X刀系统扫描定标架的研制与应用
作者：陈超敏 周凌宏 霍伟文
单位：陈超敏 周凌宏 第一军医大学生物医学工程系 (广州 510515)；霍伟文 广东佛山分析仪器厂 (佛山 528000)
关键词：X刀；CT/MRI；DSA；扫描定标架
北京生物医学工程990207 摘 要 本文介绍了JX-100型X刀系统的CT/MRI的扫描定标架和DSA血管造影定标架的设计原理、结构特点及使用方法。这种X刀扫描定标架具有图像伪影小，刚度大、重量轻，使用方便的优点.临床应用表明定标架设计合理，定位准确，性能可靠。
Development of the Locating Carriage of JX-100X
Knife Scanning System
, 百拇医药
Chen Chaomin, Zhou Linghong
(The First Military Medical University, Guangzhou 510515)
Huo Weiwen
(The Manufactory of Analytical Instrument in Fushan, 528000)
Abstract
The principle and structure of the scanning and locating carriage CT/MRI of JX-100 X knife system and DSA blood vessel imaging system are introduced. Clinical application shows it has advantages of locating precisely, less false images, better rigidity, lighter weight, convenint operation, and reliable performance.
, 百拇医药
Key words:X-Knife; Scanning location system
X刀是指利用直线加速器的X射线进行立体定向放射外科手术治疗的系统。它通过直线加速器机架的旋转和治疗床角的变化，使受照射靶区始终受到高剂量的X射线而遭到摧毁，但靶区周围的正常组织却受到最小程度的损伤，从而达到治疗目的。X刀实现立体定向放射外科手术治疗的第一步就是必须准确获得靶点的三维坐标值，即通过在体外建立稳定的三维参考系统，在放射影像上测量体内靶点中心的三维坐标参数，并确定立体定向放射外科手术所要摧毁靶点的大小及和周围正常关键组织的空间位置关系。
1 基本原理
目前，常用的立体定位方法主要有三种[1]：(1)CT引导下的立体定向术；CT有其自身的坐标系，用于给出扫描层面的位置和任意扫描层面内任意一点的位置。前者用Z轴线位置表示，后者用X，Y轴线位置表示。这些均可由CT提供出病灶在图像上的三维坐标参数。CT引导下的立体定向术原理就是根据扫描定标架上某些参考标志在坐标系中有固定的位置，并能在CT图像中显示出来，由这些参考标志的影像从扫描层面图像中测出靶点的X，Y，Z三维坐标。概括地说是将CT坐标系转换定标架坐标系中，其中最通用的转换方法有V形定位板转换、X形定位板转换和N形定位板转换三种。(2)MRI引导下的立体定向术；由于磁性物质在强磁场作用下可产生涡流，使扫描层面影像出现伪影或畸变，因此不能直接用磁性物质作靶点的定位架，并且在CT定位时常采用作为参考标识物的铝合金在MRI中不成像，所以如何解决定位仪的防磁，制定参考标志是MRI定向术的关键。在解决定位仪防磁和参考标志的制备这两个问题后，MRI引导下的立体定向术与CT立体定向术几乎相同，只是由于MRI可作三面扫描(水平面、矢状面和冠状面)，为了使靶点定位更准确，可以在定位架顶部安装一具有标志物的有机玻璃板。(3)DSA血管造影引导下的立体定向术；这种血管造影定位架通常由含有一定数量的金属球状(如柱状、板状)结构组成，可直接安装在固定板上，也可安装在定位仪内。金属球不透过X光，因此可以在血管造影片上清楚成像。由于其在定位仪上的坐标是固定的，所以根据它们所在的位置可以推算出血管结构的位置坐标。
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2 组成结构
根据影像设备和方法的不同，我们研制的JX-100型X刀系统影像定标架有CT/MRI扫描定标架，DSA血管造影定标架两种[2]：
(1) CT/MRI扫描定标架：提供计算CT/MRI上各点空间坐标的基准坐标系。如图1所示，由上环、下环、6根垂直标识柱、3根斜标识柱和联接球组成。上环、下环采用优质铝合金材料，标识杆采用炭纤维杆，这两种材料均对CT及MRI图像影响很小，九根标识杆组成三个平面，每个平面由三根组成N字形构成。6根直柱用来确定各点的AP、LAT坐标。三根斜柱用来确定每层CT片和各点的VERT坐标。此架既可以作CT扫描定标架，又可为MRI核磁定标架，因为它采用空心碳纤维杆，内部充灌用于核磁显影的硫酸铜溶液。
图1 CT/MRI扫描定标架
