射波刀G3系统六维颅骨追踪的曝光参数选择的研究—全国射波刀诊疗中心.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date射波刀G3系统六维颅骨追踪的曝光参数选择的研究全国射波刀诊疗中心射波刀G3系统六维颅骨追踪的曝光参数选择的研究全国射波刀诊疗中心射波刀G3系统六维颅骨追踪的曝光参数选择的研究张鑫 汪胜 钱伟* 蔚华 史立群 张涛（中国人民解放军第117医院射波刀治疗研究中心，杭州 310013）摘要 目的：探索研究6D-skull (六维颅骨追踪)的曝光参数选择。方法：以模型LUCY（体模名字）为实验模体，改变曝光参数的电压，电流和时间值，采集影响追踪出的误差与参考数据。然后对数据进行定量分析。结果：6D-skull的曝光参数选择为：电压在97kV107kV之间为最佳(电流为100mA，曝光时间为75ms时)，电流在100mA200mA之间最佳（电压为90kV，曝光时间为75ms时），曝光时间在100ms125ms之间最佳(电压为90kV，电流为100mA时)。结论：所得结果可指导曝光参数选择，保证治疗的稳定性，一定程度的减少了治疗时间。关键词 射波刀；影像引导放疗；曝光参数；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 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 we 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 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 decreased the time of treatment.【Key word】: Cyberknife；Image guided radiotherapy；exposure parameters；6D-skull0. 引言立体定向放射治疗的目的是最大程度地提高肿瘤靶区的剂量，并尽可能降低正常组织的受照剂量1。随着技术的不断发展，影像追踪在放射治疗中得到越来越广泛的应用，立体定向放射治疗的要求也越来越高。其中射波刀的高精度、大剂量、分割次数少、无创伤以及机器人影像跟踪技术等优势，作为立体定向放射外科的最新技术被越来越多的人们所认同2。射波刀于1999年获得美国食品与药品管理局 (FDA)认证可用于颅内可放疗疾病的治疗，并于2001年获得 FDA认证可用于全身可放疗疾病的治疗3。之后，射波刀在全球范围内广泛应用开来。射波刀系统的配置包括硬件部分和软件部分。硬件部分分为6部分：机械手臂系统，直线加速器系统，治疗床系统， X线实时影像系统，红外线同步呼吸追踪系统，机电配套子系统。软件部分分为：图像融合及轮廓勾画工作站和治疗计划系统，治疗执行控制软件系统，患者资料管理系统，DICOM RT协议 4。虽然射波刀立体定向放射治疗平台的影像追踪技术已经达到亚毫米级，但是其误差补偿的准确性研究还没有深入，由于曝光参数不同，误差补偿也不同，因此，对于亚毫米级误差的射波刀立体定向放射治疗平台，影像追踪的曝光参数选择的研究更显得有必要了。射波刀治疗平台治疗时需要运用面罩固定患者头部，保持头部稳定以完成治疗计划。治疗过程中，机器人适时影像追踪以提高治疗精度，为了减少追踪软件计算的对比误差，提高治疗的准确性。本文对追踪曝光参数的选择进行了一定的探索研究。1. 实验方法首先，模体LUCY经过GE Dwascovery CT750 HD CT扫描，扫描参数为：120kV，400mA，1.25mm无间距扫描。以此CT图像资料在治疗计划系统Multiplan2.1.0上做出6D-skull的E2E（模拟病人治疗）计划。然后，在操作界面SGI平台上生成DRR，把LUCY放在治疗床上，调到CT中心的位置上，在操作界面上微调至影像追踪到的对比误差为1mm和1deg之内（顺逆时针除外）。其次即可进行下面操作：第一，保证mA=100mA,Ex=75ms不变，改变KV的值，从小到大，观察对应的平移和旋转误差值及A、B影像的亮度增益、梯度增益和DxAB(配对公差)的变化。第二，保证KV=90kV,Ex=75ms不变，改变mA的值，从小到大，观察对应的平移和旋转误差值及A、B影像的亮度增益、梯度增益和DxAB的变化。