基于CT-ON-RAIL系統(tǒng)開展的圖像引導(dǎo)自適應(yīng)放療研究進(jìn)展

夏邦傳，徐子海，廖福錫，

莫莉，趙書學(xué)，廖祖俊，周惠南

解放軍第三零三醫(yī)院 放療科，廣西 南寧 530021

自適應(yīng)放療（Adaptive Radiotherapy，ART）是圖像引導(dǎo)放射治療（Image-Guided Radiotherapy，IGRT）提高和發(fā)展延伸后的一種新型放療技術(shù)。其治療實(shí)施可通過引導(dǎo)圖像（CT、電子射野影像裝置等）評(píng)判患者解剖和生理變化，根據(jù)患者解剖和（或）生理的變化對(duì)照射方式進(jìn)行修正，也可根據(jù)治療過程中的反饋信息（如腫瘤的大小、形態(tài)及位置變化），分析分次治療與原計(jì)劃設(shè)計(jì)之間的差異，對(duì)治療方案做相應(yīng)的調(diào)整，從而指導(dǎo)后續(xù)分次治療計(jì)劃的重新設(shè)計(jì)[1]。這是一種理想的個(gè)體化動(dòng)態(tài)治療計(jì)劃，是給予特定患者實(shí)施特定放療的臨床行為。其目的是提高腫瘤放療的精準(zhǔn)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤靶區(qū)高劑量照射的同時(shí)，不擴(kuò)大照射野，最大限度地減少周圍正常組織受到高劑量照射的可能性，進(jìn)而降低并發(fā)癥的發(fā)生概率。

1 ART概念的提出

Mackie等于1993年發(fā)表了螺旋斷層治療（HT）設(shè)計(jì)思路的同時(shí)，就從理論上提出了利用其CT影像及劑量重建來修正對(duì)患者后續(xù)分次治療的設(shè)想，這是第一次提及劑量重建和基于治療時(shí)CT圖像所獲取信息的ART思想[2-3]。特別是近年來隨著三維適形放療和調(diào)強(qiáng)放療的開展，越來越多的研究者發(fā)現(xiàn)腫瘤靶區(qū)定義的精確性和正常組織器官位置、大小和形狀的改變都會(huì)影響到放療的精準(zhǔn)性。腫瘤及周圍正常組織在每次治療中和各次治療之間都可隨時(shí)間、空間變化而變化。忽視這些變化，將影響到腫瘤的實(shí)際照射劑量，造成腫瘤欠照和正常組織損傷增加[4]。因此治療中，考慮到上述不確定因素，放射范圍應(yīng)包括腫瘤附近一定范圍內(nèi)的正常組織，即為了確保臨床靶區(qū)（CTV）獲得足夠處方劑量，最簡單方法是在CTV外加一個(gè)邊界形成計(jì)劃靶區(qū)（PTV），而這一邊界則必須考慮到患者治療過程中的擺位誤差、器官運(yùn)動(dòng)以及器官變形，確保腫瘤組織沒有被漏照或欠照[5]。但這種外加邊界方法同時(shí)很有可能會(huì)增加正常組織受照射體積，從而引發(fā)靶區(qū)周圍關(guān)鍵器官的放射性反應(yīng)，進(jìn)而增加并發(fā)癥可能。

再者為患者制定治療計(jì)劃時(shí)，CTV與PTV的間隙往往是根據(jù)群體擺位誤差得到的平均測(cè)量結(jié)果，但實(shí)際上由于個(gè)體差異，每位患者的間隙是不盡相同的，因此有必要對(duì)間距進(jìn)行個(gè)體化的處理。為了確保在不漏射靶體積條件下最大限度減少外擴(kuò)邊界。1997年，Yan等[6]提出了ART技術(shù)。該技術(shù)的運(yùn)用過程是，自療程開始每個(gè)分次治療時(shí)獲取患者二維或三維圖像，用離線方式測(cè)量每次擺位誤差；根據(jù)最初數(shù)次的測(cè)量結(jié)果預(yù)測(cè)整個(gè)療程可能發(fā)生的擺位誤差，然后據(jù)此調(diào)整PTV和CTV的間距，修改治療計(jì)劃，按修改后的計(jì)劃實(shí)施后續(xù)分次治療。

近年來，ART技術(shù)擴(kuò)展到了更高層面，如根據(jù)患者每個(gè)分次實(shí)際照射劑量累積情況，調(diào)整后續(xù)分次照射劑量，或者根據(jù)療程中腫瘤對(duì)治療的響應(yīng)情況，調(diào)整靶區(qū)和（或）處方劑量[6]。因此，ART可理解為一個(gè)閉循環(huán)的放療過程，能根據(jù)治療過程中的圖像檢測(cè)系統(tǒng)反饋?zhàn)兓畔?，?duì)治療方案做相應(yīng)調(diào)整的治療技術(shù)或模式。

