射波刀设备的精度和误差分析研究

2023-02-16谢陈晨孟璐珈蒋元林

中国设备工程 2023年3期

谢陈晨，孟璐珈，蒋元林

（中国人民解放军联勤保障部队第903医院，浙江杭州 310013）

射波刀和常规加速器相比，精度非常高，尤其是在静态目标中精度可以达到0.95mm，动态目标定位中精度可以达到1.5mm。在应用中实现了对之前采用外部标记线作为摆位参考方式的改变，实现了体内标记为摆位及追踪标记。另外，在引入机械臂后，进一步提升了射波刀应用的灵活性，射束能够更加分散地集中在肿瘤上，一般是采用3～5次低分割照射，治疗时间为20～40min/次。针对患者肿瘤实施治疗过程中，影像系统会在固定时间周期获取一次正交影像，所以会提升患者的额外辐射剂量。我国射波刀通常引入的是第3代和第4代产品，也出现了第5代产品，相关研究中提出射波刀精度后一代高于前一代。以上提出的三代产品精度均是在亚毫米级内，固定目标和动态目标治疗精度分别为0.95mm、1.5mm以下，可以实现对放射治疗工作需求的满足。各种追踪技术在射波刀设备中的应用，直接影响着射波刀的治疗精度，本文在对其研究发展现状分析基础上，探讨其精度和误差。

1 射波刀追踪技术研究现状

1.1 六维颅骨追踪系统

这一追踪系统通常是应用在颅内肿瘤治疗中，尤其是针对较小颅内疾病可以取得良好的治疗效果。六维颅骨追踪系统是针对患者的颅骨位置实时图像以及CT扫描重建生成数字重建影像图像实施对比，进而获取患者的6个自由度位移，若所得计算结果是在机械手可校准范围内即会立即自动校准，之后发射射线束实施治疗。在追踪过程中，主要是借助亮度增益以及梯度增益等参数设置跟踪成像参数，因为受到曝光参数的影响，误差补偿也具有差异，一旦出现曝光参数不当，容易对跟踪算法准确性产生影响。

1.2 交叉视野脊柱追踪系统

脊柱追踪主要是用来进行锥体旁肿瘤和骨转移瘤的治疗，其中骨转移瘤容易引发患者出现剧烈疼痛，同时也会伴有神经性疼痛。交叉视野脊柱追踪系统定位中，位移计算主要是对患者的位置实施调整，治疗中机械手对于加速器位置会自动实施调整，同时校正目标平移和旋转位移。

在此过程中视觉验证具有重要应用，目测评估能够为算法实现对骨骼结构的正确跟踪提供保障，其中X轴目标配对公差阈值、r轴目标配对公差阈值以及ROI高度等参数均会对跟踪算法准确性产生一定影响。

1.3 金标追踪系统

这一跟踪系统即是在金标提取算法的应用下对DRR以及实时X射线影像进行分析，以此确定金标位置。一旦出现金标放错位置，会对肿瘤靶区以及治疗精度产生不良影响。

1.4 Synchrony呼吸追踪系统

这一追踪系统主要是对受到人体呼吸影响而运动的肿瘤靶区实施治疗，即为将目标移动和呼吸移动实现有效结合，完成Synchrony模型建构，进而输出和目标移动相同的射束，进而实施治疗，针对目标移动可以实施跟踪以及补偿。在应用过程中，也可以和脊柱追踪、金标等方式结合应用。

1.5 交叉视野肺部追踪系统

这一追踪系统只能够应用在对肺部病变位置肿瘤患者的治疗中，不用植入金标，采用肺部肿瘤轮廓作为标记物，即可以实施追踪。交叉视野肺部追踪系统肺部成像质量受到目标dxAB以及drAB阈值、跟踪范围以及不确定阈值等因素的影响，因此，会对其计算准确性产生影响。

1.6 肺部优化治疗

肺部优化治疗是结合应用交叉视野肺部追踪系统、0-视图以及1-视图，进而实现对肺部病变的照射治疗。肺部成像参数也需要对目标dxAB以及drAB阈值、跟踪范围以及不确定阈值等因素进行综合考量，以此提升计算的准确性。

