射波刀脊柱追踪系统胸椎追踪定位问题的分析

赵瑞，李中华，王震岳，陈国梁，张奋进

兰州军区兰州总医院 a.放疗科；b.放射科，甘肃 兰州 730050

射波刀脊柱追踪系统胸椎追踪定位问题的分析

赵瑞a，李中华b，王震岳a，陈国梁a，张奋进a

兰州军区兰州总医院 a.放疗科；b.放射科，甘肃 兰州 730050

本文介绍了射波刀脊柱追踪系统的工作原理，分析了胸椎追踪定位中存在的典型问题并提出了有效地解决办法，指出在治疗计划制定和执行过程中合理选取CT中心位置和感兴趣区域对于提高射波刀的治疗精度十分重要。

射波刀；立体定向放射外科；脊柱追踪系统；感兴趣区域

0 前言

射波刀（Cyberknife）是一种新型的全身肿瘤立体定向放射外科治疗设备[1]。射波刀脊柱追踪系统（Spine Tracking System）主要用于位于脊柱周围，相对静止不动的肿瘤的追踪治疗，工作原理为：将靠近靶区的脊椎作为治疗时的摆位基准，在治疗计划期间预先在数字重建影像（Digital Reconstructed Radiograph，DRR）上定义9行9列共81个节点的脊柱骨骼网格（Skeletal Mesh）；治疗前摆好患者体位，由靶区定位系统拍摄实时脊柱X射线影像，由计算机识别出实时X射线影像的相应网格节点，通过网格节点比对获得靶区（或肿瘤）的平移与旋转误差；在治疗时，射波刀机械手根据靶区位置的实时误差调整加速器射束位置，对患者的平移和旋转误差进行实时、自动的修正补偿，保证治疗位置的准确性[2-5]。射波刀脊柱追踪系统可以追踪整个脊柱区域内如颈椎、胸椎、腰椎和骶椎等的骨性结构，常规调整实时影像的X线参数、对比度以及脊柱追踪范围参数[6]。大部分病例的定位和治疗比较容易，但一些病例受诸多不确定因素的影响，其脊柱追踪存在定位困难的问题。本文主要对Xsight® Spine追踪系统胸椎中下段追踪存在的典型问题进行分析和讨论。

1 胸椎中下段追踪定位问题

（1）旋转误差不可调。表现为：定位过程中，射波刀治疗执行终端始终提示患者治疗位置超范围，不论患者如何调整，均不能达到正常范围。主要表现为患者位置的左右旋转角度误差不可调，见图1。

（2）dxAB、drAB超范围，dxAB为射波刀靶区定位A、B影像成像中心的上/下平移之间的绝对差异的最大允许值；drAB为射波刀靶区定位A、B影像中左右旋转角度之间的绝对差异的最大允许值。表现为：患者治疗位置可调整至正常范围，但在定位时或者治疗中，dxAB、drAB错误频繁出现，且无需调整患者位置，经再次或多次获取定位图像后dxAB、drAB错误消失，又可行正常定位或治疗。

图1 左右旋转角度误差调整异常

2 问题分析与处理

（1）旋转误差不可调的分析与处理。问题分析：由脊柱追踪原理知，脊柱追踪以DRR图像为参照，依靠DRR图像骨骼网格所在的影像特征与实时X射线影像的配准和比对，获得靶区的平移与旋转误差。为最大限度地提高影像配准和肿瘤治疗的精度，治疗计划要求CT中心[7]应选择在肿瘤靶区周围5 cm范围内，且影像定位中心区域应覆盖丰富的骨骼结构；同时要求脊柱感兴趣区域[8]（Region of Interest，ROI），即9行9列骨骼网格能够实现对影像定位中心区域骨骼结构的最佳覆盖。因此，考虑左右旋转误差的不可调是ROI骨骼结构不够丰富所致。

问题处理：从操作方便方面考虑，首先调整ROI大小，使骨骼网格充分覆盖脊柱骨性结构，然后重新对患者进行定位，部分病例问题解决；对于其他病例，考虑是影像定位中心的选择不理想，进而导致ROI骨骼结构不丰富，经重新选择和调整CT中心和ROI，全部病例问题得以解决。

（2）dxAB、drAB超范围的分析与处理。问题分析：射波刀系统对CT中心识别不当可致dxAB超范围；射波刀系统对ROI识别不当也可致患者左右旋转角度发生较大变化从而出现超范围。另外，dxAB、drAB出错后无需重新调整患者位置，经再次或多次获取定位图像又能恢复正常，表明在重新获取定位图像时患者身体可能出现不经易的微动，DRR脊柱图像骨骼网格与实时X射线影像实现了较好的配准和比对。因此考虑，dxAB、drAB超范围极有可能还是因CT中心或ROI设置不当，导致ROI骨骼特殊结构不够丰富所致。

