【文献快递】使用CBCT评估基于头架的伽玛刀治疗中的意外位移

《Journal of Neurooncology》杂志2020年5月30日在线发表美国Mayo Clinic的Danushka S Seneviratne  , Austin R Hadley  ， Jennifer L Peterson等撰写的《使用锥形束计算机断层图像引导评估基于头架的立体定向放射外科治疗中的意外位移。Assessment of Unintended Shifts During Frame-Based Stereotactic Radiosurgery Using Cone Beam Computed Tomography Image Guidance》（doi: 10.1007/s11060-020-03463-2.）。

【目的】

研究在实施基于刚性框架的伽玛刀固定治疗时，在治疗计划和治疗实施照射之间可能发生的框架移位的频率、幅度和可能的原因。

放射外科已经彻底改变了神经系统疾病的治疗方法。现有的放射外科平台，包括伽玛刀(瑞典斯德哥尔摩Elekta AB，GK )，射波刀(加州Sunnyvale, Accuray, )和以直线加速器（LINAC）为基础的装置，都能以高的针对性进行辐射照射。为了实现这种精确的治疗，同时尽量减少对邻近正常组织的损害，在提供计划和治疗过程中，必须明确靶体积并使其固定。这通常是通过使用立体定向头架来实现的，该头架在治疗过程中先固定患者，并为肿瘤定位提供三维立体定向坐标系统。由于该技术依赖于毫米范围的精度，立体定向头架相对于靶区的微小移动可能导致不适当的对靶区或危及器官的辐射剂量，特别是在进行单次分割治疗的情况下。

基于头架的伽玛刀（GK）系统的典型工作流程包括使用立体定向头架固定患者，然后通过MRI或CT扫描确定立体定向空间和治疗计划。头部框架有基准，出现在扫描和允许将治疗计划图像配准到立体定向坐标系。将图像与坐标系统对齐后，将创建一个治疗计划。这个坐标系统然后用于适当的定位，以能进行靶向辐射照射并创建一个立体定向参考。由于头架与患者的刚性连接被认为是最可靠的固定形式，因此认为意外的框架移动可能导致辐射照射不准确的想法很少被认为有可能性。

直到最近，研究头架移位程度的方法还很有限。相对最新引入的ICON伽玛刀系统，对于研究这个问题现在提供了一个创新的方法。ICON伽玛刀系统有一个集成的锥形束CT (CBCT)，可以在实施照射治疗前立即获得图像，从而可以在放射外科治疗前立即对患者进行第二次校准。虽然该系统的主要目的是确保在无框架伽玛刀治疗过程中适当的靶向辐射照射，但将CBCT成像与基于框架的伽玛刀治疗方案相结合，提供了一种独立的方法来评估实施照射治疗前患者即刻位置的准确性。本研究的目旨在调查在放射外科计划时间和治疗交付时间之间可能发生的头架移位的原因和相关性，并评估头架放置后成像的作用，以减少治疗错误。此外，尽管有一些文章讨论了在伽玛刀GK实施照射期间头架位移的问题，但这些文章来自有限的几个中心，因此有必要更广泛地了解在伽玛刀实施照射期间帧位移的频率。这项工作说明了框架位移的程度和在我们中心的GK实施照射过程中遇到的问题。在本研究中，通过测量初始定位CT和治疗前CBCT坐标之间的差值，经过严格的CT-CT图像共同配准后，确定头架位移。然后将患者特定因素和治疗相关因素与位置数据进行关联，以确定增加位移的预测因子。通过本次调查，我们旨在评估帧位移的幅度，并确定与增加差异相关的因素，以帮助提高未来GK治疗的准确性和安全性。

【方法】

记录49例接受使用ICON伽玛刀的基于头架伽玛刀（GK）放射外科治疗患者使用计算机断层（CT）框架基准立体定向坐标参考点与图像配准后的锥形束计算机断层（CT）立体定向坐标的差异。记录的参数包括旋转位移、平移位移和两个立体坐标空间之间的GK计算的最大靶点位移(MSD)。收集患者的其他具体参数，并进行线性回归分析，以评估增加位移的预测因素。

所有患者都接受单次放射外科治疗。在进行放射外科治疗之前，对大脑进行磁共振成像检查。以前已经发布了我们的放射外科治疗流程。简而言之，在进行放射外科治疗的当天，对病人安装头架，以实施固定，并用四根固定在颅骨上。每一次头架的安转是由经过伽玛刀培训和专业委员会认证的神经外科医生进行。将基准指示盒固定于立体定向头架上，进行诊断性CT扫描(作为立体定向参考图像集)，并转送至治疗计划软件。将前一天获得的MRI图像用解剖标志配准到CT图像上，并最终确定计划。然后病人被带到治疗室，头架被固定在治疗创上。获得CBCT并与诊断CT配准，为立体定向坐标系的评价提供一种独立的方法。由治疗计划软件计算原计划坐标的任何旋转和/或转换。通过对比初始CT和治疗前CBCT，确定设置误差。CBCT的分辨率为0.5x0.5x0.5mm ，层厚0.5mm。视野是224毫米x224毫米x224毫米。图像配准由物理师使用算法中的自动匹配功能进行，然后由经治神经外科医生和放射肿瘤科医生进行验证。将整个颅骨作为感兴趣区域进行配准。原头架GK治疗治疗计划和实施照射的治疗计划的位置和剂量分布差异的典型例子图1 c所示。

