肺追踪优化对射波刀Synchrony建模的价值

黎国全，胡 斌，朱 斌，梁志文，陈 秘，彭振军

（华中科技大学同济医学院附属协和医院肿瘤中心，武汉 430022）

0 引言

G5代射波刀是目前世界上最新型的全身立体定向放射外科治疗系统[1-2]，该系统具有以下几个突出特点：（1）同步呼吸跟踪肿瘤；（2）灵活的机器人手臂；（3）多个靶区的肿瘤同时治疗[3]。基于以上3个特点，该系统能主动追踪肿瘤并精确计算肿瘤的运动位置，使肿瘤区的剂量高度集中的同时，邻近肿瘤边缘的正常组织器官能够得到很好的保护[4]。在射波刀治疗中下肺肿瘤时，肿瘤位置随呼吸运动而大幅度移动，为实施精确治疗，推荐采用呼吸同步肺追踪（X-sight lung）技术，该技术主要用于受人体呼吸影响而运动的肿瘤靶区治疗，是将目标移动与患者的呼吸移动相关联，建立Synchrony模型，并将输出射束与目标移动同步的一种治疗方法[5]。射波刀VSI版本的系统要求建立的Synchrony模型关联误差尽可能接近0，覆盖率尽可能高[6]。但临床实际工作中，由于肿瘤大小、患者病情、医生的主观判断和部分患者不愿意接受金标植入穿刺带来的并发症等因素的影响，导致不能建立Synchrony模型，或者模型不适用频繁重建导致治疗时间延长，患者的舒适度降低。因此，放射治疗师在实施肺部追踪治疗过程中，探讨采用肺追踪优化措施对降低Synchrony模型重建频率的贡献和保证放射治疗的顺利进行具有重要的意义。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选取2015年11月至2018年3月152例肺部肿瘤患者，其中男性113例、女性39例，年龄20~85岁，平均年龄54.5岁；采用穿刺活检证实为原发性肺癌或者临床诊断标准证实为肺部转移瘤。所有患者均执行肺部追踪治疗，放疗分次均为5～8次。按肿瘤直径大小分为10 mm≤d＜15 mm（40例）、15 mm≤d＜20 mm（65例）、d≥20 mm（47例）3组。病例其他条件均符合射波刀操作指南对肺部追踪的要求[7]。

1.2 设备情况

美国Accuray公司G5代射波刀（配标准治疗床），治疗计划系统MultiPlan5.2.1，治疗执行系统Cyber-Knife 10.5。

1.3 优化措施

对于首次行射波刀放射治疗的患者，在进行Synchrony建模时，优化肺追踪措施实际上是调整射波刀执行系统的算法参数，以治疗师的目测判断结合射波刀治疗执行系统的计算最终确定肿瘤靶区的追踪方案，然后执行同步追踪放射治疗。常用肺部追踪优化方法有以下几种：（1）使用偏移（offset）模式；（2）调整跟踪范围（tracking range）阈值；（3）调整不确定性（uncertainty）阈值；（4）二次脊柱追踪辅助定位；（5）启用建议影像/主要参考影像（Preferred Projection(on)）。

