1、射波刀G3系統六維顱骨追蹤的曝光參數選擇的研究張鑫 汪勝 錢偉* 蔚華 史立群 張濤（中國人民解放軍第117醫院射波刀治療研究中心，杭州 310013）摘要 目的：探索研究6D-skull (六維顱骨追蹤)的曝光參數選擇。方法：以模型LUCY（體模名字）為實驗模體，改變曝光參數的電壓，電流和時間值，采集影響追蹤出的誤差與參考數據。然后對數據進行定量分析。結果：6D-skull的曝光參數選擇為：電壓在97kV107kV之間為最佳(電流為100mA，曝光時間為75ms時)，電流在100mA200mA之間最佳（電壓為90kV，曝光時間為75ms時），曝光時間在100ms125ms之間最佳(電壓為90

2、kV，電流為100mA時)。結論：所得結果可指導曝光參數選擇，保證治療的穩定性，一定程度的減少了治療時間。關鍵詞 射波刀；影像引導放療；曝光參數；6D-skullThe research to the choose of exposure parameter while the G3 Cyberknife system work by 6D-skull traceZhang xin，Wang sheng，Qian wei*，Wei hua，Shi Li-qun，Zhang tao(The Cyberknife Treatment and research centre in the 117th

3、 hospital of PLA )【Abstract】 Objective: To research the choose of the exposure parameters for 6D-skull trace. Method: The LUCY which was a body mold was placed on the treatment couch, The traced error and the reference data were collected while changed the exposure parameters: KV, MA and EX . then w

4、e made a quantifiable analyswas for those data. Result: The choose of the exposure parameters were that: the optimum voltage was range between 97kV and 107kV while the electric current was 100 mA and the time of exposure was 75ms; the optimum electric current was range between 100mA and 125mA while

5、the voltage was 90 kV and the time of exposure was 75ms; the optimum time of exposure was range between 100ms and 125ms while the voltage was 90 kV and the electric current was 100 mA. Conclusion: The result might lead to the choose of exposure parameters, and ensured the stability of treatment, and

6、 decreased the time of treatment.【Key word】: Cyberknife；Image guided radiotherapy；exposure parameters；6D-skull0. 引言立體定向放射治療的目的是最大程度地提高腫瘤靶區的劑量，并盡可能降低正常組織的受照劑量1。隨著技術的不斷發展，影像追蹤在放射治療中得到越來越廣泛的應用，立體定向放射治療的要求也越來越高。其中射波刀的高精度、大劑量、分割次數少、無創傷以及機器人影像跟蹤技術等優勢，作為立體定向放射外科的最新技術被越來越多的人們所認同2。射波刀于1999年獲得美國食品與藥品管理局 (FDA)

7、認證可用于顱內可放療疾病的治療，并于2001年獲得 FDA認證可用于全身可放療疾病的治療3。之后，射波刀在全球范圍內廣泛應用開來。射波刀系統的配置包括硬件部分和軟件部分。硬件部分分為6部分：機械手臂系統，直線加速器系統，治療床系統， X線實時影像系統，紅外線同步呼吸追蹤系統，機電配套子系統。軟件部分分為：圖像融合及輪廓勾畫工作站和治療計劃系統，治療執行控制軟件系統，患者資料管理系統，DICOM RT協議 4。雖然射波刀立體定向放射治療平臺的影像追蹤技術已經達到亞毫米級，但是其誤差補償的準確性研究還沒有深入，由于曝光參數不同，誤差補償也不同，因此，對于亞毫米級誤差的射波刀立體定向放射治療平臺，影

8、像追蹤的曝光參數選擇的研究更顯得有必要了。射波刀治療平臺治療時需要運用面罩固定患者頭部，保持頭部穩定以完成治療計劃。治療過程中，機器人適時影像追蹤以提高治療精度，為了減少追蹤軟件計算的對比誤差，提高治療的準確性。本文對追蹤曝光參數的選擇進行了一定的探索研究。1. 實驗方法首先，模體LUCY經過GE Dwascovery CT750 HD CT掃描，掃描參數為：120kV，400mA，1.25mm無間距掃描。以此CT圖像資料在治療計劃系統Multiplan2.1.0上做出6D-skull的E2E（模擬病人治療）計劃。然后，在操作界面SGI平臺上生成DRR，把LUCY放在治療床上，調到CT中心的位

