付東山，黎維娟

江蘇瑞爾醫(yī)療科技有限公司，江蘇 無錫 214109

體部伽瑪?shù)秷D像引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展

付東山，黎維娟

江蘇瑞爾醫(yī)療科技有限公司，江蘇 無錫 214109

體部立體定向放射治療（SBRT）是立體定向放射外科（SRS）技術(shù)和臨床應(yīng)用的自然延伸，是一種在精確圖像引導(dǎo)下的大劑量低分次的放射治療方法。體部伽瑪?shù)妒侵袊灾餮邪l(fā)的創(chuàng)新放療設(shè)備，把伽瑪射束治療從頭部延伸至體部。在近15年的技術(shù)發(fā)展和臨床實踐中，體部伽瑪?shù)堆赜昧藗鹘y(tǒng)的體部框架定位模式，由于缺少足夠定位精度，限制了其作為SBRT設(shè)備在臨床上的廣泛使用。近年來，圖像引導(dǎo)定位技術(shù)開始應(yīng)用于體部伽瑪?shù)?，將為體部伽瑪?shù)禨BRT規(guī)范治療開啟嶄新一頁。本文介紹了體部伽瑪?shù)秷D像引導(dǎo)定位的原理、方法、試驗和初步應(yīng)用。

體部伽瑪?shù)?；圖像引導(dǎo)放射治療；體部立體定向放射治療；立體定向放射外科；錐形束CT；X射線立體平面成像；二維-三維圖像配準(zhǔn)

0 前言

圖像引導(dǎo)放射治療（Image Guided Radiation Therapy, IGRT）是近十幾年來逐步發(fā)展起來的腫瘤放射治療新技術(shù)[1]，它通過先進(jìn)的影像設(shè)備及圖像處理方法對患者靶區(qū)在治療前進(jìn)行精確定位、在治療中進(jìn)行實時定位跟蹤，實現(xiàn)對腫瘤的精確放射治療，降低對腫瘤周邊正常組織及關(guān)鍵器官的損傷。圖像引導(dǎo)技術(shù)是現(xiàn)代新興精確放射治療的基石，如立體定向放射外科（SRS）、體部立體定向放射治療（SBRT）以及圖像引導(dǎo)調(diào)強放療（IG-IMRT）。

ASTRO和ACR對SBRT定義為以單次或少次對體部靶區(qū)進(jìn)行非常精確的高劑量投射[2]。AAPM TG 101報告也描述了SBRT區(qū)別于其它治療方法的主要特點[3]：高劑量（每次6～30 Gy），低分次（1～5次），毫米級邊緣，精確定位。不論采用何種影像定位技術(shù)，kV級或MV級（EPID）的X射線平面成像，kV級或MV級的CT成像，SBRT和SRS對定位精度的要求一樣嚴(yán)格，剩余擺位誤差應(yīng)≤1 mm[4]。隨著IGRT技術(shù)不斷進(jìn)步，SBRT得到了越來越普遍的臨床實踐，大量臨床數(shù)據(jù)肯定了SBRT在肺、肝、腎、胰腺、前列腺和脊椎腫瘤的治療效果[5]。然而SBRT是一種仍在發(fā)展中的治療方法，現(xiàn)有臨床研究多集中在肺部腫瘤，還需更多適應(yīng)癥的臨床實踐和更豐富的臨床證據(jù)，來證明SBRT相比其他方法的理論優(yōu)勢[6]。為了避免低分次大劑量可能出現(xiàn)的臨床風(fēng)險，醫(yī)務(wù)人員要接受特殊SBRT臨床操作流程培訓(xùn)，醫(yī)學(xué)物理師要嚴(yán)格把關(guān)，實施質(zhì)量保證[7]。