Synchrony建模阶段，首先采集一个呼吸波形中点的X线影像，观察射波刀治疗系统是否正确识别计划中标记的肿瘤位置。参考操作方法是对比实时X线影像中肿瘤位置与CT重建的肿瘤位置是否相似，并辅助监视治疗系统计算的不确定性和X轴目标配对公差（dxAB）的值。如果不确定性值超过阈值（系统默认为40），治疗系统不能通过计算识别肿瘤，此时优先采用偏移模式，手动拖动肿瘤识别轮廓于治疗师目测的位置。治疗系统根据手动拖动肿瘤位置重新计算不确定性和dxAB的值。如果计算值在阈值以下，则优化成功，继续采集其他时相以达到最优模型实施治疗。如果治疗系统仍然无法确认肿瘤的具体位置，分3种情况进行处理：（1）不确定性值在阈值内而dxAB值超出阈值，说明治疗系统正确识别肿瘤位置，但是在2个X线实时影像的计算靶区位移有偏差，也就是其中一个影像中肿瘤被脊柱或心脏之类的辐射不透性结构阻挡。此时在治疗师目测确认其中一个可见肿瘤已正确识别跟踪的情况下，启用建议影像/主要参考影像优化肺追踪治疗。（2）不确定性超出阈值而dxAB值在阈值内，这种情况一般出现在肿瘤随呼吸运动而位移较大的Synchrony建模中。此时考虑调整跟踪范围，增大搜索目标的搜索区域，计算肿瘤的位置。（3）不确定性值和dxAB值均超出阈值。此时采用二次脊柱追踪辅助定位，重新调整患者的体位并匹配患者CT重建图像的参考骨性标记，然后再采取上述优化方式进行Synchrony建模。其余7个模型点的采集运用同样的追踪优化方式，建立最优Synchrony模型。

1.3 数据评估

仅统计3组患者首次执行治疗计划时优化前后能通过Synchrony建模的数目；对不进行优化也能通过Synchrony建模的病例，在分次治疗时采取第一次治疗不优化、第二次治疗优化、第三次治疗不优化、第四次治疗优化的方式交替进行；统计采用优化措施与不采用优化措施模型重建的次数，并计算频率。

1.4 统计学方法

所有数据均使用SPSS 19.0统计软件行χ2检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 优化前后通过Synchrony建模统计

优化前能够通过Synchrony建模的病例数：10 mm≤d＜15 mm 组 3例（7.5%），15 mm≤d＜20 mm组 24例（36.9%），d≥20 mm 组 43例（91.5%）；通过不确定性阈值、跟踪范围优化和二次脊柱追踪辅助定位，能够通过Synchrony建模的病例数：10 mm≤d＜15 mm 组 8例（20%），15 mm≤d＜20 mm 组 53例（81.5%），d≥20 mm组45例（95.7%）。经统计学处理，χ2=6.133，P=0.047，优化前后差异有统计学意义（P＜0.05）。

表1 不同肿瘤直径优化前后通过Synchrony建模的患者数量统计例

2.2 治疗过程中Synchrony模型重建次数统计

在Sychrony建模的过程中，由于不同患者呼吸习惯不同，按照同一个患者不同分次治疗时进行分别统计，用以对照分析肺追踪优化对Synchrony建模的作用。统计结果详见表2、3。

表2 不优化情况下不同肿瘤直径患者模型重建次数统计

表3 优化情况下不同肿瘤直径患者模型重建次数统计

3 讨论

偏移模式是在肺部追踪算法不能识别肿瘤的情况下，通过治疗师目测识别肿瘤、手动移动肿瘤轮廓的一种优化方法。这种模式可以根据邻近肿瘤的骨性标志判断，如椎体、胸骨等；另外还应考虑调整跟踪范围以获得更加准确的肿瘤定位。鉴于肺部追踪算法不评估旋转偏移量，因此在治疗期间当患者自主呼吸或者不可预料的原因可能出现旋转偏移，导致肿瘤轮廓在2个X线影像的投影与DRR影像上产生差异，其结果dxAB（mm）和不确定性（%）超出阈值。此时应首先进行二次脊柱辅助定位。返回到定位>肺（Alignment>Lung）阶段，将肺部中心移到脊柱中心，重新通过脊柱的旋转偏差来评估肺追踪的旋转偏移量，从而决定调整患者治疗体位。对比统计的3组数据结果显示，在10 mm≤d＜15 mm组的患者中，优化前92.5%的患者都不能顺利建立Synchrony模型，80%的患者即使进行肺部优化仍不能顺利建模。其中通过优化能够进行建模的4例患者其肿瘤直径也接近15 mm。因此，对于10 mm≤d＜15 mm的患者不建议执行射波刀肺部追踪放射治疗。而在15 mm≤d＜20 mm组65例患者中，经过优化措施后，能够建模的病例由原来的36.9%提升为81.5%，多数患者采用肺追踪优化措施可以提高建立Synchrony模型的概率。d≥20 mm组中有2例患者可以通过优化措施顺利建立模型。

