不同X线球管曝光参数和金标数量对射波刀立体定向放疗中金标追踪精度的影响

2021-04-23

中国医疗设备 2021年4期

北京大学第三医院肿瘤放疗科，北京 100191

引言

射波刀（Accuray，Inc.，Sunnyvale，CA，美国）端到端的精度可达亚毫米级别[1-2]，为了确保影像追踪系统的精度，安科锐公司建议使用对准质量保证（Alignment Quality Assurance，AQA）模体对射波刀系统进行每日测试。X线球管成像参数和金标追踪数目是决定AQA测试中影像追踪精度的重要因素[3]，由于AQA测试采用的是固定参数，与实际治疗情况相差较大，因此质控结果过于理想化。AAPM TG-135报告推荐[4]，在非理想情况下对加速器的评估是也非常重要的。然而，目前针对射波刀非理想条件下验证影像追踪系统准确性的相关研究较少。因此，本研究旨在采用标准及特定的X线球管曝光参数和不同金标数量（2、3、4颗）的情况下进行AQA测试，验证X线球管成像参数与金标数对靶目标追踪总位置精度误差、可信度以及刚性误差的影响。通过分析上述条件下的质控测试数据，帮助我们设计出更好的质控策略，为患者提供最佳治疗。

1 材料和方法

1.1 添加额外固体水

AQA体模尺寸（5 cm×5 cm×5 cm）比实际患者体厚小，为了模拟更真实的患者治疗状况，额外添加了固体水用于衰减成像（图1）。本研究选择PTW RW3模体进行加厚AQA模体，沿着X射线束的路径（0°与90°方向）分别在AQA模体上下、左右方向各增加5 cm厚的固体水以提供建成与背散（图2）。

图1 AQA模体与胶片

图2 沿着X射线束的路径（0与90°方向）加厚AQA模体5 cm

1.2 设置人为摆位误差

射波刀治疗过程中，基于实时影像追踪系统，能够不间断地追踪靶目标，通过修正机械手臂位置实现精准打靶，修正范围在平移方向与角度旋转最多可达10 mm与1.0°。本研究依据TLS算法，按照4颗金标追踪将实时影像与AQA计划的数字重建放射影像（Digitally Reconstructured Radiograph，DRR）进行配准，使用手控盒利用射波刀治疗床控制系统将左右（x方向）、上下（y方向）和前后（z方向）方向按照要求使位移偏差分别达到10 mm，俯仰、倾斜和旋转角度分别为1.0°。

1.3 设置追踪参数

选择标准X线球管成像参数（管电压60 kV、管电流50 mA、曝光时间50 ms）与患者治疗时常用的X线球管成像参数（管电压100 kV、管电流100 mA、曝光时间100 ms），分别使用2、3、4颗金标实施追踪，进行AQA测试。

1.4 测量与记录

使用TLS算法对模体进行成像，在确认射波刀已显示校正参数后，实施照射，同时记录目标追踪可信度与刚性误差。使用EPSON Perfection 11000XL扫描仪扫描投照后的GafChromic EBT2胶片，利用AQA分析软件读取总位置精度误差，每组连续重复测量6次。

1.5 追踪准确性评价

DRR影像与实时影像配准过程中，对于影响目标追踪准确性，需要特别关注的两项参数为可信度及刚性误差。可信度（阈值为40%）决定系统追踪目标可接受的最小置信水平。尽管用户无法调节，但置信度阈值在用户的调节范围内（＜70%），该参数可以防止系统因图像噪声过大而无法执行计划，与X射线图像质量相关。刚性误差（阈值为1.5 mm）用于提示实时影像与DRR影像中金标的相对形变误差。TSL算法是基于追踪标志物的灰度进行定位，只有在高质量的成像条件下，才能更精确地实现追踪[5-6]。这两项参数均与影像追踪系统的精度密切相关。

1.6 统计学方法

在标准与特定两种X线球管曝光参数和不同金标数量（2、3、4）双变量因素条件下，进行AQA检测，并记录总位置精度误差、可信度、刚性误差三项参数。使用SPSS 19.0统计软件进行数据分析，正态分布的计量资料采用均值±标准差（±s）表示。采用双因素无重复试验方差分析方法评价不同测试条件对AQA总位置精度误差、可信度、刚性误差的影响，组间两两比较采用LSD方法。检验水平a=0.01，P＜0.01表明差异存在统计学意义。

