《MEDICAL PHYSICS》：Real-time intrafraction 3D spine tracking using gantry-mounted kV imaging for single fraction high dose functional radiosurgery
编辑推荐：
背景：采用单次立体定向放射外科（SRS）以70–90 Gy剂量、通过短部分弧（30–60度）进行脊神经根消融，是治疗慢性胸腹壁疼痛的新兴方法。靶区邻近脊髓且单次剂量高，要求分次内运动监测达到亚毫米精度。治疗前锥形束CT（CBCT）和间歇式房间安装触发kV成像无
背景：采用单次立体定向放射外科（SRS）以70–90 Gy剂量、通过短部分弧（30–60度）进行脊神经根消融，是治疗慢性胸腹壁疼痛的新兴方法。靶区邻近脊髓且单次剂量高，要求分次内运动监测达到亚毫米精度。治疗前锥形束CT（CBCT）和间歇式房间安装触发kV成像无法在出束期间提供连续的内部解剖验证。机架安装式实时追踪解决方案主要在剂量显著较低的全弧立体定向体部放射治疗（SBRT）中得到验证。
目的：研究人员报告了一种基于连续采集荧光透视图像模板匹配的机架安装式实时三维kV脊柱追踪系统的综合评估。在短弧、高剂量功能性SRS的严苛条件下评估追踪性能，并展示其在慢性胸腹壁疼痛脊神经根消融中的首次临床应用。
方法：研究人员首先使用置于可编程运动平台上的拟人脊柱模体进行临床前评估。在-4至4 mm的增量模体偏移和不同弧长下评估追踪性能。将检测到的位移与已知偏移以及CBCT和房间安装触发kV成像系统的估计位移进行比较。此外，在12例脊柱SBRT患者中，使用常规护理中获取的CBCT投影对追踪准确性进行临床验证。将检测到的位移与CBCT衍生位移进行基准比较，并在缩短弧长下进行离线再分析。最后，在IRB批准的方案下，实时追踪系统作为次要监测器部署于两名接受70 Gy无框架单次SRS至脊神经背根的患者（三个病灶部位）。研究人员评估了整体追踪性能，并将检测到的椎体位置位移与CBCT和房间安装触发kV系统检测到的位移进行比较。
结果：模体研究显示，在高达4 mm的偏移下，检测到的脊柱位置平均准确度为0.2±0.1 mm（最大：0.6 mm）。未观察到弧长的显著影响，与CBCT和房间安装触发kV系统的一致性在0.2 mm以内。使用CBCT数据的临床验证显示所有方向平均一致性在0.4 mm以内，最大偏差为0.8 mm。在临床神经根消融治疗期间，椎体在整个治疗过程中被成功追踪。实时追踪系统在3个部位中的2个检测到超过1 mm的分次内运动，促使进行校正性CBCT和床位移。与房间安装触发kV系统相比，检测到的椎体位置差异的中位数（四分位距）在垂直、侧向和纵向上分别为-0.2（0.6）mm、0.1（0.4）mm和-0.1（0.4）mm。
结论：研究人员的初步研究证明了在神经根消融治疗期间使用实时三维kV追踪系统进行椎体追踪的可行性。实时监测检测到可操作的分次内运动，在3个部位中的2个促使床校正，而房间安装触发成像在后续弧之前无法识别这些运动。该能力可能对短弧、高剂量治疗尤其有价值，因为此类治疗中分次内验证窗口狭窄，且未检测到运动的后果严重。
**论文解读：实时三维kV脊柱追踪系统在单次高剂量功能性放射外科中的应用**
**1. 研究背景与问题**
功能性放射外科是一种微创、高精度的治疗方式，通过聚焦干预关键神经解剖靶点来管理难治性神经病理性疼痛。历史上，立体定向放射外科（SRS）主要限于颅内靶点（如脑转移瘤和三叉神经）。随着图像引导和直线加速器技术的发展，其应用已扩展到颅外靶点，包括腹腔神经丛。脊柱旁肿瘤的立体定向体部放射治疗（SBRT）通常采用20–40 Gy、1–5次分割的剂量，而功能性SRS需要显著更高的消融剂量，通常为单次70–90 Gy。脊神经消融的临床成功依赖于亚毫米精度和陡峭的剂量跌落，以限制脊髓这一关键危及器官的受照剂量。单次分割的高剂量以及病灶与脊髓的邻近关系，对定位误差和分次内运动几乎没有容忍度。研究表明，2 mm的位置偏差可导致脊髓最大剂量增加25%，有诱发放射性脊髓病的风险；Ong等人报道，10–30秒内2 mm的分次内位移可使脊髓最大剂量增加6.5%–13%。因此，稳健的运动管理至关重要，尤其是治疗时间延长会增加分次内运动的发生概率。当前临床实践主要依靠千伏级成像和锥形束CT（CBCT）在治疗前验证椎体对位。虽然CBCT也可在射野之间获取以评估位置变化，但它无法在治疗出束期间提供连续的解剖运动监测。光学表面成像和房间安装触发kV成像等策略存在局限性：表面成像缺乏对内部解剖的直接可视化，房间安装触发kV成像仅捕获间歇快照而非实时追踪靶区。RapidTrack是一种基于连续采集的荧光透视kV图像模板匹配的实时三维位置验证软件，旨在克服这些挑战。该软件在脊柱和肺SBRT中已显示出可行性，但功能性SRS的消融剂量是脊柱SBRT单次剂量的4–10倍，且通常采用较短弧长（30–60度），RapidTrack在此类更严苛条件下的性能尚属未知。