在临床上有意义的转变被确认的情况下,神经外科医生和放射肿瘤科医生验证框架固定,然后根据需要重新计划,以便准确地进行治疗(有时使用CBCT作为立体定向参考图像集)。值得注意的是，虽然可以通过治疗前CBCT检测设置错误，但GK图标只允许基于面罩的治疗前位置调整，而不能在执行头架治疗时应用位置校正。

在安装肉架时，使用尺子对所使用的固定钉的长度进行物理测量并进行了记录。在数据分析过程中，我们为每个患者确定了右前固定钉与左前固定钉以及右后固定钉与左后固定钉长度的差异。例如，考虑一个例子，前右和前左固定钉的长度分别为29毫米和28毫米，后右和后左固定钉的长度分别为31毫米和27毫米。左右前固定钉长度差值为1 mm，左右后固定钉长度差值为4 mm。因此，将后固定钉长度差4mm记录为左右固定钉之间的最大偏心距作为这个特殊情况的长度。对所有病例进行这种类型的计算，记录并比较不同患者的最大偏心距。记录连续49例基于头架的GK放射外科治疗患者CT立体定向参考坐标与CBCT立体定向坐标的差异。记录的参数包括转动位移、平移位移和两个立体坐标空间之间的伽玛刀治疗计算的最大靶点位移(MSD)。

关于重新计划与治疗的决定是根据具体情况而定的，并由治疗放射肿瘤学家和神经外科医生根据移位的幅度和由此产生的剂量学来决定。收集其他患者特定的参数，并进行线性回归分析，以评估增加移位和靶点移位的预测因子。

【结果】

中位旋转移位的值为:倾斜度0.14°，偏斜度0.17°，旋转度0.13°。平移位移的中位数绝对值为:左-右0.39 mm，前-后0.14 mm，上-下0.22mm。MSD的中位数为0.71 mm。12例(24.5%)最大靶点位移(MSD)大于1.0 mm。男性与最大靶点位移(MSD)增加(p = 0.013)和平移移位(均方根值root-mean-squared value, p = 0.017)相关。左侧和右侧固定钉长度差异较大的病例也与最大靶点位移(MSD)增加有关(p = 0.011)。

图1此图演示了定义为接受基于头架是的ICON型伽玛刀治疗的患者的治疗计划(基于CT模拟立体定向参考坐标)和实施的治疗(基于CBCT立体定向坐标)之间的设置误差。a.演示在虚线指示的原始计划和实线显示的实施照射的计划可见的设置误差。B。演示了X、Y和Z方向移动的幅度。c.原图显示肿瘤体积超过12Gy计划与实施治疗。注意，尽管在计划和实施的治疗之间发现的差异很小、不能对基于头架的治疗进行纠正。

【讨论】

 

目前对于基于刚性框架的伽玛刀（GK）治疗中头架位移的程度和可能的原因的研究还很有限。Peach等研究了基于头架的GK患者定位CT坐标和治疗CBCT坐标的比较。他们的结论是，在刚性固定后会发生轻微的框架位移，使用CBCTs验证头架放置的可靠性可以减少在辐射照射期间发生的临床重大错误的实施。Dutta等人检查了150例伽玛刀治疗，在治疗前进行CBCT，发现多数情况下坐标差异小于1 mm。研究指出，较大的差异与低Karnofsky一般状态评分和较长的固定钉长度有关。Li等人评估了设置（setup）和分割治疗内（intrafraction）位置变化，并注意到平均设置误差和分割治疗内（intrafraction）误差分别约为0.2 mm和0.03 mm。Carminucci和他的同事进行了一项研究，比较了基于面罩和基于头架的GK治疗的分割治疗内（intrafraction）误差，发现两种治疗方式都表现出有小的设置、平移和旋转误差。这些研究证实，尽管假定基于框架的GK治疗存在刚性，但在患者设置和治疗过程中仍可能发生可测量的位移。

