Edge立体定向放射治疗运动监控系统的精度研究

靳怀志 王学涛 戴振晖 张白霖 广州中医药大学第二附属医院放射治疗区 （广东 广州 510006）

内容提要： 目的：评价无框架立体定向放射外科运动监控系统的总体系统精度；利用光学表面监测系统（OSMS）、电磁跟踪系统（Calypso）、锥形束CT，对原型体模进行定位，确定定位精度和模间差异。方法：①移动治疗床使腹部模体产生位移和旋转，使用OSMS系统监测模体位置变化；②移动治疗床后利用CBCT获取重建模体三维图像与参考CT进行配准获得治疗床位置变化数据；③在模体内植入用于电磁跟踪的转发器，对比Calypso测量模体等中心位移和实际位移。结果：①对于腹部模体，OSMS表现良好，对预设的位移和旋转，平移偏差范围（0.1±0.1）mm，旋转偏差范围（0.1±0.05）˚；②利用CBCT测量腹部模体，对预设的位移和旋转，平移偏差范围（0.1±0.1）mm，旋转偏差范围（0.1±0.03）˚；③Calypso电磁跟踪的定位精度是（0.1±0.1）mm。结论：OSMS、CBCT和Calypso三种运动监控系统具有较高的定位精度和稳定性，可以应用在实际治疗中校正摆位误差，有效提升治疗精度，提高治疗效果。

近三十年来随着放射治疗技术的发展，基于直线加速器的调强放疗和立体定向放射治疗应用越来越广泛，对治疗精度的要求也越来越高。配合图像引导的无框架SRS和SRT已经在很多机构成功应用于临床，精确度和有框架治疗方式相似[1]。图像引导放射治疗可以大大提高摆位和治疗的精度，从而减小患者肿瘤靶区的边界，降低副反应。目前，治疗平台变得更加复杂，在整个治疗过程中需要采用多种方法进行定位和校正。因此，在整个治疗流程中量化定位的准确性，并测量各运动监控方式至关重要。在本研究中，系统地研究了OSMS、CBCT和Calypso系统的总体跟踪精度。

1.材料与方法

1.1 一般材料

仪器设备：美国瓦里安医疗系统公司的Edge直线加速器配备OSMS，CBCT，Calypso，Perfect Pitch 6维治疗床[2]。

OSMS：OSMS系统在治疗床周围天花板上安装了3台摄像机，共计6个摄像头，利用光学成像技术和上万个几何节点重建出感兴趣区附近的3D体表图像，体表每个点都有相对于治疗等中心点的位置数据，通过把实时获取治疗中的体表图像并与CT模拟生成的参考体表图像进行配准，从而获得实时位置误差信息。

CBCT：CBCT重建的三维图像可以与参考CT进行配准，通过MV寻找治疗等中心点，然后获得kV等中心点与治疗等中心点的相对位置。获得治疗床6个方向上的校正信息。

Calypso：转发器是长8.0mm、直径1.85mm的圆柱体，分植入式和表面式转发器，转发器本身没有能量只反馈电磁阵列的信号；电磁阵列包括源线圈，传感器和红外靶点，源线圈生成激发转发器的电磁野，传感器接收每个转发器的共振信号，阵列表面的红外靶点用来给光学系统提供位置变化信息。

Perfect Pitch 6维治疗床：Edge加速器的治疗床为Perfect Pitch 6维治疗床，六维床的平移精度是0.1mm，旋转精度是0.1˚[3]。

1.2 方法

CT扫描腹部模体（层厚1mm），将CT图像传到eclipse计划系统，在计划系统上确定模体的坐标和计划等中心坐标，设计放疗计划。腹部模体置于治疗床上按照表面等中心十字线激光线精确摆位，使模体上三个表面的十字线中心位于激光线的中心。主动移动治疗床，预设位移分别在位移和旋转方向上进行：包括上下（VERT），左右（LAT），前后（LONG）三个方向上-3，-2，-1，-0.2，-0.1，0.1，0.2，1，2和3cm，以及旋转（rotation），前倾（pitch），滚动（roll）三个方向上-2，-1，-0.5，-0.3，-0.2，-0.1，0.1，0.2，0.3，0.5，1和2˚。

