CBCT提高Leksell ICON伽玛刀治疗精度的作用

张聿浩，张小鹏，李 林，刘家令，刘一兵，温锦崇，麦树荣，赖素云 综述 梁军潮 审校

（1.前海人寿广州总医院神经外科，广东 广州 511325；2.南部战区总医院神经外科，广东 广州 510010）

在长期临床实践中，Leksell 刚性框架与病人颅骨均通过固定钉进行连接，并积累大量成功数据。但临床上各种原因导致框架位移，将可能影响最终治疗精度，且这种定位方式会给病人带来一定痛苦，个别病人在框架安装过程中甚至会出现休克。Leksell ICON 伽玛刀系统集成了一体化的锥形束X射线计算机体层成像设备（cone beam computed tomography，CBCT）。除提供框架或面罩2种可选择的固定方式外，更重要的是提供一种基于锥形束CT 成像的坐标定位体系。理论上说，容积成像的锥形束CT 定位精度高于断层扫描的螺旋CT，也高于有一定图像畸变的MRI 定位。本文就CBCT 治疗精度展开综述。

1 CBCT对放射外科治疗精度的提高

1.1 CBCT对靶点位移的检测 CBCT已应用于多种图像引导的放疗设备[1]。虽然目前CBCT 技术得到的断层图像信噪比尚达不到传统螺旋CT 的程度，但CBCT图像采集速度更快，病人受到辐射剂量更低。随着技术进步，CBCT具有更广阔的应用场景。

临床上常用的螺旋CT，球管发出的X 射线呈扇形，获取的是二维断面数据，需要多个断面数据叠加，才能重建形成三维图像。CBCT 球管发出的X射线是三维锥形束流，只需旋转360°即可获取重建所需的全部数据。CBCT 另一个优势是具有很高的各向同性空间分辨力[2]，建立的三维图像更精准，因此所测数据亦更精准。

ICON 伽玛刀系统集成一个内置一体化的CBCT，分辨率在0.5mm内（空间分辨率为8Lp/cm）。视野（FOV）为224mm×224mm×224mm。采用非晶硅探测器面板，C 型臂旋转1 周约200°，即可完成数据采集。临床模式下预设两个CT 剂量指数，分别为2.5mGy 和6.3mGy，管电压均为90kVp，投影数也均为332 次。GammaPlan®软件可将CBCT 采集图像与MRI 或CT 图像以及预计划进行融合，将其定位体系转换为治疗坐标。CBCT 还可在治疗前对病人进行第二次校准。虽然CBCT 的初衷是服务于无框架的面罩固定方式，但将CBCT与框架定位方式结合，可提供另外一种治疗模式。

Leksell 刚性框架与病人颅骨通过固定钉的连接被认为是最可靠的定位方式，病人需佩戴框架进行CT、MRI 或血管造影采集定位影像，建立立体定向坐标体系。但临床实践中多种因素可能影响固定框架的稳定性。治疗过程中长时间的等待、体位摆放中框架的碰撞均可能导致框架位移、滑脱；固定螺钉力矩大小变化可能使框架变形，最终导致无法察觉的治疗精度变化。

SENEVIRATNE 等[3]报告使用CBCT 检测到传统框架定位方式在治疗过程中发生意外位移的情况；分析49例接受ICON伽玛刀治疗、基于框架+CT基准定位与CBCT图像融合后两个立体定向坐标体系的差异；记录参数包括旋转位移、平移位移和两个坐标体系之间的最大靶点位移（MSD），进行线性回归分析。病人均进行单次伽玛刀治疗，先行MRI图像采集。治疗当天常规安装Leksell G 型框架，然后进行CT 扫描。将采集的定位图像在治疗计划软件上与MRI图像通过骨性标志进行配准，在此基础上形成最终治疗计划。病人通过框架固定于治疗床后，再采集CBCT 图像，由此形成两套坐标体系，比较结果显示：中位旋转移位倾斜度（pitch）0.14°，偏斜度（yaw）0.17°，旋转度（roll）0.13°。中位平移位移数绝对值：左-右0.39 mm，前-后0.14 mm，上-下0.22mm。MSD 中位数为0.71mm。MSD＞1.0mm 12例（24.5%）。男性和偏心安装的头架与MSD 增加有关（P=0.011）。故在基于框架的伽玛刀放射外科治疗中使用CBCT图像定位可识别和纠正意外的框架移位。BANNIKOVA 等[4]报告通过CBCT 检测到框架移位数据，在529 例病人中9 例出现最大基准误差超过1.2mm。