我们的研究通过证明基于框架的GK治疗在使用这种模式治疗的患者中涉及到小的、意想不到的变化，对这一部分有限的工作做出了贡献。我们发现大约25%(12/49)的患者有足够大的位移，导致MSDs大于1.0 mm，这表明头架固定可能并非如前面描述的那样严格。我们注意到，男性和偏心安装头架（eccentrically placed frames）和较大的固定钉长度变化与MSD增加相关。Maciunas等人早期进行的系统误差分析显示，头架定位的准确性受到头架所遇到的重量和成像质量等因素的显著影响。我们假设，诸如与骨膜接触不完全、固定钉螺纹错扣（eccentrically placed frames）、固定钉的角度不正确（improper angling of pins）、安装置过程中头架的过度扭转（over torqueing of the frame during placement）以及使用不同长度的固定钉导致的曲度增加（increased flexion）等因素都可能导致细微的变化。患者相关因素可能导致头架不稳定，包括患者摆位时的头架移动，与较大的承重负荷相关的机械应力(例如，较大的头部肿块)，以及与先前的开颅手术相关的骨瓣松弛（the laxity of bone flaps），这可能使安全地安装固定钉遭遇困难。有趣的是，我们关于固定钉长度差异影响的研究结果得到了Renier和Nicolas的独立证实，他们在之前的一项关于由立体定向头架的机械变形引起的靶区误差的研究中也证实了这一点。在这项研究中，作者注意到，尽管两个相对的固定钉之间的长度差异通常非常有限，但固定钉长度之间的异质性即使是很小的增加，也会显著增加头架的失真量。他们还发现，用于头架固定的扭矩水平影响头架畸变和偏离预定的立体定向靶区。此外，虽然图像共同配准是由经验丰富的物理师进行的，但图像分辨率的质量和图像共同配准中的小的偏移量也可能有助于模拟CT坐标和CBCT坐标之间的可检测差异。

我们的研究有一个值得注意的发现，那就是图像导航的价值，即使是在提供基于框架的放射治疗时也是如此。在一个典型的基于框架的GK工作流程中，在放射外科治疗之前不能立即进行预处理成像。基于我们的研究结果，我们认为使用CBCT进行图像引导是评估移动误差的有力工具。因此，我们常规获得治疗前CBCTs以确保放射外科的准确性。然而，重要的是要考虑到，与新建立的程序相比，经验丰富的SRS中心可能会以较低的速率观察头架移位，并且可能选择不定期使用CBCTs。虽然我们的神经外科医生在基于LINAC的放射外科治疗的头架安装方面非常有经验，但是我们的中心在数据收集的时候在进行GK治疗的头架安装方面是相对较新的。这一程序的新颖性可能有助于我们的机构观察到的头架变化的程度。

据我们所知，男性性别与更大的变化之间的联系是我们研究中的一个新发现。我们推测，这一现象的部分原因可能是由于男性患者的头部通常较大，尽管确切的病因还有待独立研究。无论如何，性别与增加的变化的联系是假设产生的，应该进行进一步的研究来评估原因和潜在的补救措施。

在讨论头架位移时，一个经常出现的问题是，是否应该在定位靶区体积中增加一个边缘扩展，以确保足够的靶区覆盖率。虽然在基于LINAC的SRS治疗中使用了边缘扩展（margin），但是考虑到GK的目的是在保证靶区覆盖率的同时最大限度地保留正常大脑，通常不会添加GTV以外的边缘扩展。Ma等人使用数学模型来评估在基于GK的SRS治疗中添加0.5-3.0 mm的边界的影响。作者发现，添加2 mm的边缘扩展可使处方剂量体积增加约55%，预测的症状性坏死率为6 25%。由于ICON型GK平台能许在治疗前检测和纠正任何重大变化，我们不建议在使用ICON型GK进行治疗时在GK治疗中添加边缘扩展。我们认为，在这种情况下增加边缘扩展可能会增加对正常大脑的辐射毒副作用，而没有明确的临床获益。然而,鉴于我们在相当数量的患者中检测到变化,在医疗机构有伽玛刀（GK）但没有能力获得治疗前CBCT成像(即那些没有ICON型伽玛刀的),增加的边缘扩展可能会降低错失靶区的可能性，取决于临床情况和由此产生的风险。

【结论】

在基于头架的伽玛刀（GK）放射外科中使用CBCT图像引导可以识别和纠正意外的框架移位。相当一部分(24.5%)的患者有足够大的位移，导致最大靶点位移(MSD)大于1.0 mm。男性和偏心安装的头架与增加的最大靶点位移(MSD)有关，在这些情况下应特别注意。

我们的研究目的是评估在伽玛刀（GK）放射外科治疗中造成头架位移的大小和因素。我们的研究发现在GK放射外科治疗中会发生可检测到的头架位移。然而，由于我们的随访数据有限，很难确定细微的头架位移是否会导致任何临床相关的后果，需要进一步的研究来评估头架位移对疾病控制和放射毒副作用的长期影响。我们假设有一些因素与头架上的机械应力和图像共通配准的不确定性有关，这些因素可能导致头架位移。在我们的研究中没有探讨的因素，如大的头部尺寸，从安装头架到治疗实施照射的时间，以及病人的功能状态，也可能在观察到的变化中发挥一些作用。我们的研究结果揭示了GK放射外科的技术不确定性，我们相信对这一课题的进一步探索将有助于提高未来放射外科的安全性和有效性。