问题处理：重新调整ROI高度和/或CT中心，问题同样得到解决。

3 讨论

治疗计划系统确定的CT中心是指治疗床上方两侧X射线球管交叉成像的交界点，同时也是DRR图像中心，代表了射波刀治疗时的摆位中心[7]。脊柱ROI是实际治疗时用于脊柱追踪的骨骼结构区域，等同于覆盖于DRR脊柱图像上的9行9列的骨骼网格。CT中心决定ROI的位置，CT中心亦即ROI中心。ROI的大小可通过其高度按照3:2宽高比进行调整，系统默认值为60 mm，可调整范围为40～100 mm，系统以调整后的最终高度值作为默认高度。ROI高度若过大，其包含的背景区域就会过大，脊柱追踪算法会扫描更大的区域，这会降低脊柱追踪算法的运算速度，增加错误节点百分率；ROI高度若过小，则不会充分覆盖相关的骨骼结构，会漏掉有助于实现最佳配准的相关信息。CT中心和/或ROI选择不当，若无人工正确的识别与干预，还会产生错误的定位结果，从而导致严重的治疗错误。

胸段脊柱中下段处于肝脏、膈肌、心脏底部的密度较高组织的包围之中，肝脏、膈肌、心脏底部位于脊柱两侧的高度明显不一。那么，脊柱追踪定位是否会受这些密度较高器官的影响呢？胸段脊柱中下段追踪定位问题主要表现为患者左右旋转角度不可调，笔者设计的脊柱追踪影像干扰实验结果表明X线影像骨骼网格错误节点百分率随一侧较高密度物质厚度的增加而增加，但不会影响左右旋转角度的调整，亦不会出现dxAB、drAB错误问题，因此胸段脊柱中下段追踪定位并不受密度较高器官的影响。

胸椎中下段椎体具有较高的相似性，脊柱由椎体和椎体附件组成，椎体近似于圆柱，若CT中心置于近椎体中心且ROI仅包括椎体部分，或者包括的部分椎体附件对影像密度影响甚小，那么对于用于脊柱追踪定位的骨骼网格来说，脊椎定位影像则会缺乏可供辨别的特征影像，这可能也是造成脊柱追踪定位困难的一个原因。当较多的椎体附件参与到脊椎定位影像当中时，才有可能获得明显的骨骼影像特征，这也从另一方面说明选择适合的ROI大小和CT中心的必要和重要性。

总之，胸椎中下段追踪定位问题的出现与CT中心和ROI大小密切相关，合理选取CT中心和ROI以实现骨骼网格对脊柱骨性结构的充分覆盖，使更多可用和丰富的骨性结构应用于脊柱追踪的定位和比对，在治疗计划制定和执行中十分重要。基于胸椎中下段追踪定位问题的考虑，建议对该部位治疗时均应鉴别左右旋转角度的真实性，以最大程度地提高射波刀治疗的准确和精确性。

[1] 陈光耀．CyherKnife放射外科治疗规范[M]．上海:学林出版社, 2008:23-30．[2] 韩俊庆,毕迎惠,盛威,等．CyberKnife放射治疗肿瘤的临床研究[J]．中国肿瘤临床,2007,34(5):297-300．

[3] WANG En-min,PAN Li,LIU Xiao-xia,et al．The CyberKnife system and its clinical application[J]．Chinese Journal of Clinical Neurosciences,2009,17(2):185-189．

[4] 陈光耀．射波刀放射外科新技术的发展[J]．国际肿瘤学杂志,2007,34(11):870-871,880．

[5] 赵瑞,王震岳,李莎,等．射波刀影像追踪中X射线曝光条件对脊柱追踪错误节点及辐射剂量的影响[J]．中华放射医学与防护杂志,2014,34(2):133-135．

[6] 王境生,李丰彤,董洋,等．第三代射波刀系统影像曝光参数的选择[J]．中华放射肿瘤学杂志,2012,21(4):400．

[7] 沈君姝,耿薇娜,王朋,等．射波刀追踪方式分析[J]．生物医学工程与临床,2011,15(5):502-504．

[8] 胡立宏,郑国宝,张凤祥,等．射波刀-放射外科的新利器[J]．医学信息(上旬刊),2010,23(10):3936-3938．

Analysis of Problems Exsiting in the Tracking and Positioning Process of Thoracic Vertebrae with Cyberknife Spine Tracking System

ZHAO Ruia, LI Zhong-huab, WANG Zhen-yuea, CHEN Guo-lianga, ZHANG Fen-jina
a.Department of Radiotherapy; b.Department of Radiology, The General Hospital of Lanzhou Military Area Command of PLA, Lanzhou Gansu 730050, China

This paper introduced the working principle of Cyberknife spine tracking system and analyzed the typical problems exsited in the tracking and positioning process of thoracic vertebrae by using the spine tracking system. Then corresponding solutions of the problems were proposed. This paper also pointed out that the reasonable selection of CT central position and region of interest was important for the improvement of the treatment accuracy of Cyberknife during the formulation and implementation processes of treatment plans.

Cyberknife; stereotactic radiosurgery; spine tracking system; region of interest

TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.07.043

1674-1633(2014)07-0116-02

2013-12-11

2014-01-20

本文作者：赵瑞，副主任技师。

李中华，主管技师。

作者邮箱：lzhaoye@sina．com