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

RESEARCH WORK
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
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
李君，程程，苏文正，刘昊
北京大学第三医院肿瘤放疗科，北京 100191
[摘 要] 目的 本研究在特定条件下进行对准质量保证（Alignment Quality Assurance，AQA）检测，通过比较目标追踪总位置精度误差、可信度以及刚性误差，探讨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。

方法 模拟临床治疗，增加模体厚度并人为引入摆位误差，平移10.0 mm、旋转1.0°。

分别在标准（管电压60 kV、管电流50 mA、曝光时间50 ms）与特定（管电压100 kV、管电流100 mA、曝光时间100 ms）两种X线球管成像参数条件下，追踪 2、3、4颗金标实施AQA检测，每组重复测量6次，记录总位置精度误差、目标追踪可信度以及刚性误差值，并使用双因素无重复试验方差统计方法分析数据。

结果 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，并且 3、4颗金标的刚性误差大于2颗金标，差异均具有统计学意义（P<0.001）。

金标追踪颗数相同时，随着X线球管成像参数升高，目标追踪可信度显著增加（P<0.001），刚性误差显著降低（P<0.001）。

结论 特定条件下，金标追踪数目与X 线球管成像参数是实现精准摆位与追踪的重要因素。

[关键词] 射波刀；图像引导；质量保证检测；成像参数
The Influence of Different X-Ray Tube Parameters and Number of Fiducials
on the Tracking Accuracy in SRT of Cyberknife
LI Jun, CHENG Cheng, SU Wenzheng, LIU Hao
Department of Radiation Oncology, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China
Abstract: Objective To discuss the effects of X-ray tube parameters and number of fiducials on the tracking accuracy in stereotactic radiotherapy of cybeknife by comparing the comprehensive position accuracy error, reliability and rigidity error of target tracking in this study, alignment quality assurance (AQA) tests were carried out under specific conditions. Methods To simulate the clinical treatment, the thickness of phantom was increased and artificial positioning error was introduced in 10 mm movement and 1.0° rotation. AQA tests were performed using standard (tube voltage 60 kV, tube current 50 mA, exposure time 50 ms) and specific (tube voltage 100 kV, tube current 100 mA, exposure time 100 ms) X-ray tube imaging parameters with 2, 3, 4 fiducials. The tests were repeated for 6 times. The position accuracy error, reliability and rigid error of target tracking were recorded, and the data were analyzed by two-factor non-repeated test variance statistical method. Results When the imaging parameters of X-ray tube were consistent, the comprehensive positioning accuracy error of 3, 4 fiducials was significantly less than that of 2 fiducials, and the rigidity error of 3, 4 fiducials was greater than that of 2 fiducials, the differences were statistically significant (P<0.001). When the number of fiducials were same, with the increase of X-ray tube imaging parameters, the reliability of target tracking increased significantly (P<0.001), the rigidity error decreased significantly (P<0.001). Conclusion Under specific conditions, the number of fiducials and X-ray tube imaging parameters are important factors to achieve accurate positioning and tracking.
Key words: cyberknife; image-based guidance; alignment quality assurance test; imaging parameters
[中图分类号] R730.55 [文献标识码] A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2021.04.038 [文章编号] 1674-1633(2021)04-0166-03
收稿日期：2021-01-02
作者邮箱：
RESEARCH WORK
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）。

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（x -
±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X 线球管参数金标颗数F 值
P 值
23460 kV ,50 mA,50 ms 1.30±0.140.81±0.150.80±0.1187.355<0.001100 kV ,100 mA,100 ms 1.28±0.210.64±0.100.62±0.0784.034<0.001
F 值0.772
5.715
6.125
P 值
0.037<0.001<0.001
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
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（%）
X 线球管参数
金标颗
F 值P 值23460 kV , 50 mA, 50 ms 51±7.153±4.253
±5.50.2570.868
100 kV , 100 mA, 100 ms 21±3.021±2.222
±2.0
0.0330.992
F 值206.082207.187206.742P 值<0.001<0.001<0.001
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X 线球管参数
金标颗数
F 值
P 值
23460 kV , 50 mA, 50 ms 0.32±0.080.41±0.100.41
±0.077.736<0.001
100 kV , 100 mA, 100 ms 0.17±0.020.20±0.050.21
±0.04
2.2180.008
F 值85.725119.638119.133P 值
<0.001<0.001<0.001
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。