**2. 研究目的与方法概述**
本研究旨在全面评估RapidTrack在短弧、高剂量功能性SRS中的追踪性能，并报告其首次临床应用于脊神经根消融治疗慢性胸腹壁疼痛的情况。研究人员首先使用置于可编程Quasar运动平台上的CIRS脊柱模体进行临床前评估，在-4至4 mm的偏移和30至180度不同弧长下测试追踪准确性，并与CBCT和ExacTrac Dynamic系统（Brainlab AG）进行比较。其次，利用12例脊柱SBRT患者的CBCT投影数据进行临床前验证，将RapidTrack检测的位移与CBCT衍生位移进行比较，并离线分析不同弧长的影响。最后，在IRB批准的方案下，将RapidTrack作为独立研究性监测系统部署于两名接受70 Gy单次SRS至脊神经背根神经节的患者（T7和T9/T10），与用于临床决策的ExacTrac系统进行回顾性比较。
**3. 主要技术方法**
研究使用了以下关键技术方法：（1）模板匹配算法：在治疗前从计划CT为每个机架角度生成目标椎体的数字重建放射影像模板，治疗中连续采集的kV荧光透视图像（7帧/秒）经带通滤波后与最接近角度的模板进行归一化互相关配准，匹配分数高于0.15视为有效；（2）三维三角定位：从一系列二维位置信息通过三角测量计算三维位移，初始10–15度机架旋转仅能提供二维定位；（3）模体运动平台：使用CIRS E2E脊柱模体置于可编程Quasar运动平台，模拟三维平移；（4）临床CBCT投影验证：利用常规脊柱SBRT患者治疗前CBCT采集的投影图像进行离线追踪分析；（5）临床部署：在神经根消融治疗中将RapidTrack作为次要监测器，与ExacTrac房间安装触发kV成像系统同步监测。
**4. 研究结果**
**4.1 模体评估结果**
在CIRS脊柱模体实验中，RapidTrack相对于已知模体位置的平均偏移在0.2 mm以内，侧向、纵向和垂直方向的最大偏差分别为0.3 mm、0.6 mm和0.5 mm。RapidTrack与CBCT衍生位移的平均差值为：侧向0.1±0.1 mm，纵向0.2±0.2 mm，垂直方向0.1±0.2 mm。ExacTrac的追踪准确度略优，所有方向与编程模体位置的平均差值为0.1±0.1 mm。三种技术与施加位移的一致性均极佳，所有轴的CCC值超过0.988。ExacTrac的总体一致性最高（CCC=0.998，95%CI:0.996–0.999），其次是CBCT（CCC=0.994）和RapidTrack（CCC=0.992）。Bland-Altman分析显示，RapidTrack在头尾方向存在轻微低估（偏倚?0.34 mm）。弧长从180度缩短至30度时，RapidTrack的准确性没有显著变化。
**4.2 临床前患者数据验证**
利用12例脊柱SBRT患者的CBCT投影数据进行离线追踪，RapidTrack成功追踪了CBCT采集期间的椎体位置（平均匹配分数0.46）。相对于CBCT衍生位移，纵向、垂直和侧向的平均差值为?0.1±0.3 mm、0.2±0.3 mm和0.3±0.4 mm，侧向最大偏差为0.7 mm。弧长影响分析显示，纵向和垂直方向的准确性不随弧长显著变化，但侧向位移在弧长增加至约40度时准确性明显提高，之后保持稳定。这种侧向准确性的劣化可归因于初始kV图像为侧向投影时，侧向位移沿射束轴方向投影，在二维图像中不可见，且侧向投影穿越患者最厚截面导致图像质量下降。
**4.3 临床神经根消融治疗监测**
在两名接受70 Gy单次SRS的患者（三个病灶部位）中，RapidTrack在整个治疗过程中成功追踪椎体。实时系统在3个部位中的2个检测到超过1 mm的分次内运动，促使进行校正性CBCT和床位移（例如T7治疗中检测到侧向和纵向运动后，进行了侧向?1.6 mm、纵向+1.5 mm的床校正）。RapidTrack与ExacTrac的位移比较显示，每个弧的平均差异在1 mm以内，三个方向的平均（±标准差）差值分别为：垂直?0.2±0.5 mm，侧向0.1±0.4 mm，纵向?0.1±0.4 mm。ExacTrac仅在后续弧的预定触发点才能发现运动，而RapidTrack的连续监测能更早识别可操作的运动。
**5. 讨论与结论**
讨论部分指出，RapidTrack在模体和临床场景中均表现出亚毫米精度（模体最大0.4 mm，临床最大0.8 mm），与既有商用技术（ExacTrac、CBCT）的一致性在临床可接受范围内（<1 mm）。其独特优势在于无需额外硬件，利用现有机架成像系统，在出束期间以更高频率提供连续追踪。对于高剂量率（2400 MU/min）的治疗，实时成像对降低危及器官毒性至关重要。研究局限性包括：主要集中于胸椎解剖，腰椎区域因体厚和骨密度可能导致图像质量下降；固定床板位置的限制（床转角时可能存在碰撞问题）；存在成像延迟（采样延迟140 ms、图像传输约60 ms、三角定位44–240 ms），但临床工作流中总干预时间仍由物理师审核步骤主导；额外成像剂量（本方案中心剂量约2.9 mGy，周边6.8 mGy，相当于单次盆腔CBCT）。未来改进方向包括深度学习靶区分解提高图像质量差时的追踪性能，以及利用既往弧信息加速三维定位。结论：RapidTrack在与已知模体偏移和12例脊柱SBRT患者CBCT衍生位移的比较中达到亚毫米一致性。在两名患者的高剂量脊神经消融治疗中，RapidTrack持续追踪椎体，与现有商用分次内运动监测系统高度一致。初步结果表明，该方法通过在治疗出束期间提供连续、实时的内部解剖信息，具有提高治疗准确性的潜力。
