“外科医生的手术器械必须符合其任务的需要，就人脑而言，再精细都不为过。”
“The tools used by the surgeons must be adapted to the task and where the human brain is concerned they cannot be too refined”
–Lars Leksell
一、SRS概述
立体定向放射外科治疗（Stereotactic Radiosurgery,SRS）是指采用立体定位框架或图像引导系统摆位，对小靶区实施单次大剂量或少分次（通常不超过5次）大分割剂量的精确放射治疗。它的目标是在无需开颅的情况下，达到与外科手术类似的效果，因此立体定向放射治疗具有单次照射剂量大、分割次数少、高精度、边缘剂量下降快的特点【1】。
体部立体定向放射治疗（SBRT stereotactic body radiotherapy）：特指针对体部（颅外靶区）实施的立体定向放射治疗，又称立体定向消融放射治疗（stereotactic ablative radiotherapy, SABR）。
自SRS治疗出现以来，已经过去了半个多世纪。在此期间，随着计算机技术、图像处理技术、放射物理技术的快速发展，SRS除了最早应用的伽玛射线立体定向放疗系统（俗称“伽玛刀”），又产生了诸如X射线立体定向放疗系统（俗称“X刀”，包括射波刀CyberKnife、直线加速器立体定向放疗、ZAP-X等）、以及X/γ射线一体化放射治疗系统（俗称“太极刀”）等平台。在设备与技术的不断发展下，立体定向放射外科逐步发展成为治疗颅内肿瘤、血管和神经病变的重要手段。
二、图像引导技术在SRS中应用的必要性
1、靶区精确定位的要求：相对于常规放疗，SRS不论是单次大剂量的治疗，还是低分次大剂量的照射，为了避免靶区剂量不足或危机器官（OAR）剂量过量的风险，患者对精度的要求更高，放疗团队往往会采用固定的方式保证治疗的重复性。在过往的众多文献中已经证实，头颈部放疗中良好的固定方法可以将这种误差控制在1mm以内，但通常采用有创头架固定才能保证位置精度，如果病人需要分次治疗，就无法实现。图像引导技术可解决这一问题，治疗时使用无创面膜对患者进行固定复位，将治疗机上的成像与定位MR或CT片进行比较，在图像引导下实现摆位验证，同样可保证治疗精度在0.5mm之内，因此图像引导最大限度的实现了分次定位与摆位的一致性，是分次治疗的基础和前提。
2.适应性治疗的要求：基于成像技术可进行个性化和适应性的治疗计划调整，例如，在治疗过程中发现肿瘤大小、形状或者周围正常组织的情况与初始计划有所偏差时，放疗团队可根据新的影像资料技师优化治疗方案。
3.解剖位置变化的要求：对于胸腹部病变使用SBRT治疗，可通过4D-CBCT扫描捕获与呼吸相关的肿瘤运动完整周期，这些高质量的图像引导与追踪技术考虑到了患者摆位和运动的不确性定，使SRS/SBRT治疗中计划靶区体积（PTV）边界外扩尽可能较小。
4.临床团队增强治疗信心的需要：对于患者和临床团队来说，在SRS治疗中图像引导技术提供的实时反馈信息有助于医生做出更加可靠且有数据支持的治疗决策，从而增加整个医疗团队和患者对SRS治疗过程的信任度和信心。
三、各类SRS设备中图像引导技术的应用
#01
伽玛刀（Gamma knife）
伽玛刀在相当长的一段时间内，被誉为立体定向放射外科的“金标准”，以大剂量、高精度的适形填充照射著称，其治疗效果也得到了临床的一致认可，尤其是在神经外科领域。影像引导技术方面，Leksell 伽玛刀刀采用CBCT三维成像技术，奥沃伽玛刀采用X射线立体平面成像技术，关于临床选择，AAPM第180号报告指出：在kV级正交图像和CBCT之间，如果kV正交图像满足临床需求，则应选择kV图像；以kV正交图像代替CBCT，患者辐射剂量减少约10倍。
#1.1 Leksell伽玛刀
医科达公司的Leksell伽玛刀能进行高精度静态聚焦照射，是SRS的重要治疗方式。最新一代的Leksell Icon型伽玛刀整合了锥形束CT（Cone beam CT，CBCT），采用非晶硅探测器面板，C型臂旋转一周约200°，增加了伽玛刀治疗的灵活性【2】。