4 结论
特定条件下，金标追踪数目与X 线球管成像参数是实现精准摆位与追踪的重要因素，正确设置成像参数和追踪金标数目，即使人为引入摆位误差10.0 mm 和1.0°，射波刀也能够始终如一地保持亚毫米的追踪精度。

[参考文献]
[1] Lin MH,Veltchev I,Koren S,et al .Robotic radiosurgery system
patient-specific QA for extracranial treatments using the planar ion chamber array and the cylindrical diode array[J].J Appl Clin Med Phys ,2015,16(4):290-305.
[2] Kilby W,Dooley JR,Kuduvalli G,et al .The cyberknife
robotic radiosurgery system in 2010[J].Technol Cancer Res Treat ,2010,9(5):433-452.
[3] Holmes OE,Gratton J,Szanto J,et al .Reducing errors in prostate
tracking with an improved fiducial implantation protocol for CyberKnife based stereotactic body radiotherapy (SBRT)[J].J Radiosurg SBRT ,2018,5(3):217-227.
[4] Dieterich S,Cavedon C,Chuang CF,et at .Report of AAPM
TG 135: Quality assurance for robotic radiosurgery[J].Med Phys ,2011,38(6):2914-2936.
[5] Esmaili Torshabi A,Ghorbanzadeh L.A study on stereoscopic
X-ray imaging data set on the accuracy of real-time tumor tracking in external beam radiotherapy[J].Technol Cancer Res
下转第180页
[3] 张寅,戴建荣,李明辉,等.热塑面罩收缩对放疗靶区定位精度
的影响[J].中华放射肿瘤学杂志,2015,24(4):454-456.
[4] 张亮,邱宏.3D打印技术在医学领域的应用[J].中国医学装
备,2018,15(6):155-157.
[5] 胡逸民.治疗体位及体位固定技术[A].殷蔚伯,余子豪,徐国
镇,等.肿瘤放射治疗学[C].4版.北京:中国协和医科大学出版社,2008:95-99.
[6] 黄清秀,黄丽娜,林赛云.发泡胶垫＋头颈肩热塑膜在固定鼻咽
癌患者调强适形放疗中的应用[J].医疗装备,2019,32(15):36-37.
[7] 罗日顺,戴鹏,张平,等.三种头部固定技术在颅内肿瘤放射治
疗中摆位误差的比较研究[J].中国医学装备,2018,15(9):18-21.
[8] 辜石勇,陈利,马燕,等.体位固定装置对鼻咽癌调强计划的剂
量学影响[J].中国医学物理学杂志,2019,36(3):271-276. [9] Klingenbeck K,Maschke M.Method for positioning the focus
of a gradient field and treatment facility[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences,2015,174(2):2962-2966.
[10] Cow IR,Thomas SJ.The use of laser scanning digitiser to
assess the accuracy of immobilisaton masks[J].J Radiother Pract,2006,5(4):191-196.
[11] 李建,康盛伟,祁国海,等.精确放疗中热塑定位材料对皮肤表
面剂量的影响[J].肿瘤预防与治疗,2014,27(2):74-76. [12] Lee N,Chuang C,Quivey JM,et al.Skin toxicity to intensity-
modulated radiotherapy for head-and-neck carcinoma[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2002,(53):630-637.
[13] Hadley SW,Kelly R,Lain K.Effects of immobilization mask
material on surface dose[J].Appl Clin Med Phys,2005,(6):1-7.[14] 赵艳群,黎杰,吴丽萍,等.热塑膜对X射线治疗剂量影响的研
究[J].中华放射肿瘤学杂志,2010,19(4):336-339.
[15] Fujimoto K,Shiinoki T,Yuasa Y,et al.Efficacy of patient-
specificblous created using three d imensional printing technique in photon radiotherapy[J].Phys Med,2017,(38):1-9.