9、置上，在操作界面上微調至影像追蹤到的對比誤差為1mm和1deg之內（順逆時針除外）。其次即可進行下面操作：第一，保證mA=100mA,Ex=75ms不變，改變KV的值，從小到大，觀察對應的平移和旋轉誤差值及A、B影像的亮度增益、梯度增益和DxAB(配對公差)的變化。第二，保證KV=90kV,Ex=75ms不變，改變mA的值，從小到大，觀察對應的平移和旋轉誤差值及A、B影像的亮度增益、梯度增益和DxAB的變化。第三，保證KV=90kV,mA=100mA不變，改變Ex的值，從小到大，觀察對應的平移和旋轉誤差值及A、B影像的亮度增益、梯度增益和DxAB的變化。最后對采集的數據進行分析整合。2. 結果

10、2.1 KV（電壓）值對影像誤差的影響在mA=100mA，Ex=75ms不變的情況下，改變KV值，由于KV值是按1KV的檔次調節的，為了優化方便，我們選擇了2KV檔次遞增變量，最后得出數據顯示，在83KV121KV的范圍內可以追蹤出誤差，其變化趨勢如圖1，圖2：圖 1 六維誤差與電壓的關系曲線圖 2 亮度增益、梯度增益及DxAB與電壓的關系曲線由此，在83121kV的電壓范圍內可以追蹤到誤差值，由圖可見，KV值取87121，誤差趨于穩定，保證亮度增益為0.981.02，梯度增益接近0.95，KV取97107左右為最佳，此時誤差最穩定，最接近準確值。而且隨著電壓的升高，亮度增益呈增大趨勢，梯度增

11、益呈減小趨勢。2.2 mA（電流）值對影像誤差的影響在KV=90kV，Ex=75ms不變的條件下，改變mA的值，由于mA的增值檔次不恒定，所以我們從50增加到300。只有75，100，150，200，250這些值時可以追蹤出誤差。變化趨勢如圖3，圖4：圖 3六維誤差與電流的關系曲線圖 4 亮度增益、梯度增益及DxAB與電壓的關系曲線由此，在75250mA的電流可以追蹤到誤差值，由圖可見，mA值取100250，誤差趨于穩定，保證亮度增益為0.981.02，梯度增益接近0.95，MA取150左右為最佳，此時誤差最穩定，最接近準確值。而且隨著電流的升高，亮度增益呈增大趨勢，梯度增益呈減小趨勢。2.3

12、 Ex（曝光參數）值對影像誤差的影響在KV=90kV，mA=100mA不變的條件下，改變EX的值，由于Ex的增值檔次不恒定，所以我們從10增加到200。只有75，100，125，150這些值時可以追蹤出誤差。變化趨勢如圖5，圖6：圖 5六維誤差與曝光時間的關系曲線圖 6 亮度增益、梯度增益及DxAB與曝光時間的關系曲線由此，由圖可見，在75150ms的曝光時間范圍內可以追蹤到誤差值，保證亮度增益為0.981.02，梯度增益接近0.95，Ex取100125ms左右為最佳，此時誤差最穩定，最接近準確值。而且隨著曝光時間的升高，亮度增益呈增大趨勢，梯度增益呈減小趨勢。3. 討論影像引導功能逐漸成為放

13、療設備的主導功能，成像系統分為輻射類和非輻射類，輻射類 主要有：MV級射束成像和kV級X光成像，非輻射類主要是超聲波 6。射波刀影像系統的功能不同于其它設備，它要完成影像引導擺位、呼吸模型建立、實時追蹤，這就是治療過程中攝片數多于其它設備的原因7。CyberKnife系統利用機器人互動技術，采用計算機立體定位，配備kV級X線立體成像系統“即時”影像引導，自動靶區追蹤、自動位置修正，輕松實現全身各部位良、惡性腫瘤亞毫米級精確放射外科治療8。射波刀的千伏級影像引導系統在實現3種影像引導功能的同時，會對患者產生額外吸收劑量，單次曝光最小吸收劑量為0.5µGy，最大為0.385µG

14、y9。治療頭部病灶時，由于曝光參數相對較低，對患者產生的額外劑量會相對較小。射波刀曝光參數指的是X線球管的曝光參數，具體為一對X線球管 (A、B球管)的電壓、電流、曝光時間10。其中電壓變化范圍40140kV（以1kV值為變化檔），電流變化范圍50300mA（可選擇值為50、75、100、150、200、250、300mA），曝光時間變化范圍10200ms(可供選擇值為10、20、35、50、75、100、125、150、200ms)。治療顱腦和頜面部腫瘤時，應用6D-skull追蹤，無需有創頭架。治療時天花板上的2組X射線實時采集顱骨影像，獲得一對相互垂直的頭顱影像，系統將其對比DRR影像，