CBCT可以对佩戴框架的患者在治疗前验证位置信息，也可以在预计划的基础上扫描CBCT定义立体坐标；对采用热塑面罩固定的患者，先行CBCT定义立体定向坐标，然后在治疗分次间和分次内可以通过CBCT确认患者摆位。Chung【3】等研究Leksell伽玛刀CBCT配准精度，发现CBCT图像之间配准产生的平均三维偏差为（0.2±0.1）mm；CT图像与CBCT图像配准产生的平均三维偏差为（0.5±0.2）mm；当MR图像与CBCT图像配准覆盖颅底区域时，两者配准产生的偏差最小，平均三维偏差为（0.8±0.3）mm。
对于使用面罩固定行伽玛刀治疗的患者，为了使监测治疗期间的患者位移，Leksell Icon型伽玛刀使用高清运动管理系统（High Definition Motion Management，HDMM）该系统由红外摄像机、面罩适配器上固定的4个参考标记、1个患者鼻尖标记和集成到控制系统中的软件组成。在治疗期间红外摄像机以 20 Hz的频率跟踪患者鼻尖标记相对于固定参考标记的位置，如果超过设定的阈值，则放射源回到阻挡位置并提醒操作者。当标记返回到设置的位置时，治疗重新开始。
#1.2 奥沃伽玛刀
国内的伽玛刀制造商以奥沃（大医集团旗下子公司）为代表，与ICON静态聚焦不同的是，奥沃伽玛刀采用等轴旋转聚焦方式，影像引导方式也有所不同，在头部伽玛刀中采用了双kv正交成像的影像引导方式。
奥沃影像引导头部伽玛刀SupeRay使用自研的一体化双KV级平板正交成像系统，非晶硅平板探测器集成在设备机身上，通过KV级X射线交角透视成像，成像系统通过2D-3D配准，进行三维空间上摆位误差的识别与校正，成像剂量（CTDI）约为0.6mGy，远低于CBCT单次成像剂量（CTDI）的2.5~6.3mGy。KV级X线平面成像系统除获取单幅平面图像外，还可以连续获取平面图像，形成动态的透视影像，分析分次内误差。康静波教授等研究奥沃伽玛刀的综合定位精度，结果显示定位参考点偏差Δ=0.433 mm,三维图像重建位置误差小于0.8mm。郭静钰教授等人开展两种基于KV级X射线2D-3D图像配准立体定位引导技术的研究，临床比对结果一致性好，两个系统平移方向配准结果的差值为亚毫米级，角度误差＜1。
据了解，SupeRay还可以选配体表光学监测系统，通过高精度的3D红外摄像机，精细捕捉患者的运动信息，在治疗中可进行实时体表位移监测，以此为依据判断是否需要暂停治疗重新摆位验证。
#02
射波刀（Cyberknife）
射波刀是安科瑞公司的立体定向放射治疗系统，将紧凑型的6MV直线加速器安装在机械臂上，其机械臂有6个自由度，能将直线加速器精确送达预定位置，射束从患者体外半球型空间内限定的多个节点位置照射肿瘤，并且通过图像引导实时调整机械臂而改变射束位置，实现射束追踪靶区的移动，以确保治疗的准确性和精确性。射波刀成像子系统由两个安装在天花板上的相互垂直的X射线源和2个安装在地板的非晶硅探测器组成。
从第4代射波刀开始，探测器位于地板内，每个X射线与水平面呈45°角，每次拍摄获取一组正交成像。目前的M6型射波刀（图2）的成像X射线管电压范围为40~150 kV，在中心投照尺寸约为 19 cm×19 cm，探测器的总灵敏面积为（43×43）cm2。成像子系统在治疗前和治疗中获取的患者实时影像与基于CT的数字重建影像（Digitally Reconstructed Radiograph, DRR）进行配准，在颅内SRS配准采用6D颅骨追踪系统实现治疗前的影像引导摆位和治疗中的位置偏差修正。Kataria【4】等利用射波刀6D颅骨追踪技术分析患者头部SRS分次内误差，得出大多数分次内位移≤1 mm 和 1°以内。
#03
Zap-X
Zap-X是一种新型的包含自屏蔽的专用SRS系统，通过S波段3 MV直线加速器产生X射线，而直线加速器安装在一个带有辐射屏蔽的万向支架内，类似于一个大型陀螺仪，围绕着一个等中心点精确地旋转，这种机械构造使射束能从大约2π立体角交叉照射，这是颅内SRS的理想要求。