圖1分別表示出IGRT和ART的流程圖，從中可發(fā)現(xiàn)雖然它們各自的時(shí)間順序有所改變，但在獲取患者診斷影像、計(jì)劃設(shè)計(jì)以及治療的基本功能方面是沒有區(qū)別的；ART所表現(xiàn)出的復(fù)雜性主要在于根據(jù)患者影像變化而改變治療計(jì)劃的反復(fù)循環(huán)工作流程上，其中的影像驗(yàn)證和計(jì)劃變換是實(shí)時(shí)、在線的，就是在線式ART，非實(shí)時(shí)性的則是離線式ART。

2 ART的研究現(xiàn)狀

圖像引導(dǎo)放療中每分次前、中或之后在許多成像形式和照射技術(shù)間所選擇的可能性已經(jīng)為放療計(jì)劃實(shí)施提供了新的手段。ART就是其中一個(gè)新的發(fā)展方向?；诨颊咚木S影像的計(jì)劃設(shè)計(jì)是ART中關(guān)鍵性的組成部分之一。本質(zhì)上，治療計(jì)劃設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)當(dāng)是一種四維處理過程。當(dāng)治療期間擺位和（或）組織器官結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)考慮時(shí)間（一維）相位。這些變化也許發(fā)生在分次放療內(nèi)（分次內(nèi)組織器官或擺位變化）或分次放療間（分次間組織器官或擺位變化）。傳統(tǒng)計(jì)劃設(shè)計(jì)的局限性在于通過采用代表患者的三維輪廓（典型CT圖像）實(shí)現(xiàn)了治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)，并假定治療期間這種輪廓將得以保持。該方法考慮到了組織器官和（或）擺位可能的改變，導(dǎo)致靶區(qū)和（或）敏感器官的外擴(kuò)邊界增加。然而在一些病例治療中此方法可能足夠，但在靶區(qū)覆蓋和正常組織避讓之間也許不能達(dá)到最后的權(quán)衡，從而可能導(dǎo)致患者總劑量增加。而圖像引導(dǎo)的ART考慮了時(shí)間變量的影響。隨著圖像引導(dǎo)及其處理過程的有效性，放療中除實(shí)際沉積劑量外還取得了患者體位的時(shí)間變化參數(shù)，治療計(jì)劃優(yōu)化實(shí)質(zhì)上已獲得一種新變量，即分次間（內(nèi)）可將時(shí)間合并作為可變量之一，從而用于確定如何和什么時(shí)候?qū)嵤?duì)治療的調(diào)整[7-8]。目前，ART的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下兩種應(yīng)用中。

2.1 處理擺位誤差和靶區(qū)移位

ART是基于校正誤差和補(bǔ)償器官運(yùn)動(dòng)兩種作用發(fā)展起來的?；颊呓邮芊执沃委煹倪^程中，身體治療部位的位置和形狀可能發(fā)生變化，位于體內(nèi)的靶區(qū)形狀及它與周圍危及器官的位置關(guān)系也會(huì)發(fā)生變化。引起這些變化的原因有3種。

（1）分次治療的擺位誤差。治療擺位的目的在于重復(fù)模擬定位時(shí)的體位，并加以固定，以期達(dá)到重復(fù)設(shè)計(jì)計(jì)劃時(shí)確定的靶區(qū)、危及器官和射野的空間位置關(guān)系，保證射線束對(duì)準(zhǔn)靶區(qū)照射。但實(shí)際情況是盡管采用各種輔助擺位裝置，并嚴(yán)格按照操作規(guī)程擺位，擺位誤差仍可能有數(shù)毫米、甚至更大。

（2）分次治療間靶區(qū)的移位和變形。表現(xiàn)為：① 消化系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)器官的充盈程度顯著影響靶區(qū)的位置，如膀胱充盈程度會(huì)改變前列腺癌靶區(qū)的位置；②隨著療程的持續(xù)進(jìn)行，患者很可能消瘦、體重減輕，這會(huì)進(jìn)行性地改變靶區(qū)和體表標(biāo)記的相對(duì)位置；③ 隨著療程的持續(xù)進(jìn)行，腫瘤可能逐漸縮小、變形，靶區(qū)和危機(jī)器官的相對(duì)位置關(guān)系發(fā)生變化，設(shè)計(jì)計(jì)劃時(shí)沒有卷入照射野的危機(jī)器官可能卷入。