[16] Marescaux J,Diana M,Soler L.Application of a three-
dimensional print of a liver in hepaectomy for small tumors invisible by intraoperative ultrasonography:preliminary experience[J].World J Surg,2014,38(12):3163-3166.
[17] Provaggi E,Leong JJH,Kalaskar DM.Applications of 3D
printing in the management of severe spinal condition[J].Proc Inst Mech Eng H,2017,231(6):471-486.
[18] 南贤秀,张洪明,侯彦杰,等.3D打印技术在放疗中的应用与
进展[J].国际放射医学核医学杂志,2020,44(1):65-70. [19] Laycock SD,Hulse M,Scrase CD,et al.Towards the production
of radiotherapy treatment shells on 3D printers using data derived from DICOM CT and MRI:Preclinical feasibility studies[J].J Radiother Pract,2015,(14):92-98.
[20] Robertson F.A comparison of thermoplastic and 3D printed
beam directional shells on viability for external beam radiotherapy and user experience[M].Musselburgh:Queen Margaret University,2017:6-7.
[21] 王斌,孙云川,刘光波,等.3D打印头膜固定技术在头部肿瘤
放疗的应用研究[J].中华放射肿瘤学杂志,2020,29(11):973-977.
本文编辑
皮志超
Treat,2017,16(2):167-177.
[6] Brezovich IA,Wu X,Popple RA,et al.Stereotactic radiosu
rgery with MLC-defined arcs: Verification of dosimetry, spatial accuracy, and end-to-end tests [J].J Appl Clin Med Phys,2019,20(5):84-98.
[7] 王境生,李丰彤,董洋,等.射波刀5种追踪方法的原理[J].医疗
卫生装备,2013,34(4):130-132.
[8] Schmitt D,Blanck O,Gauer T,et al.Technological quality
requirements for stereotactic radiotherapy: Expert review group consensus from the DGMP working group for physics and technology in stereotactic radiotherapy[J].Strahlenther Onkol,2020,196(5):421-443.
[9] 董洋,李丰彤,王境生,等.置入软组织金标数目对射波刀系统影
像定位精度影响[J].中华放射肿瘤学杂志,2010,19(5):465-467.
[10] 景生华,杨孝伟,许诺,等.≥3个金标追踪在射波刀治疗中的
优势比较[J].中华放射肿瘤学杂志.2016,25(9):968-670. [11] Goldsmith C,Green MM,Middleton B,et al.Evaluation of
cyberknife® fiducial tracking limitations to assist targeting accuracy: A phantom study with fiducial displacement[J].
Cureus,2018,10(10):e3523.
[12] Dieterich S,Pawlicki T.CyberKnife image‐guided
delivery and quality assurance[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2008,71(1):S126-S130.
[13] 吕蓉,陈晨,胡维娟,等.CT 值与管电流、管电压的关系以
及图像噪声与辐射剂量的相关性研究[J].实用放射学杂志,2020,36(1):123-127.
[14] 杨炎炎,黄仲奎.腹部水模不同管电压、管电流CT扫描的研
究[J].医学影像学杂志,2018,28(4):678-682.
[15] 王境生,李丰彤,董洋,等.第三代射波刀系统影像曝光参数的
选择[J].中华放射肿瘤学杂志,2012,21(4):400.
[16] 张鑫,汪胜,钱伟,等.射波刀G3系统六维颅骨追踪曝光参数
的选择[J].医疗卫生装备,2015,36(2):46-48.
本文编辑
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