diào)

17、角度時，微調(diào)的幅度最好不要超過3°，否則患者會有很強(qiáng)烈的反射反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)不到操作者的目的。筆者通過本文的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)用到實際操作中，治療穩(wěn)定性有了一定的提高，治療時間也減了下來，減少了超出追蹤范圍的E-Stop次數(shù)，減少了攝片次數(shù)，進(jìn)而減少了患者額外射線吸收劑量。雖然射波刀的臨床應(yīng)用和治療效果得到越來越多的患者的認(rèn)可，但是由于射波刀治療時需要適時影像追蹤技術(shù)的運用，每次治療時間平均需要40分鐘，并沒有達(dá)到醫(yī)患的期望。本文只對六維顱骨追蹤的曝光參數(shù)選擇進(jìn)行了研究探索，而對于較為復(fù)雜的脊椎追蹤、金標(biāo)追蹤和同步呼吸追蹤的曝光參數(shù)選擇還需要進(jìn)一步的探索研究。4. 結(jié)論本文以曝光參數(shù)（90K

18、V，100mA，75ms）為基礎(chǔ)，分別對三個參數(shù)進(jìn)行實驗采集數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可證明：亮度增益隨KV，mA，EX的值增大而遞增，而梯度增益正好相反。6D-skull（六維顱骨追蹤）的曝光參數(shù)選擇為：電壓在97KV107KV之間為最佳，電流在100mA200mA之間最佳，曝光時間在100ms125ms之間最佳。如下表：表1 6D-skull追蹤模式的曝光參數(shù)選擇最佳范圍電壓(kV)電流(mA)曝光時間(ms)9710710075901002007590100100125本文通過改變曝光參數(shù)減少追蹤軟件的對比誤差，進(jìn)而減少修正攝片次數(shù)，縮短治療時間，一定程度上減少了患者的額外射線吸收劑量。參

19、考文獻(xiàn)：1 王境生，李豐彤，董洋，宋勇春，袁智勇射波刀5種追蹤方法的原理J/OL原理與應(yīng)用，2013,4：130-1322 董洋，李豐彤，王境生等置人軟組織金標(biāo)數(shù)目對射波刀系統(tǒng)影像定位精度影響J/OL中華放射腫瘤學(xué)雜志，2010，19：465-4673 FDA clearance. Accessed AugustEB/OL(2001).Available at URL address: /cdrh/pdf/kO11024.pdf4 李兵，封其卉，沈君妹. 射波刀全身腫瘤立體定向放射外科新設(shè)備J/OL. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2009,1,30(1)：37-395 王境生，李豐彤，董 洋，宋勇春，袁智勇第三代射波刀系統(tǒng)影像曝光參數(shù)的選擇J/OL中華放射腫瘤學(xué)雜志，2012,21:4006 Poppe B，Looe HK，Chofor N，et alClinical