（3）同一分次中的靶區(qū)運(yùn)動(dòng)。呼吸會(huì)影響胸部（肺、乳腺等）和上腹部器官（肝、胃、胰腺、腎等）的位置和形狀，使它們隨呼吸頻率做周期性運(yùn)動(dòng)。心臟跳動(dòng)也有類似呼吸作用，只是影響范圍較小、程度較輕。另外，胃腸蠕動(dòng)和血管跳動(dòng)也會(huì)帶動(dòng)緊鄰的靶區(qū)。

針對(duì)上述的器官運(yùn)動(dòng)和擺位誤差，目前最常用的處理方法是CTV外放一定的間距（margin）、形成內(nèi)靶區(qū)和PTV，間距的寬度足以保證在有靶區(qū)運(yùn)動(dòng)和擺位誤差情況下，靶區(qū)不會(huì)漏照。這種處理方法簡單易行，但卻是非常消極，因?yàn)樗愿蠓秶闹車＝M織、尤其是危及器官的受照為代價(jià)。圖像引導(dǎo)的ART減少了器官運(yùn)動(dòng)及擺位誤差對(duì)治療的影響，減少了PTV的邊界，從而可提高照射劑量，提高腫瘤局控率[9]。

2.2 根據(jù)實(shí)際照射劑量，調(diào)整后續(xù)劑量

圖像引導(dǎo)的放射治療系統(tǒng)中，CT影像經(jīng)電子密度校準(zhǔn)后可用于評(píng)價(jià)解剖結(jié)構(gòu)改變對(duì)劑量的影響，因此可通過調(diào)整治療計(jì)劃隨時(shí)優(yōu)化治療劑量和方案。

2007年的ASTRO會(huì)議上，Meeks等報(bào)告了他們?cè)陬^頸部腫瘤放療時(shí)應(yīng)用可塑性影像登記系統(tǒng)和重新計(jì)劃來優(yōu)化腮腺劑量的研究。其方法[10]是通過患者在每天治療前獲取錐形束CT圖像，確認(rèn)軟組織的位置，重新計(jì)算確定每天給予的照射劑量，利用可塑性影像登記系統(tǒng)登記靶區(qū)和感興趣區(qū)（ROI），并將每天的照射劑量累加，與初始計(jì)劃比較，如果發(fā)現(xiàn)大的偏差，重新做計(jì)劃，以確保腮腺受到安全劑量照射。結(jié)果表明，如果不調(diào)整計(jì)劃，患者實(shí)際接受劑量比處方劑量明顯增加，如果照射17次后調(diào)整計(jì)劃，右側(cè)腮腺在第一計(jì)劃中實(shí)際接受的劑量和第二計(jì)劃中實(shí)際接受的劑量累加后與初始計(jì)劃沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差別。

由于放療過程中患者體重變化和腫瘤縮小等原因致使解剖結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置發(fā)生改變，也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際獲得的劑量與初始處方劑量出現(xiàn)偏差。Ahamad等對(duì)頭頸部腫瘤患者IMRT中體重下降對(duì)腮腺和靶區(qū)的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)體重每下降10%，同側(cè)腮腺所受的平均劑量會(huì)增加6.1Gy，＞24Gy和＜30Gy的體積比初始體積高出10%。Rehbinder等研究表明，在IMRT過程中根據(jù)ART圖像調(diào)整一次計(jì)劃，可以使PTV的邊界縮小[11]。

3 基于CT-ON-RAIL系統(tǒng)開展ART的臨床應(yīng)用

西門子公司的CTVision系統(tǒng)采用ONCOR加速器和大孔徑OPEN CT機(jī)在同一治療室內(nèi)共用一張治療床，CT機(jī)可沿導(dǎo)軌移動(dòng)，稱為CT-ON-RAIL或者IN-ROOM CT。圖像引導(dǎo)放療時(shí)，患者擺位后，床面平轉(zhuǎn)180°后，保持靜止，CT機(jī)沿導(dǎo)軌移動(dòng)做治療部位掃描，根據(jù)CT斷層圖像和與計(jì)劃CT圖像確定擺位誤差，修正后，CT機(jī)退后，床面再轉(zhuǎn)回進(jìn)行治療。CTVision系統(tǒng)中所獲得的診斷級(jí)定位圖像可實(shí)現(xiàn)類似往常一樣的靶區(qū)及敏感器官勾畫。同時(shí)，這些圖像也可用于與治療時(shí)所獲取的日常驗(yàn)證圖像相關(guān)聯(lián)，從而予以執(zhí)行在線或離線式處理。和IGRT的過程類似，ART過程總體上可以分為4步。