早期SRS頭部伽瑪?shù)对从?951年瑞典神經(jīng)外科專家Leksell提出的立體定向放射治療的設(shè)想，采用立體定向定位裝置和多源射束準(zhǔn)直聚焦，單分次將非常大的適形劑量投放到定義好的病變靶區(qū)[8-9]。斯坦福大學(xué)神經(jīng)外科醫(yī)生Adler教授，從頭部伽瑪?shù)兜呐R床優(yōu)勢和缺陷中獲得啟發(fā)，創(chuàng)立了無立體定位框架SRS概念，并在90年代成功研發(fā)了CyberKnife系統(tǒng)（Accuray Inc., Sunnyvale, CA）[10-11]。CyberKnife結(jié)合圖像引導(dǎo)、現(xiàn)代機器人和小型化直線加速器技術(shù)，實現(xiàn)了精確圖像引導(dǎo)下的SRS，可低分次（1～5）治療不同大小的腫瘤。早期CyberKnife只適用于頭頸部各種腫瘤治療，隨著脊椎影像定位跟蹤技術(shù)的發(fā)展，其臨床應(yīng)用延伸到脊椎腫瘤治療[12]，進(jìn)而成為全身神經(jīng)放射外科手術(shù)系統(tǒng)。伴隨著體部腫瘤影像定位及呼吸運動跟蹤技術(shù)的進(jìn)一步成熟和成功應(yīng)用，臨床應(yīng)用范圍擴展到肺、肝、胰腺、前列腺等體部腫瘤治療，實現(xiàn)了從頭部SRS到體部SBRT的自然發(fā)展，從而實現(xiàn)了全身SBRT[13]，。另一個全身SRS、SBRT系統(tǒng)Novalis（BrainLAB Inc. Feldkirchen, Germany），在2001開始應(yīng)用于頭部和脊椎腫瘤治療[14-15]，已得到廣泛臨床應(yīng)用。CyberKnife和Novalis不僅能實施治療分次間（interfraction）定位，還可在治療中（intrafraction）對靶區(qū)運動進(jìn)行定位跟蹤，提供整個治療過程中的靶區(qū)位置精度。CyberKnife和Novalis具備很強的圖像引導(dǎo)和實時運動跟蹤功能，是非常有效的SBRT治療設(shè)備，是SBRT技術(shù)發(fā)展和臨床實踐的先驅(qū)。

在Leksell發(fā)明的靜態(tài)頭部伽瑪?shù)都夹g(shù)基礎(chǔ)上，經(jīng)過學(xué)習(xí)、消化、局部創(chuàng)新，我國于1995年自主研發(fā)設(shè)計了第一臺旋轉(zhuǎn)式頭部伽瑪?shù)?，又進(jìn)一步開展了體部伽瑪?shù)兜募夹g(shù)研究，并于1998年成功研發(fā)了第一臺多源旋轉(zhuǎn)聚焦式OUR-QGD型體部伽瑪?shù)禰16]，隨后又研發(fā)了多種型號體部伽瑪?shù)?，并相繼投入臨床使用。體部伽瑪?shù)吨委煵捎昧藗鹘y(tǒng)的體部框架定位方式，難以嚴(yán)格控制和保證定位精度。精度的不確定性，極大地限制了體部伽瑪?shù)哆m應(yīng)癥的范圍，也給治療劑量和分次的規(guī)劃帶來了難度。體部伽瑪?shù)蹲鳛橐环NSBRT設(shè)備，要能實施符合SBRT要求和規(guī)范的治療，精確圖像引導(dǎo)定位是必不可缺的[2-3]。圖像引導(dǎo)定位替代或結(jié)合體部框架定位，是大部分體部伽瑪?shù)斗暖熱t(yī)生和物理師長期以來所期待的。近年來，我國借鑒國際上IGRT技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗，開展了適合于體部伽瑪?shù)兜膱D像引導(dǎo)定位技術(shù)研發(fā)，目前已與兩種型號體部伽瑪?shù)督Y(jié)合使用，并開始進(jìn)入臨床試驗。本文將介紹此項圖像引導(dǎo)放療定位系統(tǒng)的技術(shù)原理、實施方法、試驗結(jié)果。

1 圖像引導(dǎo)定位技術(shù)比較

放療圖像引導(dǎo)技術(shù)主要包括kV級錐形束CT（CBCT）、MV級螺旋CT、kV級X射線立體平面成像、EPID、Ultrasound、MRI。而兩種主流技術(shù)是CBCT三維成像和X射線立體平面成像。CBCT技術(shù)應(yīng)用于Varian和Elekta生產(chǎn)的系列IGRT機型，如RapidArc、TrueBeam、Synergy、VMAT；而X射線立體平面成像技術(shù)應(yīng)用于CyberKnife和Novalis系統(tǒng)。