15、得到六維方向上的誤差，遠程操作移動治療床，使拍攝的顱骨影像與DRR影像毫米內誤差符合。治療開始，設定好節點數，實時比對病灶位置11。如果頭顱有輕微的移動，立刻計算出移動造成的偏差，機械臂根據偏差微調加速器的方位進行補償，對準病灶治療，如果患者移動較大，超出補償誤差范圍，機械臂會立即停止（E-Stop），需要人為遠程操控調整治療床位置。從治療的過程，我們不難發現，最重要的是系統對比DRR影像所產生的六維方向上的誤差，而這個誤差與曝光參數的選擇息息相關。六維顱骨追蹤方式下，X線球管曝光條件要求滿足DxAB1mm、亮度增益接近于1、梯度增益接近于0.94。對于6D-skull（六維顱骨追蹤）和SST

16、（脊椎追蹤）和Fiducial(金標追蹤)三種追蹤模式，其治療精度達0.95mm，此三種追蹤模式只適用于相對靜止的器官，而對于運動性器官的MTS（同步呼吸追蹤）模式，其治療精度可達1.5mm。雖然射波刀系統的精度已經如此亞毫米程度，但是操作治療過程中，技師對追蹤參數的設置直接影響了射波刀追蹤誤差，進而影響機械臂的補償值。對六維顱骨追蹤而言，由于面罩的固定和顱骨的骨性特點，每個人的顱骨CT中心CT值較為接近，治療過程相對穩定，一般病人不會移動超出追蹤范圍。而且治療過程中，6個自由度的對比誤差最好人工遠程操作微調至1mm和1°以下，雖然系統設定角度的最大微調幅度為5°，但是微調

17、角度時，微調的幅度最好不要超過3°，否則患者會有很強烈的反射反應，進而達不到操作者的目的。筆者通過本文的實驗數據結果應用到實際操作中，治療穩定性有了一定的提高，治療時間也減了下來，減少了超出追蹤范圍的E-Stop次數，減少了攝片次數，進而減少了患者額外射線吸收劑量。雖然射波刀的臨床應用和治療效果得到越來越多的患者的認可，但是由于射波刀治療時需要適時影像追蹤技術的運用，每次治療時間平均需要40分鐘，并沒有達到醫患的期望。本文只對六維顱骨追蹤的曝光參數選擇進行了研究探索，而對于較為復雜的脊椎追蹤、金標追蹤和同步呼吸追蹤的曝光參數選擇還需要進一步的探索研究。4. 結論本文以曝光參數（90K

18、V，100mA，75ms）為基礎，分別對三個參數進行實驗采集數據，然后進行數據分析，可證明：亮度增益隨KV，mA，EX的值增大而遞增，而梯度增益正好相反。6D-skull（六維顱骨追蹤）的曝光參數選擇為：電壓在97KV107KV之間為最佳，電流在100mA200mA之間最佳，曝光時間在100ms125ms之間最佳。如下表：表1 6D-skull追蹤模式的曝光參數選擇最佳范圍電壓(kV)電流(mA)曝光時間(ms)9710710075901002007590100100125本文通過改變曝光參數減少追蹤軟件的對比誤差，進而減少修正攝片次數，縮短治療時間，一定程度上減少了患者的額外射線吸收劑量。參

19、考文獻：1 王境生，李豐彤，董洋，宋勇春，袁智勇射波刀5種追蹤方法的原理J/OL原理與應用，2013,4：130-1322 董洋，李豐彤，王境生等置人軟組織金標數目對射波刀系統影像定位精度影響J/OL中華放射腫瘤學雜志，2010，19：465-4673 FDA clearance. Accessed AugustEB/OL(2001).Available at URL address: /cdrh/pdf/kO11024.pdf4 李兵，封其卉，沈君妹. 射波刀全身腫瘤立體定向放射外科新設備J/OL. 醫療衛生裝備,2009,1,30(1)：37-395 王境生，李豐彤，董 洋，宋勇春，袁智勇第三代射波刀系統影像曝光參數的選擇J/OL中華放射腫瘤學雜志，2012,21:4006 Poppe B，Looe HK，Chofor N，et alClinical