3.1 獲取患者定位診斷影像信息

由于CTVision系統(tǒng)配置了高精度的可自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的治療床及大孔徑的滑軌CT，因此患者的常規(guī)放療定位可以在同一治療室內(nèi)完成，高精度設(shè)計(jì)保持病人在CT掃描和治療時(shí)位置的一致性。

3.2 治療計(jì)劃的產(chǎn)生

將患者在CT-ON-RAIL上獲得的高質(zhì)量CT圖像傳至計(jì)劃系統(tǒng)，設(shè)計(jì)計(jì)劃。通常調(diào)強(qiáng)治療多采用共面7野或9野等角度分布，無需避開直接對(duì)危及器官的照射，通過治療計(jì)劃系統(tǒng)的優(yōu)化可滿足特定劑量約束條件，在取得靶區(qū)劑量均勻性的同時(shí)盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)正常組織的保護(hù)。

3.3 日常驗(yàn)證圖像的獲取

基于CTVision系統(tǒng)的CT-ON-RAIL可獲得患者的驗(yàn)證CT圖像，從而實(shí)現(xiàn)每分次治療對(duì)患者位置的驗(yàn)證。通常驗(yàn)證CT掃描范圍需小于原始計(jì)劃CT影像范圍，以降低不必要的輻射劑量及減少治療占機(jī)時(shí)間。但為了全程性地回顧各靶區(qū)及器官的受照劑量精確對(duì)比，采集驗(yàn)證CT影像條件需與原始計(jì)劃CT影像相同。

3.4 ART評(píng)估、分析和劑量預(yù)測(cè)、驗(yàn)證及其再優(yōu)化

CT-ON-RAIL所獲取的高質(zhì)量診斷級(jí)圖像可以大大提高擺位精度，最好的軟組織對(duì)比度有利于依據(jù)實(shí)時(shí)腫瘤情況進(jìn)行人工配準(zhǔn)。由于采用了與治療計(jì)劃相同的CT，無需進(jìn)行組織電子密度校正，可以方便地進(jìn)行劑量計(jì)算，制定新的治療計(jì)劃。

ART的評(píng)估主要分為兩種形式：

（1）在線處理過程：基于解剖結(jié)構(gòu)信息，利用在線CT圖像可實(shí)施患者的重新擺位。CT-ON-RAIL圖像性能不僅可辨別高對(duì)比度組織，如骨，而且也可對(duì)軟組織信息予以辨別。運(yùn)用這些圖像可實(shí)施患者擺位的合適調(diào)節(jié)，一些情況下對(duì)擺位偏差進(jìn)行校正是有必要的。特別是患者擺位中觀察到的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和所產(chǎn)生的變化，這也將有助于對(duì)分次間解剖學(xué)變化給予一定的補(bǔ)救。如靶區(qū)、危及器官、骨組織和外部輪廓均相對(duì)于另一器官發(fā)生移動(dòng)時(shí)，可選擇性對(duì)患者重新予以擺位，最初計(jì)劃的劑量分布將最能反映出所需擺位的信息[12]。在線性能和過程的有效性不僅提供了圖像引導(dǎo)ART的可能性，而且潛在地提升臨床放療標(biāo)準(zhǔn)的再定義。假如優(yōu)化算法計(jì)算快，且足夠靈活地產(chǎn)生在線計(jì)劃，日?！皰呙?、計(jì)劃、再治療”的理想放療流程將最終成為可能。

（2）離線處理過程：應(yīng)用每天圖像可離線確定每分次治療中日常擺位和組織器官的改變，或一系列分次中影響靶區(qū)覆蓋和正常組織避讓情況。例如，在幾分次后通過定義關(guān)聯(lián)的特定患者所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)級(jí)別及其組織器官改變，從而可創(chuàng)建出患者特定的輪廓。同時(shí)，對(duì)于肺部或頭頸部腫瘤而言，日常圖像有助于實(shí)施跟蹤腫瘤的縮小，而幾分次后該腫瘤縮小也許具有重要的臨床意義。每分次治療前所獲取的圖像可用于勾畫出新輪廓和必要的重新劑量計(jì)算。為了整體分析計(jì)劃的需要，應(yīng)從多分次角度對(duì)治療劑量分布給予疊加，并將總劑量與所期待的計(jì)劃劑量分布進(jìn)行比較。利用日常驗(yàn)證CT圖像獲取實(shí)際患者擺位、組織器官變化、變形圖以及劑量分布，從而確定計(jì)劃是否、怎樣和什么時(shí)候需要進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整中可考慮新輪廓的形成以確定感興趣區(qū)域和以前所定義組織器官等新外擴(kuò)邊界[13]。