CBCT技術(shù)采用由X線源和平板探測器組成的機載X線成像設(shè)備，繞加速器機架中心點旋轉(zhuǎn)一圈或一定弧度，在不同旋轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生錐形線束、采集二維透視圖像，通過對多個二維圖像的快速三維重建得到CBCT圖像。然后，利用CBCT圖像與治療計劃CT圖像的三維-三維（3D-3D）圖像配準(zhǔn)，得到患者或靶區(qū)的位置偏移。通過移動治療床來調(diào)整病人位置，達(dá)到治療前精確定位的目的。其優(yōu)點：三維圖像可提供更全面的體內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)信息；可對部分軟組織進(jìn)行直接圖像配準(zhǔn)定位，并且必要時可進(jìn)行非剛性圖像配準(zhǔn)；根據(jù)每分次CBCT，觀察判斷腫瘤大小變化，如發(fā)現(xiàn)腫瘤大小發(fā)生變化，可對后續(xù)分次治療做適當(dāng)?shù)挠媱澱{(diào)整。缺點：成像劑量大，單次成像劑量是X射線立體平面成像技術(shù)的近2個數(shù)量級[17]；定位過程所需時間較長，需數(shù)分鐘；定位后無法再做另一次CBCT驗證剩余擺位誤差，在必要時需要輔助定位系統(tǒng)作最后位置驗證；無法在治療中對病人位置變化和腫瘤運動移位進(jìn)行驗證。

X射線立體平面成像技術(shù)采用kV級X射線交角透視成像，對患者的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)或外部植入金屬標(biāo)記進(jìn)行兩個方向的透視成像，取得兩個二維透視圖像，利用兩個二維透視圖像和治療計劃CT圖像的二維-三維（2D-3D）圖像配準(zhǔn)，計算出患者或靶區(qū)的位置偏移，由此在治療前通過移動治療床來調(diào)整患者擺位。然后可多次重復(fù)上述定位過程，校正、驗證剩余擺位誤差，直到最終剩余擺位誤差達(dá)到要求。優(yōu)點：單次成像劑量一般＜5 mGy，遠(yuǎn)小于CBCT成像劑量[17]；定位時間較短，單次定位只需數(shù)十秒鐘，整個定位過程一般只需1～2 min；每個分次可進(jìn)行多次位置校正、驗證，保證最后剩余擺位誤差達(dá)到臨床要求；在治療過程中，可不斷地驗證病人位置移動，如果結(jié)合紅外呼氣運動跟蹤技術(shù)，則能實時地定位跟蹤胸腹部腫瘤運動。缺點：二維透視成像只提供了有限的體內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)信息，在圖像上較難分辨軟組織和靶區(qū)；2D-3D圖像配準(zhǔn)一般利用骨骼解剖標(biāo)記或外部植入的金屬標(biāo)記。

X射線立體平面成像和CBCT都可提供6個自由度的定位結(jié)果，包括3個平移和3個轉(zhuǎn)角，比較兩種不同方法的定位精度是必要的。NovalisTx系統(tǒng)同時結(jié)合了兩套圖像引導(dǎo)系統(tǒng)：BrainLAB的X射線立體平面成像定位系統(tǒng)ExacTrac和Varian的CBCT定位系統(tǒng)OBI，為精度比較研究提供了一個理想平臺。Ma J對頭部人體模型以及18例顱內(nèi)腫瘤患者進(jìn)行了定位精度比較研究[18]，比較兩種方法定位所獲得的剩余擺位誤差的差別，用平方根均差RMS表示，人體模型比較結(jié)果：平移RMS<0.5 mm，轉(zhuǎn)角RMS<0.2°；患者比較結(jié)果：平移RMS<1.5 mm，轉(zhuǎn)角RMS<1.0°。Chang Z對脊椎人體模型以及16例脊椎腫瘤患者進(jìn)行了類似研究[19]，人體模型比較：平移RMS<1.0 mm，轉(zhuǎn)角RMS<1.0°；患者比較：平移RMS<2.0 mm，轉(zhuǎn)角RMS<1.5°。上述比較研究可發(fā)現(xiàn)，ExacTrac與CBCT有可比較的定位精度。