分别使用OSMS、CBCT、Calypso系统测量模体的偏移数值与预设值分别在±3cm和±2˚内偏移的差异，分析三种运动监控系统的测量精度。

2.结果

2.1 OSMS对预设偏移的探测准确度

当OSMS使用自身采集重建的图像作为参考图像进行配准时结果见表1，当施加线性位移时，旋转方向呈现最大的距离，主要是滚动，其次是俯仰；相反，在施加有意旋转位移的情况下，旋转距离更小。所有方向的位移线性位移相似，使等中心位置保持在0.4mm以内，用垂直方向显示在某些情况下位移最明显的情况。所有预定义的随机位移一次在6个方向（15次）的结果为线性在（0.01±0.02）cm以内，旋转方向在0.1～0.11˚。

2.2 CBCT对预设偏移的探测准确度

当CBCT扫描图像与CT扫描参考图像进行配准时，单方向位移预设距离时，探测平移值最大偏差0.02cm，偏差范围（0.01±0.02）cm，探测角度偏差范围（0.10±0.08）˚。其中滚动（Roll）方向偏差相对较大。见表2。

2.3 Calypso对预设偏移的探测准确度

使用Calypso进行电磁跟踪时体模实际位移和Calypso检测到的位移值最大偏差0.03cm、定位精度（0.02±0.01）cm，结果如表3所示，对比体模实际旋转角度和Calypso测量的角度，发现Calypso系统对旋转角度的测量精度为1˚，靶区角度旋转非整数度时Calypso系统无法准确测量。

3.讨论

配合图像引导的无框架SRS和SRT已经在很多机构成功应用于临床，精确度和框架治疗方式相似。临床中引入CBCT提供患者解剖结构的高质量三维图像，CBCT成为辅助患者摆位的强有力工具。CBCT是对肿瘤患者进行断层图像采集的一种精度较高的技术，能够将患者的软组织和骨性结构准确清晰地展示出来，带有的自动匹配功能还能对六维摆位误差进行准确测量，同时也能观测到患者器官的运动状况，对于实现自适应的放射治疗有着积极的引导意义。

表1. OSMS单方向偏移的探测准确度平均值

表2. CBCT单方向偏移的探测准确度平均值

表3. Calypso定位准确度的平均值

使用OSMS技术进行验证摆位和监测患者运动，符合度达到1mm，并且不受床角限制。Hou等[4]对OSMS的研究结果证明OSI（光学表面成像）技术已经具备0.1mm的位移变化实时探测能力，对头部运动监测非常有用。0SMS完全可以应用到实际的治疗过程中，提高放疗的治疗精度使患者受益。

Calypso系统对植入式转发器定位不仅能精确获得靶区的位移信息，而且可以获得靶区的旋转信息，适合用于体部如前列腺肿瘤定位，但这种方式属于有创操作并且对医生植入技术有一定要求[5]。表面转发器是针对体表附近的肿瘤定位，这种方式操作简单，只需把表面转发器固定在体表某一位置，属于无创操作，患者更易接受，但是一组表面转发器是由两个转发器组成，不能报告靶区的角度旋转，并且只能反映体表附近肿瘤运动，应用范围有局限性。

本研究中对Varian公司的Edge加速器上的OSMS、CBCT和Calypso三套运动监控系统精度测试发现可以对误差小于1mm的情况下准确监测运动，该系统的准确性用于无框架固定立体定向放疗是可行的。进一步应用于临床，还需要评估临床中患者自身移动和器官变化对定位精度影响，做更多皮肤表面和内部解剖结构相关性的研究。