DUGGAR 等[5]总结ICON 型伽玛刀无框架放射外科工作流程中一些影响治疗精度的变量（表1），并总结ICON 型伽玛刀CBCT 在框架定位工作流程中的作用[6]，发现CBCT 能够检测到传统框架定位方式不能察觉的位移。

表1 影响ICON伽玛刀无框架放射外科工作流程治疗精度的变量

在Leksell ICON 伽玛刀临床实践中，框架与面罩定位均存在平行位移与旋转位移。这些位移会影响最终的治疗精度，而CBCT能够检测到这些位移。依靠CBCT建立的三维坐标可进行精准的图像引导放射外科治疗，而CBCT 自身的精度与稳定性则为这一体系提供质量保证。

1.2 CBCT 自身的精度与稳定性 ALDAHLAWI等[7-8]报告CBCT 图像引导系统的质量保证可靠性。使用制造商提供的工具每日检查CBCT位置精度与CBCT图像质量。通过基于框架坐标体系的CT图像和基于CBCT的扫描图像来验证两者空间坐标的一致性。结果CBCT 精度检查：0.12±0.04mm（最大偏差）。CBCT图像质量：空间分辨率范围：（6，7）Lp/cm（低剂量模式），（7，8）Lp/cm（高剂量模式）；基于CBCT 的协议与基于框架的立体定向坐标范围一致：（0.33，0.66）mm。图像配准：0.03±0.06mm（平均），0.23mm（最大）。CBCT 和图像配准算法（image registration algorithm）可以检测出＜0.5mm 和0.5°的位移[9]。

SARFEHNIA 等[10]分5 个方面检测ICON 伽玛刀的CBCT 和高清运动管理系统的定位精度：①图像质量和机械完整性；②图像共配准保真度；③自适应处理交付质量；④高清晰度运动管理性能表征；⑤CBCT系统的软件通信性能测试；研究结果为所有图像质量和性能特征均满足或超过制造商的规格。CBCT 系统在3 个月内的图像质量和力学稳定性在公差范围内，探测器倾斜角度可忽略（＜0.1°）。CBCT 坐标体系在x、y、z方向上的平均差异为0.15～0.16mm。

HU 等[11]报告ICON 伽玛刀CBCT 无框架工作流程的全面精度检测结果。所有准直器的相对输出系数误差＜2%。无框架工作流程的端对端检测平均误差为0.225mm。在所有测试条件下，伽玛通过率（1%/1 mm）均高于97%。人为引入4.5cm、旋转6°这样非临床正常使用的移动，在线自适应剂量校正的伽玛通过率（1%/1 mm）也在97%以上。CHUNG等[12]报告基于ICON 的伽玛刀无框架放射治疗系统的准确性和稳定性：放射等中心在中心和极端位置的位置误差均小于0.1mm。CBCT 坐标系的三维偏差在一年半内保持稳定，平均（0.04±0.02）mm。CBCT 在不同模态的配准精度[13]，CT 和CBCT 图像偏差为（0.2±0.1）mm，MR 和CBCT 图像偏差为（0.4±0.2）mm。通过CBCT 建立的坐标体系比传统框架标记的定位体系更准确。