采用X射線立體平面成像定位技術(shù)的CyberKnife系統(tǒng)針對不同部位腫瘤，設(shè)計了不同定位跟蹤方法，6D Skull Tracking System、Xsight Spine Tracking System、Xsight Lung Tracking System、Fiducial Tracking System分別適用于頭部、脊椎、肺部和其他部位。通過人體模型對各種方法的精度研究表明[20-23]，定位精度：平移RMS<0.5 mm，轉(zhuǎn)角RMS<0.5°；通過人體模型膠片測試的整機系統(tǒng)靶點精度＜1.0 mm。Fürweger C采集了用Xsight Spine Tracking System連續(xù)單次治療260例脊椎病人數(shù)據(jù)，研究剩余擺位誤差及治療中不斷驗證的靶區(qū)位置，結(jié)果顯示：在95%情況下，靶區(qū)位置精度＜1 mm[24]。CyberKnife圖像引導(dǎo)定位跟蹤系統(tǒng)，具有滿足SRS和SBRT治療對高精度的要求。2008年Sahgal A對4種IGRT設(shè)備（ CyberKnife、Novalis,、TomoTherapyHiArt和Elekta Synergy）用于脊椎SBRT治療的精度進(jìn)行了分析比較:發(fā)現(xiàn)CyberKnife具有最好的interfraction和intrafraction定位跟蹤精度[25]。

綜上所述，X射線立體平面成像是一種很有效的IGRT定位技術(shù)，具有以下特點：① 精度高；② 成像劑量低；③定位時間短；④ 能進(jìn)行治療前病人定位和治療中靶區(qū)運動跟蹤。另外，現(xiàn)代的質(zhì)子/重離子加速器放療設(shè)備也普遍采用了立體平面成像定位技術(shù)，作為其嚴(yán)格控制靶點精度的重要手段[26]。

2 體部伽瑪?shù)秷D像引導(dǎo)技術(shù)及其應(yīng)用

2.1 原理和方法

X射線立體平面成像技術(shù)的核心是2D-3D圖像配準(zhǔn)。在IGRT、圖像引導(dǎo)外科手術(shù)（Image-Guided Surgery, IGS）和圖像引導(dǎo)微創(chuàng)治療（Image-Guided Minimally Invasive Therapy, IGMIT )等技術(shù)領(lǐng)域，已有大量關(guān)于2D-3D圖像配準(zhǔn)方法的研究和應(yīng)用。兩個商業(yè)IGRT系統(tǒng)CyberKnife和Novalis的成功研發(fā)和廣泛臨床應(yīng)用，使這種配準(zhǔn)技術(shù)的研究達(dá)到了登峰造極的境界[27]。2D-3D圖像配準(zhǔn)利用在線獲取的一個或兩個二維X射線投影圖像和之前產(chǎn)生的一個三維CT（或MRI）圖像，根據(jù)圖像相似性測量原理[28]，找到病人體內(nèi)靶區(qū)（Target）或體內(nèi)感興趣區(qū)（ROI）在兩個不同時間的位置變化，首先根據(jù)具體臨床應(yīng)用的X射線成像系統(tǒng)幾何尺寸，從三維CT獲得數(shù)字重組透視圖像（Digitally Reconstructed Radiograph, DRR），把2D-3D圖像配準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為X射線圖像與DRR的二維-二維（2D-2D）圖像配準(zhǔn)。通過復(fù)雜的圖像處理和配準(zhǔn)算法，計算兩個投影面上的二維配準(zhǔn)結(jié)果，然后經(jīng)過二維到三維幾何轉(zhuǎn)換，得到在病人三維坐標(biāo)系上6個自由度的配準(zhǔn)結(jié)果，即3個方向平移和3個方向轉(zhuǎn)角。