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(2) DSA血管造影定标架：在病人血管造影图像中提供计算靶心位置所必需的标识点，从而得以进行精确的靶心定位。如图2所示由上、下环和四块带有精确标志点的有机玻璃板及联接球座组成，每块标记板上镶有四个标识点，它们由成像清晰的硬铅材料构成，为了便于识别影像片靶点的前后、左右方向，病人正前方及右面标识板上有一点(如正前方A点为3mm直径的铅柱，其它B、C、D三点为2mm直径的铅柱)。
图2 DSA血管造影定标架
3 使用方法
两定标架的安装方法一样，将下环底部凸缘与头环上的凸缘方向一致，然后将三个联接球座放入定位头环球窝内，拧动锁紧把手，将头环和定标架紧密联接，保证很高的重复安装定位精度。定位头环(3)如图3、图4所示。
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图3 单次照射定位头环
图4 分次照射定位头环
由于肿瘤或其他病变的不同放射物理效应和病变组织大小，X刀治疗通常选择单次照射治疗或分次照射治疗。因此定位头环就有单次和分次头环两种。单次照射头环采用四支不锈钢针将头环牢固地固定于患者的头颅上，提供可靠相对不变的坐标基准。在此头环上有三个球孔，用于外接各种影像定标架及校验头盔。该头环采用钛合金材料，刚度大而重量轻。与单次头环采用侵入式有损伤固定方式不同，分次照射头环采用牙模固定加头枕辅助的非侵入无损伤的固定方式。它采用左右两个铝合金半环结构，安装时将两半环通过拉杆拉开，套入患者头颅。先让患者咬紧右半环上预先咬制好的牙模，当患者感觉正常时，将左右两半环通过拉杆锁紧，依靠左半环上的头枕以及吊带紧紧地将头环与患者固定。 如图5所示将单次照射头环和CT扫描定标架联接进行CT扫描后得到的图像，该图像上有九个定标点，分别为CT扫描定标架的九根扫描圆柱的截面，右边较大的圆标明左右方向，在一直线上的三点表示一个平面，根据三点中间的点的位置的移动可算出靶心高度VERT的坐标，根据另外固定的两点可算出靶心平面LAT，AP的坐标，三组点的数据可修正整体的倾斜，便于更准确获得靶点的三维坐标值。
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图5 单次照射头环和CT扫描定标架
联接后扫描图像
4 结 论
经北京解放军总医院、广州南方医院、武汉总医院、泰安中心医院、南宁303医院和厦门174医院共六个单位的临床使用表明，JX-100型X刀系统的扫描定标架具有以下特点：
(1) 采用碳纤维空心管内灌硫酸铜制造的图像定标架，既可做CT扫描定位又可做MRI扫描定位。且具有图像伪影小、刚度大、重量轻，使用方便的优点；但也存在不足，即由于病人头颅往往高出定标架顶部，致使不能在定标架顶部安装标志板。故该种定标架对MRI扫描只能和CT扫描一样作水平扫描。由于适应作X刀治疗的肿瘤或血管畸形用常规CT已能清楚识别，故临床上MRI扫描应用较少。
(2) 用有机玻璃板制成的DSA血管造影定标架，成像清晰，靶点计算方便准确。
, http://www.100md.com
本课题X刀系统的研制为国家“八五”重点攻关项目。
作者简介：陈超敏：第一军医大学生物医学工程系讲师。
参考文献
1 陈炳桓.立体定向放射神经外科学.北京人民出版社，1994，47—56
2 陈超敏，陈运钦，周凌宏.一种新型X刀仿真校验系统.生物医学工程学杂志，1998，15(2)：189
3 陈超敏，周凌宏，于晓宝.X刀分次照射头环的研制.功能性与立体定向神经外科学杂志，1997，10(3)：53
(1998-07-24收稿，1998-09-21修回), 百拇医药
单位：陈超敏 周凌宏 第一军医大学生物医学工程系 (广州 510515)；霍伟文 广东佛山分析仪器厂 (佛山 528000)
关键词：X刀；CT/MRI；DSA；扫描定标架
北京生物医学工程990207 摘 要 本文介绍了JX-100型X刀系统的CT/MRI的扫描定标架和DSA血管造影定标架的设计原理、结构特点及使用方法。这种X刀扫描定标架具有图像伪影小，刚度大、重量轻，使用方便的优点.临床应用表明定标架设计合理，定位准确，性能可靠。
Development of the Locating Carriage of JX-100X
Knife Scanning System
, 百拇医药
Chen Chaomin, Zhou Linghong
(The First Military Medical University, Guangzhou 510515)
Huo Weiwen
(The Manufactory of Analytical Instrument in Fushan, 528000)
Abstract
The principle and structure of the scanning and locating carriage CT/MRI of JX-100 X knife system and DSA blood vessel imaging system are introduced. Clinical application shows it has advantages of locating precisely, less false images, better rigidity, lighter weight, convenint operation, and reliable performance.