Zap-X通过集成的单个KV屏幕成像系统可以围绕患者旋转成像，在SRS前拍摄两个角度的KV图像确定治疗中心点的实际位置，系统根据KV图像和TPS重建的DRR进行配准，并自动纠正摆位直至偏差＜1mm，然后将轴向轴线旋转360°，每36°拍摄一张新的KV图像，并与DRR图像对比，以实现轴向对齐。在下一个等中心点治疗时，将再次自动确认治疗中心，分次治疗期间，系统会按设定时间定期更新KV图像，并与同一角度的DRR进行比较，实时验证患者的位置信息。
Srivastava等分析了2年内Zap-X系统的稳定性，在机械和辐射等中心一致性测试中，利用kV成像定位头模，得出总的平均定位误差为（0.46±0.17）mm；在端对端等中心测试中，利用kV成像定位，头模中胶片测量得出总的平均定位误差为（0.52±0.28）mm。
#04
医用直线加速器
《NCC/T-RT 003-2021 基于电子直线加速器的肿瘤立体定向放射治疗物理实践指南》对开展立体定向放射治疗的加速器提出了要求，具体如下：除满足常规放射治疗的基本性能要求以外，最低还应达到如下要求：相当的机械精度（亚毫米），以满足靶区位置精度需要；高分辨率MLC（叶片宽度≤5 mm）和/或锥形限束装置，以满足小靶区适形度需要；影像定位系统，以满足体部立体定向放疗对靶区、危及器官定位和运动管理的需要。因此，具备影像定位系统，成为直线极速器能否开展SRS的条件之一。
#4.1 Elekta Infinity
Elekta Infinity直线加速器结合了HRDS（高精动态放射外科）技术和三维CBCT影像引导放射治疗技术（XVI），着眼于立体定向放射手术和立体定向放射治疗，是直线加速器中SRS/SRT的典型设备。
Infinity加速器图像引导使用是机器整合的CBCT，其X射线源和平板探测器都安装在机架上，当机架围绕患者旋转时采集一些列2D图像并进行数据重建为3D图像。通常在治疗前采集CBCT图像并和计划CT之间进行图像配准，纠正患者摆位误差。Zhang等在医科达直线加速器上利用胶片测试和评估 SRS计划在CBCT图像引导下，模体定位的准确性，结果表明端到端模体测试的定位精度在每个方向上均在1 mm以内。目前直线加速器中CBCT使用最多的还有瓦里安的产品， Calvo-Ortega等利用体模端到端测试瓦里安直线加速器CBCT引导的SRS空间准确性，结果测试的总体系统准确度平均值为1.4mm，对应的95%置信区间为1.8 mm；准确度的系统和随机空间分量分别为0.2 mm和0.8 mm。
图四 医科达4D-CBCT
#4.2 Vrian Edge
Edge是瓦里安于2013年推出的一款电子直线加速器，中文名叫做“速锋刀”，与瓦里安的其他机型相比，主要的优势是用于开展立体定向放疗（SRS/SBRT），也就是常说的X刀。 影像引导系统方面配了Portal Vision（瓦里安的EPID）和OBI（用于拍摄KV-KV以及CBCT扫描），除此之外，还配备OSMS（光学体表监测系统）以及Calypso（电磁追踪系统），目标都是为了保证照射位置的精准。
瓦里安的Calypso放射外科导航系统将3只特异性个体识别的GPS电磁信标直接植入PTV或和PTV有同步运动关系的组织内，通过电磁技术实时追踪信标位置，进而在治疗过程中连续监测肿瘤运动，当运动幅度超出预先设定的误差限值时可以自动切断束流， 保障治疗安全。优势在于可以用在一些CBCT无法区分的低密度组织内可以帮助准确定位（前列腺等），据华西放射物理技术中心介绍，其等中心综合机械精度控制在0.5毫米以内，甚至可以将前列腺癌患者的放射治疗次数从常规的38-41次减少为5次左右。不过在具体的临床应用上当然也有不足：例如事先需要把信标置于指定位置，这一步为有创伤操作，且需要得到其他科室的协助。再例如受感应深度和阵列与机架的位置限制，Calypso在应用时有对患者最大体厚的限制。
图五 Calypso电磁追踪系统
#05
X/γ射线放射治疗系统（TAICHI）
X/γ射线放射治疗系统（TAICHI）是由西安大医集团股份有限公司推出的一款放疗新品类，在NMPA上目前可查到两个型号：TaiChi A和TaiChi Pro，TaiChi A是一台环形滑环机架直线加速器，TaiChi Pro在TaiChiA的板块基础上加入了伽玛刀立体定向放射单元，因此可以轻松实现SRS亚毫米级的放射精度。