射波刀跟踪算法是通过计算2个影像中肿瘤与周围组织灰阶差别来识别肿瘤的，在灰阶差异不大或者其中一个影像中肿瘤被周围辐射不透性结构阻挡时，出现肺部跟踪算法不能正确计算dxAB时，通过调用建议影像/主要参考影像的方法可以忽略dxAB错误计算带来的阈值报错，从而顺利进行Synchrony建模。需要注意的是，启用此功能需要治疗师目测检查，否则肺部跟踪算法可能错误地估计患者位置，误导辐射射束。

X-sight lung肺部跟踪算法是在患者的实时X线影像中搜索和定位目标。目标定位由影像配准在DRR影像和实时X线影像之间执行。具体而言，就是将DRR影像中肿瘤区域的影像强度模式与实时X线影像中的最相似区域进行匹配。用基于各影像中的二维肿瘤轮廓来定义肿瘤的匹配区域，该匹配区域是可容纳整个肿瘤的最小矩形。因为典型的肿瘤形状不是矩形，所以该匹配区域也会包括一些周围区域。通过在治疗师定义的搜索区域中移动匹配窗口，执行配准。表1结果表明，肿瘤直径越大，通过Synchrony建模的病例越多。因此，肿瘤直径越大，治疗系统识别出肿瘤与周围正常肺组织的概率越大。并且肿瘤影像直径越大，肿瘤越不容易被周围辐射不透性组织（如心脏、肋骨、肱骨等）阻挡。人的肋骨在影像上的宽度约为15mm，在治疗建模过程中发现，肿瘤直径小于15mm时，肿瘤在X线实时影像上随呼吸运动表现为时隐时现，当肿瘤阴影进入肋骨阴影边缘时，容易出现边界计算错误。表2统计数据表明，肿瘤越小模型平均重建次数越多。因此，在射波刀临床治疗中，对于肿瘤直径小于15 mm的患者，不建议选择肺部跟踪技术。

根据表2、3统计数据分析，在肿瘤直径10mm≤d＜15 mm的3例患者中，通过优化措施后，治疗过程中Synchrony模型重建频率降低了2.0，优化效果最为明显；肿瘤直径15 mm≤d＜20 mm的24例患者中，通过优化措施重建频率也下降了0.77，表明肺追踪优化措施对于降低治疗过程中Synchrony模型重建频率是有效的。本研究中肿瘤直径10 mm≤d＜15 mm的病例数偏少，可以进一步进行统计研究以获得更多的数据支持，但在15mm≤d＜20mm和d≥20 mm病灶治疗中依然可以看到优化措施对于Synchrony模型重建频率有下降趋势，综上，肺追踪优化对模型重建是有积极作用的。此结论的前提是同一例患者在不同分次治疗过程中的呼吸习惯和规律一致，因为呼吸规律对Synchrony模型重建也有影响[8-10]。但是本研究中，射波刀治疗分次少，因此在短时间内同一个患者呼吸习惯变化较小，建议可以进一步探讨呼吸习惯和规律对Synchrony模型重建的影响。

X-sight lung肺部跟踪技术是射波刀唯一一种可直接对患者呼吸运动进行追踪而不需要穿刺植入金属标志物[11]、放疗前的准备和医疗付出较少的同步运动追踪技术。在Synchrony建模前正确的目测判断和采用肺追踪优化措施可使建模的成功率最大提高44.6%（肿瘤直径15 mm≤d＜20 mm），且综合采用二次脊柱追踪辅助定位和启用建议影像/主要参考影像可以提高射波刀肺追踪治疗旋转偏差的修正，降低治疗风险。因此，放射治疗师应综合利用各种优化手段，在提高射波刀治疗精度的同时规避治疗的意外和风险。