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Key words:X-Knife; Scanning location system
X刀是指利用直线加速器的X射线进行立体定向放射外科手术治疗的系统。它通过直线加速器机架的旋转和治疗床角的变化，使受照射靶区始终受到高剂量的X射线而遭到摧毁，但靶区周围的正常组织却受到最小程度的损伤，从而达到治疗目的。X刀实现立体定向放射外科手术治疗的第一步就是必须准确获得靶点的三维坐标值，即通过在体外建立稳定的三维参考系统，在放射影像上测量体内靶点中心的三维坐标参数，并确定立体定向放射外科手术所要摧毁靶点的大小及和周围正常关键组织的空间位置关系。
1 基本原理
目前，常用的立体定位方法主要有三种[1]：(1)CT引导下的立体定向术；CT有其自身的坐标系，用于给出扫描层面的位置和任意扫描层面内任意一点的位置。前者用Z轴线位置表示，后者用X，Y轴线位置表示。这些均可由CT提供出病灶在图像上的三维坐标参数。CT引导下的立体定向术原理就是根据扫描定标架上某些参考标志在坐标系中有固定的位置，并能在CT图像中显示出来，由这些参考标志的影像从扫描层面图像中测出靶点的X，Y，Z三维坐标。概括地说是将CT坐标系转换定标架坐标系中，其中最通用的转换方法有V形定位板转换、X形定位板转换和N形定位板转换三种。(2)MRI引导下的立体定向术；由于磁性物质在强磁场作用下可产生涡流，使扫描层面影像出现伪影或畸变，因此不能直接用磁性物质作靶点的定位架，并且在CT定位时常采用作为参考标识物的铝合金在MRI中不成像，所以如何解决定位仪的防磁，制定参考标志是MRI定向术的关键。在解决定位仪防磁和参考标志的制备这两个问题后，MRI引导下的立体定向术与CT立体定向术几乎相同，只是由于MRI可作三面扫描(水平面、矢状面和冠状面)，为了使靶点定位更准确，可以在定位架顶部安装一具有标志物的有机玻璃板。(3)DSA血管造影引导下的立体定向术；这种血管造影定位架通常由含有一定数量的金属球状(如柱状、板状)结构组成，可直接安装在固定板上，也可安装在定位仪内。金属球不透过X光，因此可以在血管造影片上清楚成像。由于其在定位仪上的坐标是固定的，所以根据它们所在的位置可以推算出血管结构的位置坐标。
, 百拇医药
2 组成结构
根据影像设备和方法的不同，我们研制的JX-100型X刀系统影像定标架有CT/MRI扫描定标架，DSA血管造影定标架两种[2]：
(1) CT/MRI扫描定标架：提供计算CT/MRI上各点空间坐标的基准坐标系。如图1所示，由上环、下环、6根垂直标识柱、3根斜标识柱和联接球组成。上环、下环采用优质铝合金材料，标识杆采用炭纤维杆，这两种材料均对CT及MRI图像影响很小，九根标识杆组成三个平面，每个平面由三根组成N字形构成。6根直柱用来确定各点的AP、LAT坐标。三根斜柱用来确定每层CT片和各点的VERT坐标。此架既可以作CT扫描定标架，又可为MRI核磁定标架，因为它采用空心碳纤维杆，内部充灌用于核磁显影的硫酸铜溶液。
图1 CT/MRI扫描定标架
, 百拇医药
(2) DSA血管造影定标架：在病人血管造影图像中提供计算靶心位置所必需的标识点，从而得以进行精确的靶心定位。如图2所示由上、下环和四块带有精确标志点的有机玻璃板及联接球座组成，每块标记板上镶有四个标识点，它们由成像清晰的硬铅材料构成，为了便于识别影像片靶点的前后、左右方向，病人正前方及右面标识板上有一点(如正前方A点为3mm直径的铅柱，其它B、C、D三点为2mm直径的铅柱)。