本文介紹的圖像引導(dǎo)定位系統(tǒng)（Image-Guided Positioning System, IGPS）采用X射線立體平面成像技術(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成像設(shè)備組成如圖1所示，通過由計算機軟件控制兩組由kV級X射線管、高壓發(fā)生器、非晶硅平板探測器和曝光控制器組成的成像系統(tǒng)，對患者的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)或外部植入金屬標(biāo)記進(jìn)行兩個方向的X射線透視投影，實時地采集一對X射線透視圖像。IGPS軟件系統(tǒng)組成如圖2所示，數(shù)據(jù)庫接受由放療系統(tǒng)TPS通過Ethernet傳輸?shù)牟∪薉ICOM數(shù)據(jù)，包括CT圖像和定位參考點；計劃軟件處理CT圖像，生成DRR圖像，選擇圖像配準(zhǔn)ROI；定位軟件生成DRR圖像庫，控制成像設(shè)備實時采集X射線圖像，進(jìn)行2D-3D圖像配準(zhǔn)，計算病人位置偏移，輸出定位結(jié)果（3個平移和3個轉(zhuǎn)角），并傳輸給放療系統(tǒng)控制臺。

用一個盆腔腫瘤病人定位過程中采集的圖像作為例子，圖3描述了圖像配準(zhǔn)的流程和結(jié)果。TPS根據(jù)靶區(qū)位置定義了圖像配準(zhǔn)參考點，IGPS定義以配準(zhǔn)參考點為中心的圖像配準(zhǔn)ROI，同時生成以配準(zhǔn)參考點為中心的DRR圖像。IGPS采集到X射線圖像后，對左右投影圖像進(jìn)行獨立的2D-2D圖像配準(zhǔn)，用DRR上的ROI（黃色）作為配準(zhǔn)參考區(qū)域，在X射線圖像中找到相應(yīng)的被配準(zhǔn)ROI（紫色）。被配準(zhǔn)ROI相對于配準(zhǔn)參考ROI的位置偏移，即為圖像配準(zhǔn)結(jié)果，被配準(zhǔn)ROI相對于配準(zhǔn)參考ROI的位置顯示在X射線圖像上。根據(jù)配準(zhǔn)結(jié)果，校正X射線圖像位置，并與DRR圖像重疊，可用分割方塊目視檢查圖像配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。

圖1 IGPS系統(tǒng)成像結(jié)構(gòu)和設(shè)備組成

圖2 IGPS軟件系統(tǒng)組成

圖3 圖像配準(zhǔn)的過程和結(jié)果

2.2 與體部伽瑪?shù)断到y(tǒng)結(jié)合

根據(jù)不同類型體部伽瑪?shù)兜臋C械結(jié)構(gòu)特點，可選擇IGPS成像幾何，優(yōu)化IGPS與伽瑪?shù)断到y(tǒng)的結(jié)合。IGPS首先實現(xiàn)了與深圳市海博科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的SGS-I+型體部伽瑪?shù)兜膶?，見圖4。由于SGS-I+自身機械結(jié)構(gòu)的特點，其內(nèi)部無足夠空間容納IGPS成像硬件，為此IGPS放置于伽瑪?shù)稒C身外部前側(cè)。兩個X射線管固定在從伽瑪?shù)稒C體前側(cè)延伸出來的懸臂上，平板探測器安裝固定于地面，形成對稱的雙投影交角成像幾何，兩X射束中心線交叉于定位中心點。IGPS在定位中心點完成病人定位，然后通過移動治療床，把病人推進(jìn)到治療中心點，即伽瑪?shù)毒劢怪行狞c。

IGPS也實現(xiàn)了與深圳市奧沃醫(yī)學(xué)新技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的OUR-QGD型體部伽瑪?shù)膶?，見圖5。OUR-QGD為開放式的機械結(jié)構(gòu)，提供了足夠內(nèi)部空間安裝成像設(shè)備。兩個X射線管懸掛固定在從伽瑪?shù)稒C體兩側(cè)延伸出來的機架上，兩個平板探測器安裝固定于地面，兩X射束中心線交叉的定位中心點在伽瑪?shù)毒劢怪行狞c的正下方。在定位中心點完成病人定位后，向正上方移動治療床，把病人移到治療中心點位置。