第三，保证KV=90kV,mA=100mA不变，改变Ex的值，从小到大，观察对应的平移和旋转误差值及A、B影像的亮度增益、梯度增益和DxAB的变化。最后对采集的数据进行分析整合。2. 结果2.1 KV（电压）值对影像误差的影响在mA=100mA，Ex=75ms不变的情况下，改变KV值，由于KV值是按1KV的档次调节的，为了优化方便，我们选择了2KV档次递增变量，最后得出数据显示，在83KV121KV的范围内可以追踪出误差，其变化趋势如图1，图2：图 1 六维误差与电压的关系曲线图 2 亮度增益、梯度增益及DxAB与电压的关系曲线由此，在83121kV的电压范围内可以追踪到误差值，由图可见，KV值取87121，误差趋于稳定，保证亮度增益为0.981.02，梯度增益接近0.95，KV取97107左右为最佳，此时误差最稳定，最接近准确值。而且随着电压的升高，亮度增益呈增大趋势，梯度增益呈减小趋势。2.2 mA（电流）值对影像误差的影响在KV=90kV，Ex=75ms不变的条件下，改变mA的值，由于mA的增值档次不恒定，所以我们从50增加到300。只有75，100，150，200，250这些值时可以追踪出误差。变化趋势如图3，图4：图 3六维误差与电流的关系曲线图 4 亮度增益、梯度增益及DxAB与电压的关系曲线由此，在75250mA的电流可以追踪到误差值，由图可见，mA值取100250，误差趋于稳定，保证亮度增益为0.981.02，梯度增益接近0.95，MA取150左右为最佳，此时误差最稳定，最接近准确值。而且随着电流的升高，亮度增益呈增大趋势，梯度增益呈减小趋势。2.3 Ex（曝光参数）值对影像误差的影响在KV=90kV，mA=100mA不变的条件下，改变EX的值，由于Ex的增值档次不恒定，所以我们从10增加到200。只有75，100，125，150这些值时可以追踪出误差。变化趋势如图5，图6：图 5六维误差与曝光时间的关系曲线图 6 亮度增益、梯度增益及DxAB与曝光时间的关系曲线由此，由图可见，在75150ms的曝光时间范围内可以追踪到误差值，保证亮度增益为0.981.02，梯度增益接近0.95，Ex取100125ms左右为最佳，此时误差最稳定，最接近准确值。而且随着曝光时间的升高，亮度增益呈增大趋势，梯度增益呈减小趋势。3. 讨论影像引导功能逐渐成为放疗设备的主导功能，成像系统分为辐射类和非辐射类，辐射类 主要有：MV级射束成像和kV级X光成像，非辐射类主要是超声波 6。射波刀影像系统的功能不同于其它设备，它要完成影像引导摆位、呼吸模型建立、实时追踪，这就是治疗过程中摄片数多于其它设备的原因7。CyberKnife系统利用机器人互动技术，采用计算机立体定位，配备kV级X线立体成像系统“即时”影像引导，自动靶区追踪、自动位置修正，轻松实现全身各部位良、恶性肿瘤亚毫米级精确放射外科治疗8。射波刀的千伏级影像引导系统在实现3种影像引导功能的同时，会对患者产生额外吸收剂量，单次曝光最小吸收剂量为0.5µGy，最大为0.385µGy9。治疗头部病灶时，由于曝光参数相对较低，对患者产生的额外剂量会相对较小。射波刀曝光参数指的是X线球管的曝光参数，具体为一对X线球管 (A、B球管)的电压、电流、曝光时间10。其中电压变化范围40140kV（以1kV值为变化档），电流变化范围50300mA（可选择值为50、75、100、150、200、250、300mA），曝光时间变化范围10200ms(可供选择值为10、20、35、50、75、100、125、150、200ms)。治疗颅脑和颌面部肿瘤时，应用6D-skull追踪，无需有创头架。治疗时天花板上的2组X射线实时采集颅骨影像，获得一对相互垂直的头颅影像，系统将其对比DRR影像，得到六维方向上的误差，远程操作移动治疗床，使拍摄的颅骨影像与DRR影像毫米内误差符合。治疗开始，设定好节点数，实时比对病灶位置11。如果头颅有轻微的移动，立刻计算出移动造成的偏差，机械臂根据偏差微调加速器的方位进行补偿，对准病灶治疗，如果患者移动较大，超出补偿误差范围，机械臂会立即停止（E-Stop），需要人为远程操控调整治疗床位置。从治疗的过程，我们不难发现，最重要的是系统对比DRR影像所产生的六维方向上的误差，而这个误差与曝光参数的选择息息相关。六维颅骨追踪方式下，X线球管曝光条件要求满足DxAB1mm、亮度增益接近于1、梯度增益接近于0.94。对于6D-skull（六维颅骨追踪）和SST（脊椎追踪）和Fiducial(金标追踪)三种追踪模式，其治疗精度达0.95mm，此三种追踪模式只适用于相对静止的器官，而对于运动性器官的MTS（同步呼吸追踪）模式，其治疗精度可达1.5mm。