2 CBCT对放射外科工作流程的改进

基于CBCT 在扫描与配准方面的精度，ICON伽玛刀带来可选择的工作新流程。在不安装框架的情况下进行MRI 和（或）CT 图像采集，并在此基础上形成预计划。治疗当天安装框架（或面罩）定位，随后将病人固定于治疗床，采集CBCT 图像。将CBCT 图像在GammaPlan 软件上与MRI 或CT 图像融合，在CBCT 坐标体系下实施审定后的放射外科治疗。这一工作流程关键点在于放弃原有的、建立于框架基准的立体定向坐标体系，转而采用建立在CBCT 三维容积成像基础上的立体定向坐标体系。新流程减少病人佩戴框架的时间，同时减少在MRI、CT图像采集以及治疗床摆位过程中框架意外碰撞导致位移的机会。由于没有框架的影响，MRI图像畸变更小，提高系统治疗精度。

经过校准的CBCT提供令人信服的机械定位精度[6]，使用3D 打印模型验证ICON 伽玛刀框架和面罩定位系统的精度[14]。MRI 图像的采集质量、扫描方式等均可能影响其与CBCT 图像的配准。KIM等[15]报告使用MRI 图像定位的畸变问题，3.0T 误差大于1.5T。无论MRI序列如何，x坐标误差最小，z坐标误差最大，T2序列是最准确的序列。DUGGAR等[6]报告图像配准不确定性可能低于0.4mm。

MENDEL 等[16]报告382 例病人、3213 个颅内病灶（包括脑转移瘤、脑膜瘤、动静脉畸形、听神经瘤、垂体腺瘤和其他病变），使用ICON 伽玛刀进行无框架立体定向放射治疗；认为ICON伽玛刀框架和无框架治疗系统提高每日工作量近50%。CARMINUCCI等[17]报告在使用框架（66 例）或面罩（13 例）定位方式时，以CBCT 检测颅骨平移和旋转位移情况；13例面罩定位的病人共进行33次治疗。尽管两种定位方式检测到的位移都很小，均在1mm 和1°以内，但是面罩位移还是大于框架。故在治疗小病灶或靠近关键结构时要考虑到面罩固定方式出现靶点位移的情况。面罩定位病人的耐受时间有限，若戴面罩时间超过40min，病人将难以忍受；框架固定流程中有多个不确定因素，导致耗时难以预计[18]。

可根据CBCT 配准的、已知的不确定程度建立阈值，超过该阈值的偏移值将通过重新计划和使用CBCT 坐标值进行校正[6]。CLAPS 等[19]报告一组108例病人（201 个病灶），将CBCT 图像与MRI 图像进行融合，统计融合后的图像在x、y、z三个坐标轴及旋转位移数值。在分析7个参数的变化范围后，提出1mm 为最大位移阈值，故通过CBCT 检测到定位框架出现1mm以上位移，治疗计划不应该被接受，

BANNIKOVA 等[4]报告包含529 例病人的一组数据，调查19 个参数，分析传统框架定位和CBCT定位之间出现差异的原因；其中2.6%病人出现1mm 以上的平面位移和1°以上的旋转位移；在8.3%病例中，肿瘤覆盖率下降＞5%；最大基准误差和平均基准误差的中位数分别为0.95mm 和0.40mm；22 例病人的平均基准误差大于0.4mm；9例病人的最大基准误差超过1.2mm；故基准误差、MSD、病人体质量、多发病灶和KPS 是旋转和平移增加的预测因素。如有下述任一项：平均和最大基准误差大于0.4mm 和1.0mm、病人体质量超过100kg、低KPS 评分、多发性转移性病灶，需行进一步CBCT检查。

面罩定位虽然更容易被病人接受[20]，但应考虑到其适用范围。STIELER 等[21]报告使用框架定位时的特殊情况，当不能使用4个螺钉常规固定时，应使用CBCT检测病灶的定位精度。

3 总结

无论采用框架或面罩固定方式[22-23]，使用CBCT采集的图像与符合立体定向要求的MRI 或CT 图像[24]进行融合，基于CBCT图像建立治疗坐标，再通过多个骨性标志进行融合后的图像审定，这是ICON 伽玛刀带来的新工作流程。这个流程建立于CBCT定位精度，与传统工作流程相比，新流程减少因框架畸变、位移等因素带来的稳定性变化，提高最终的治疗精度。