图2 DSA血管造影定标架3 使用方法
两定标架的安装方法一样，将下环底部凸缘与头环上的凸缘方向一致，然后将三个联接球座放入定位头环球窝内，拧动锁紧把手，将头环和定标架紧密联接，保证很高的重复安装定位精度。定位头环(3)如图3、图4所示。
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图3 单次照射定位头环
图4 分次照射定位头环
由于肿瘤或其他病变的不同放射物理效应和病变组织大小，X刀治疗通常选择单次照射治疗或分次照射治疗。因此定位头环就有单次和分次头环两种。单次照射头环采用四支不锈钢针将头环牢固地固定于患者的头颅上，提供可靠相对不变的坐标基准。在此头环上有三个球孔，用于外接各种影像定标架及校验头盔。该头环采用钛合金材料，刚度大而重量轻。与单次头环采用侵入式有损伤固定方式不同，分次照射头环采用牙模固定加头枕辅助的非侵入无损伤的固定方式。它采用左右两个铝合金半环结构，安装时将两半环通过拉杆拉开，套入患者头颅。先让患者咬紧右半环上预先咬制好的牙模，当患者感觉正常时，将左右两半环通过拉杆锁紧，依靠左半环上的头枕以及吊带紧紧地将头环与患者固定。 如图5所示将单次照射头环和CT扫描定标架联接进行CT扫描后得到的图像，该图像上有九个定标点，分别为CT扫描定标架的九根扫描圆柱的截面，右边较大的圆标明左右方向，在一直线上的三点表示一个平面，根据三点中间的点的位置的移动可算出靶心高度VERT的坐标，根据另外固定的两点可算出靶心平面LAT，AP的坐标，三组点的数据可修正整体的倾斜，便于更准确获得靶点的三维坐标值。
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图5 单次照射头环和CT扫描定标架
联接后扫描图像
4 结 论
经北京解放军总医院、广州南方医院、武汉总医院、泰安中心医院、南宁303医院和厦门174医院共六个单位的临床使用表明，JX-100型X刀系统的扫描定标架具有以下特点：
(1) 采用碳纤维空心管内灌硫酸铜制造的图像定标架，既可做CT扫描定位又可做MRI扫描定位。且具有图像伪影小、刚度大、重量轻，使用方便的优点；但也存在不足，即由于病人头颅往往高出定标架顶部，致使不能在定标架顶部安装标志板。故该种定标架对MRI扫描只能和CT扫描一样作水平扫描。由于适应作X刀治疗的肿瘤或血管畸形用常规CT已能清楚识别，故临床上MRI扫描应用较少。
(2) 用有机玻璃板制成的DSA血管造影定标架，成像清晰，靶点计算方便准确。
, http://www.100md.com
本课题X刀系统的研制为国家“八五”重点攻关项目。
作者简介：陈超敏：第一军医大学生物医学工程系讲师。
参考文献
1 陈炳桓.立体定向放射神经外科学.北京人民出版社，1994，47—56
2 陈超敏，陈运钦，周凌宏.一种新型X刀仿真校验系统.生物医学工程学杂志，1998，15(2)：189
3 陈超敏，周凌宏，于晓宝.X刀分次照射头环的研制.功能性与立体定向神经外科学杂志，1997，10(3)：53
(1998-07-24收稿，1998-09-21修回), 百拇医药