2 结果

2.1 总位置精度误差

如表1所示，增加建成与背散的固体水后，当X线球管成像参数一致时，3、4颗金标的总位置精度误差明显小于2颗金标，差异具有统计学意义（P＜0.001）。两两比较，3颗与4颗金标间的总位置精度误差没有显著性差异。当追踪金标数目一致时，3、4颗金标的总位置精度误差随着X线球管成像条件的升高而降低，差异具有统计学意义（P＜0.001）。但是，只追踪2颗金标时，随X线球管成像条件的升高，虽然平均总位置精度误差均值有所降低，但差异无统计学意义（P=0.037）。

表1 两种X线球管成像参数在2、3、4颗金标追踪条件下AQA测试总位置精度误差的比较

2.2 目标追踪可信度

如表2所示，当X线球管成像参数一致时，2、3、4颗金标的目标追踪可信度差异没有统计学意义。相比于特定球管成像条件，选择标准球管成像条件的目标追踪可信度均无法达到40%以下的追踪要求。当追踪金标数目一致时，随着X线球管成像参数升高，目标追踪可信度数值显著降低，差异具有统计学意义（P＜0.001）。

表2 两种X线球管成像参数在2、3、4颗金标追踪条件下目标追踪可信度的比较（%）

2.3 刚性误差

如表3所示，当X线球管成像参数一致时，无论采用标准成像条件还是特定成像条件，3、4颗金标都比2颗金标的刚性误差大，差异存在统计学意义（P＜0.01）。当追踪金标数目一致时，随着X线球管成像参数升高，追踪刚性误差显著降低，差异具有统计学意义（P＜0.001）。

表3 两种X线球管成像参数在2、3、4颗金标追踪条件下刚性误差的比较

3 讨论

射波刀作为立体定向放射治疗技术的专用设备，基于实时影像追踪系统，在治疗过程中能不间断地追踪靶目标，并通过自动修正机械手臂位置，实现精准打靶[7-8]。为确保治疗准确性，通过日常全面的AQA检测对加速器正常运行的相关参数进行持续量化是非常重要的[9]。但是，常规AQA标准测试条件与实际治疗差别较大。为了更接近常规治疗情况，本研究通过增加模体厚度并有意引入人为摆位误差，验证特定条件下，X线球管成像条件与金标追踪数量对AQA测试结果的影响。

结果显示，2颗金标因缺乏旋转修正，总位置精度误差比3、4颗金标显著增加；4颗金标的总位置精度误差最小，说明4 个金标为基准进行追踪时，对平移和旋转误差修正贡献最大，该结论与已发表的研究结果一致[10-11]。相比于之前的研究，本研究同时评估了刚性误差与追踪可信度，结果表明减少金标数量（＜3颗）会导致TLS算法对追踪目标的限制降低[12-13]。因此，使用有限的信息追踪靶目标，即便算法给出的可信度和刚性误差能够满足测试要求，但实际执行中射波刀并没有实现准确的位置修正，这时TLS算法的修正值是需要怀疑的。为保证使用金标能很好的提高射波刀治疗精确度，从而达到更好的治疗效果，在日常射波刀金标追踪治疗中，应尽可能按照金标植入原则，植入4～6颗金标。

本研究发现，增加模体厚度后，若采用标准X线球管成像条件，AQA测试的总位置精度误差明显增大，同时追踪可信度与刚性误差也有所增加。有研究表明，X线球管管电压、管电流与图像质量相关，随着管电压、管电流的减少，图像对比度、信噪比降低[13-14]。在X线球管较低的曝光条件下，图像质量下降，不足以提供必要的成像细节与灰度，这导致TLS算法对靶目标追踪能力产生较大影响，即使系统显示可以实现金标追踪并执行AQA测试，但是追踪精度变得相当不稳定。然而X线球管曝光参数选择过高，会增加患者不必要的剂量。已有研究表明，不同患者、不同部位，以金标为基准的追踪方式，X线球管曝光条件是有所变化的[15-16]，因此采用适合的X线球管成像参数也是实现目标追踪精确地重要因素。