虽然射波刀系统的精度已经如此亚毫米程度，但是操作治疗过程中，技师对追踪参数的设置直接影响了射波刀追踪误差，进而影响机械臂的补偿值。对六维颅骨追踪而言，由于面罩的固定和颅骨的骨性特点，每个人的颅骨CT中心CT值较为接近，治疗过程相对稳定，一般病人不会移动超出追踪范围。而且治疗过程中，6个自由度的对比误差最好人工远程操作微调至1mm和1°以下，虽然系统设定角度的最大微调幅度为5°，但是微调角度时，微调的幅度最好不要超过3°，否则患者会有很强烈的反射反应，进而达不到操作者的目的。笔者通过本文的实验数据结果应用到实际操作中，治疗稳定性有了一定的提高，治疗时间也减了下来，减少了超出追踪范围的E-Stop次数，减少了摄片次数，进而减少了患者额外射线吸收剂量。虽然射波刀的临床应用和治疗效果得到越来越多的患者的认可，但是由于射波刀治疗时需要适时影像追踪技术的运用，每次治疗时间平均需要40分钟，并没有达到医患的期望。本文只对六维颅骨追踪的曝光参数选择进行了研究探索，而对于较为复杂的脊椎追踪、金标追踪和同步呼吸追踪的曝光参数选择还需要进一步的探索研究。4. 结论本文以曝光参数（90KV，100mA，75ms）为基础，分别对三个参数进行实验采集数据，然后进行数据分析，可证明：亮度增益随KV，mA，EX的值增大而递增，而梯度增益正好相反。6D-skull（六维颅骨追踪）的曝光参数选择为：电压在97KV107KV之间为最佳，电流在100mA200mA之间最佳，曝光时间在100ms125ms之间最佳。如下表：表1 6D-skull追踪模式的曝光参数选择最佳范围电压(kV)电流(mA)曝光时间(ms)9710710075901002007590100100125本文通过改变曝光参数减少追踪软件的对比误差，进而减少修正摄片次数，缩短治疗时间，一定程度上减少了患者的额外射线吸收剂量。参考文献：1 王境生，李丰彤，董洋，宋勇春，袁智勇射波刀5种追踪方法的原理J/OL原理与应用，2013,4：130-1322 董洋，李丰彤，王境生等置人软组织金标数目对射波刀系统影像定位精度影响J/OL中华放射肿瘤学杂志，2010，19：465-4673 FDA clearance. Accessed AugustEB/OL(2001).Available at URL address: http:/www.fda.gov/cdrh/pdf/kO11024.pdf4 李兵，封其卉，沈君妹. 射波刀全身肿瘤立体定向放射外科新设备J/OL. 医疗卫生装备,2009,1,30(1)：37-395 王境生，李丰彤，董 洋，宋勇春，袁智勇第三代射波刀系统影像曝光参数的选择J/OL中华放射肿瘤学杂志，2012,21:4006 Poppe B，Looe HK，Chofor N，et alClinical performance of a transmwassion detector array for the permanent supervwasion of IMRT deliveries RadiotherJOncol，2010，95：1581657 E Pantelwas，L Petorkokkinos，C AntypasImage guidance quality assurance of a G4 Cyberknife robotic stereotactic radiosurgery systemJJINST，2009，4：50098 ZhouT，TangJ，Dieterich S，et alA robotic 3-D motion simulator for enhanced accuracy in Cyberknife stereotactic radiosurgeryJInter-national Congress Series，2004，l268：323328 9 董洋 李丰彤 王境生 袁智勇 宋勇春 庄洪卿. 射波刀图像引导系统额外吸收剂量评估J/OL.中华放射肿瘤学杂志,2013,3,22(2):154-156 10 王晓光，刘群放射外科的发展(从头架到影像引导) J/OL中国肿瘤临床，2008，35：770-77411 沈君妹 耿薇娜 王朋 李兵 朱锡旭.射波刀追踪方式分析J/OL.生物医学工程与临床,2011,9,15(5):502-504-