結(jié)合后的圖像引導(dǎo)體部伽瑪?shù)断到y(tǒng)（IGRT-GK），借助帶仿真腫瘤的仿真人體模型，進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)校準(zhǔn)和整機靶點精度測試。系統(tǒng)校準(zhǔn)是精確測量IGPS定位中心點和伽瑪?shù)毒劢怪行狞c的實際空間距離，用人體模型膠片靶點精度測試方法來確定。在重復(fù)測試靶點精度的過程中，不斷修正空間距離，直到靶點精度＜1.0 mm。完成系統(tǒng)校準(zhǔn)后，繼續(xù)重復(fù)幾次靶點精度測試，得到具有足夠統(tǒng)計性的整機靶點精度。

2.3 初步試驗結(jié)果

IGPS已安裝在SGS-I+體部伽瑪?shù)渡?，完成了系統(tǒng)對接和測試工作。人體模型精度測試結(jié)果顯示：IGPS定位精度＜0.5 mm，整機靶點精度＜1.0 mm。臨床使用后，采集并分析了10個病例數(shù)據(jù)，比較了體部框架定位和IGPS圖像引導(dǎo)定位所得的剩余擺位誤差。10個患者接受了SGS-I+體部伽瑪?shù)?～10分次放射治療，每個分次治療前，先用體部框架定位，再用圖像引導(dǎo)定位，記錄剩余擺位誤差，每個患者分次間剩余擺位誤差是變化的，結(jié)果見圖6。體部框架定位后的剩余擺位誤差范圍約10 mm，然而圖像引導(dǎo)定位后的擺位誤差遠(yuǎn)＜1 mm，極大地提高了定位精度。

圖4 IGPS與SGS-I+體部伽瑪型刀的結(jié)合

圖5 IGPS與OUR-QGD型伽瑪?shù)兜慕Y(jié)合

圖6 剩余擺位誤差比較

3 總結(jié)

圖像引導(dǎo)技術(shù)是現(xiàn)代精確放射治療的基石，在高精度保證下，SBRT大劑量低分次治療才是安全有效的?；赬射線立體平面成像技術(shù)的IGPS，通過與SGS-I+體部伽瑪?shù)兜慕Y(jié)合，形成圖像引導(dǎo)體部伽瑪?shù)?。整機系統(tǒng)靶點精度好于1 mm，病人剩余擺位誤差＜1 mm，滿足SBRT臨床規(guī)范的要求，是一種很有潛力的SBRT設(shè)備。圖像引導(dǎo)體部伽瑪?shù)兜某晒ρ邪l(fā)和使用，解決了多年來用體部框架定位無精度保證帶來的困惑，是國產(chǎn)體部伽瑪?shù)都夹g(shù)發(fā)展的一個里程碑，將為其進(jìn)一步推廣使用起到積極作用。

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Development of Image Guidance Techniques of Body Gamma Knife

FU Dong-shan, LI Wei-juan
Jiangsu Ruier Medical Technology Co., Ltd., Wuxi Jiangsu 214109, China

Stereotactic body radiation therapy (SBRT) derives naturally from stereotactic radiosurgery (SRS) technology and clinical application. Under very precise image guidance, SBRT delivers a very large dose to a well-def i ned target in a small number of fractions. Body gamma knife is an innovative radiotherapy device that was independently conceptualized and designed in China, which extends Gamma-beam therapy from head to body. For nearly fi fteen years of technology development and clinical practice, body gamma knife has been following the traditional body frame positioning mode, whose lack of position precision prevents the knife’s widespread application as a SBRT equipment. However, in recent years, image guidance technique begins to be applied in body gamma knife, which would initiate a new phase for its standard SBRT practice. This paper mainly introduces the principles, methods, experiments and preliminary results of an image-guided positioning system used in Body Gamma Knife.

body Gamma knife; image-guided radiation therapy (IGRT); stereotactic body radiation therapy (SBRT); stereotactic radiosurgery (SRS); cone beam computed tomography (CBCT); X-ray stereoscopic planar imaging; 2D-3D image registration

R741.05

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.10.002

1674-1633(2014)10-0004-05

2014-03-05

2014-05-09

作者郵箱：dongshan_fu@hotmail.com