2 射波刀追踪技术的精度及误差分析

为能够实现对射波刀追踪技术精度和误差的进一步了解，本次选择相关设备，以此对其实施目标定位以及相对输出因子分析。

2.1 设备选择

本次选取Accuray公司提出的端到端E2E测试，另外，还有射波刀设备治疗系统中的胶片计量测试法，进而实现对射波刀设备治疗系统精度的估算。

2.2 目标定位

在研究中采用一个等效头部模型，实现对整个射波刀治疗系统精度的评估。这一模型中包括2篇精密裁剪的薄胶片、1个球形目标以及5个fiducial金标，详情见图1。球形目标的构成原料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料，其中一个球体是在中心位置。这一胶片在球形目标中正交插入，通过射波刀治疗系统完成这一模型治疗计划的制定，且完成照射。以上工作完成后取出胶片，进行胶片扫描，并创建300像素/in（1 in=25.4mm）灰度图像。采用E2E检测软件测量胶片质量，能够实现对不同方向误差位移的计算，获取E2E总精确度。

图1 E2E测量的头部体模

2.3 相对输出因子

本次研究选用的是6种探测器，以此测量分析准直器的输出因子。放射治疗过程中，二极管测量仪主要是对高能量光子计量分布P-型硅二极管实施检测，其有效厚度为2.5pm。对比测量过程中置于电离室实施读数，电离室容量为0.015cm3、0.125cm3以及0.6cm3。针对二极管测量仪以及三个电离室均采用水模型实施测量，相应的测量条件即为深度为1.5cm，源皮距（SSD）为80cm。测量相对输出因子中，各个胶片所接受的剂量为100MU针对薄胶片光学密度通常采用常规密度计实施测量，各个准直器输出因子校准中此阿勇的是最大准直器于1.5cm深度SSD为80cm实施校准。

2.4 结果分析

2.4.1 目标定位结果

本次射波刀设备追踪系统E2E测试中，两种追踪模式目标定位误差分析结果具体见表1。从表1可以看出，2种追踪模式均在正常范围内。

表1 射波刀追踪系统目标定位结果

2.4.2 相对输出因子结果

不同尺寸准直器相对输出因子见表2。其中针对5mm准直器，所选取的6种不同探测器相对输出因子结果中0.015cm3、0.125cm3以及0.6cm3电离室存在较大差异，其他探测器相对输出因子具有一致性。另外，35mm的准直器所检测的相对输出因子具有良好一致性。

表2 不同尺寸准直器相对输出因子结果

3 射波刀追踪技术的应用精确度研究

近年影像技术迅速发展进程中，越来越多的追踪技术应用在射波刀设备中，以进一步提高射波刀设备应用精确度。当前射波刀治疗系统可以结合5种图像引导追踪方式以能够实现对目标的自动校正，且获取非常精确的射束传输路线，有助于进一步提升肿瘤治疗有效性，且可以对周围正常组织以及器官起到良好的保护作用，降低不良反应发生率。在射波刀治疗系统应用中，结合肿瘤靶区大小差异，可以选择不同尺寸的准直器。关于射波刀追踪技术的应用精确度一直以来都是研究重点，本次研究中发现在射波刀E2E测试中，目标定位误差6D-skull追踪模式为（0.532±0.293）mm，fiducial金标追踪模式为（0.482±0.297）mm。与此同时，发现6种不同探测器检测35mm准直器的相对输出因子具有良好一致性。在针对立体定向放射治疗光子束精确剂量确定中，由于受到侧向电子失衡以及剂量梯度陡峭因素的影响，难度较大。结合当前研究文献可以发现放射治疗数据采集中，通常是结合二极管及其胶片剂量、热致发光剂量计放射学剂量以及小容量电离室。但是，以上所提出的各个技术均存在有能量依赖性或分辨率较差问题，通常不会提供所需剂量精度。本次研究中也发现采用电离室和二极管测量仪所检测结果差异较大，相对采用Gafchromic EBT胶片和二极管测量仪所得相对输出因子结果两者之间较为接近。由此可以得出，射波刀治疗系统端到端E2E测量误差在1mm以下，目标定位中具有较高精度。同时，也可以发现30mm以上准直器不同探测器检测相对输出因子一致性较好，15mm以下所测相对输出因子差异较大，Gafchromic EBT胶片的精确精确度最高。