影像引导系统方面来说，TaiChi Pro集成了KV级X线影像系统，将X线球管和平板探测器等部件安装到了环形机架上，可以进行CBCT扫描和KV级X线实时影像引导两种定位模式，在治疗前进行锥形束CT（CBCT）影像引导验证摆位，治疗中进行同轴共面的实时kV级X线影像引导。
据北京协和医院放疗科团队对国产TaiChi加速器机载千伏级（KV）影像系统进行研究，并与美国瓦里安OBI影像系统进行对比，通过使用TOR 18 FG模体、Catphan604模体、CT剂量指数(CTDI)模体及影像多功能模体，对TaiChi加速器KV影像系统图像质量的密度分辨率、空间分辨率、空间线性、图像均匀性、空间层厚重建精度、CT准确度以及影像配准精度和图像剂量与美国瓦里安OBI影像系统进行比较研究，TaiChi加速器千伏级X射线二维平片(kV-kV)空间分辨率与瓦里安OBI影像系统影像质量相近，密度分辨率优于OBI影像系统；空间线性和空间分辨率已与瓦里安OBI影像系统无明显差异，图像空间层厚重建精度结果优于瓦里安OBI影像图像质量， KV-CBCT和KV-KV配准偏差均<0.5mm；TaiChi加速器不同模式下KV-CBCT和KV-KV最大扫描剂量分别为7.058 mGy和0.042 mGy，皆小于已报道的瓦里安和医科达相对应影像剂量。
结论表明：TaiChi加速器 KV影像系统在更低的扫描剂量情况下，其图像质量、配准精度等性能参数达到市场主流设备水平。这一结果显示国产放疗设备经过多年的创新发展，在很多方面已经能够追赶甚至超越进口产品了。
图六 X/γ射线放射治疗系统
CONCLUSION
立体定向放射治疗是一种特殊的高度适形的放射治疗技术，高剂量的放射治疗是通过多数准直的射线束聚焦于颅内（SRS）或颅外（SBRT）小的靶区实现的，随着科学技术的不断进步，高分辨率成像技术已成为现代放射治疗的核心技术，IGRT不再局限于使用单一的某种技术，单一的技术往往有自身的缺陷。
CBCT和双kv正交成像两种图像引导方式在加速器、伽玛刀、质子重离子、射波刀等各类设备上均有成熟应用，均可满足临床需求，相比之下CBCT可以实现容积重建，但剂量较高，成像速度较慢，分次内不能实时监测；而kv-kv正交成像是一种2.5D成像，速度快剂量低，但无法容积成像，两者结合是一种很好的补充，多模态影像引导也是未来立体定向放射外科治疗图像引导技术应用的趋势之一。
未来SRS的发展方向可能会融入MRI、PET或者DSA等进行治疗前或实时的位置验证，而且根据患者的不同情况，选取几种成像方式组合进行成像，将为个体化的SRS提供更精准的数据信息。
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【参考文献】
[1]蔡俊涛.立体定向放射外科中图像引导技术的研究现状[J].中国医学物理学杂志,2023,40(7):822-826.DOI:10.3969/j.issn.1005-202X.2023.07.005.
[2]国家癌症中心/国家肿瘤质控中心.基于电子直线加速器的肿瘤立体定向放射治疗物理实践指南[J].中华放射肿瘤学杂志,2022,31(6):493-512.DOI:10.3760/cma.j.cn113030-20220107-00010.
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[4]Wang H, Xu Z, Grantham K, et al. Performance assessment of two motion management systems for frameless stereotactic radiosurgery ［J］. Strahlenther Onkol, 2021, 197(2): 150-157.
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来源：精放观察者