總之，調(diào)整將意味著導(dǎo)致新計(jì)劃的創(chuàng)建，稱之為再優(yōu)化過程。未來隨著更為自動(dòng)化的在線處理和更加迅速的計(jì)算機(jī)發(fā)展，處理過程中大多數(shù)ART技術(shù)將實(shí)現(xiàn)在線形式。此時(shí)數(shù)據(jù)分析和一定級(jí)別的決定權(quán)將保留在離線中進(jìn)行，通過收集足夠信息來予以判定，從而避免影響到患者治療工作量。

事實(shí)證明治療前CTVision系統(tǒng)提供了一套方法可獲取患者圖像，并有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)圖像配準(zhǔn)和患者的重新擺位，因而對(duì)在線或離線ART提供了許多解決途徑。其中最有意義的是可根據(jù)治療前獲得的CT圖像，考慮到患者位置和解剖學(xué)變化后，實(shí)際預(yù)測(cè)出不同階段中每分次治療中患者體內(nèi)實(shí)際所沉積的劑量。對(duì)于劑量重建過程，一個(gè)基本要求就是采集到患者實(shí)時(shí)治療時(shí)組織結(jié)構(gòu)的CT圖像，理想情況是治療期間采集到該CT圖像。采集圖像與治療之間間隔時(shí)間越長，則CT圖像代表精確患者體位的概率會(huì)更低。另外，CT圖像提供的CT值作為組織密度的函數(shù)，以期實(shí)現(xiàn)其劑量精確計(jì)算。而這兩點(diǎn)正是CTVision系統(tǒng)CT-ON-RAIL的優(yōu)勢(shì)所在。此外，還可以通過治療前利用采集到的驗(yàn)證CT圖像，利用計(jì)劃能量注量分布計(jì)算出沉積到患者體內(nèi)的劑量，與計(jì)劃預(yù)設(shè)劑量進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)劑量驗(yàn)證的目的。

CTVision系統(tǒng)中日常驗(yàn)證CT可以直接用于評(píng)價(jià)解剖結(jié)構(gòu)改變對(duì)劑量的影響，因此通過調(diào)整治療計(jì)劃可隨時(shí)優(yōu)化治療劑量和方案。Ramsey等[14]實(shí)施ART可做到腫瘤劑量的提升最大化而肺部毒性最小化，肺V20可減少17%～23%。Varadhan等研究證實(shí)了利用日常驗(yàn)證CT圖像實(shí)施前列腺自適應(yīng)計(jì)劃，并有效地對(duì)膀胱和直腸劑量變化實(shí)施了評(píng)估，膀胱和直腸最大劑量變化分別為12%和40%[15-16]。Trovo等在乳腺癌治療中通過研究日常驗(yàn)證CT得到新解剖信息的劑量分布，通過獲得新計(jì)劃以確保PTV的精確照射[17]。

4 結(jié)語

當(dāng)放療系統(tǒng)提供了完整的圖像引導(dǎo)時(shí)，放療發(fā)展已跨入了可實(shí)施精確調(diào)強(qiáng)放療時(shí)代。CTVision系統(tǒng)提供了一種在線方法，實(shí)施患者擺位及內(nèi)部組織器官的日常驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像配準(zhǔn)和患者重新擺位。診斷級(jí)CT圖像具有足夠?qū)Ρ榷?，?duì)軟組織和器官進(jìn)行分辨，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)患者再擺位、重新勾畫圖像輪廓及實(shí)施其他自適應(yīng)過程。離線式中的變化使用了一套自適應(yīng)軟件工具來執(zhí)行劑量的重建、圖像再勾畫、日常變形圖中劑量增加以及生成新計(jì)劃。新計(jì)劃反映了當(dāng)前患者組織結(jié)構(gòu)及校正治療劑量中所存在的任何差異。在線式的校正明顯需要足夠快、實(shí)時(shí)地執(zhí)行，且應(yīng)包含一些選擇項(xiàng)，如根據(jù)劑量和（或）組織結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)患者的重新定位，基于組織結(jié)構(gòu)變形等日常信息從而能實(shí)現(xiàn)計(jì)劃的選擇確定[18]。

綜上所述，ART是實(shí)現(xiàn)精確放療較好的方法，它可實(shí)現(xiàn)對(duì)靶區(qū)高劑量照射，同時(shí)最大限度減少周圍正常組織受高劑量照射概率，可執(zhí)行劑量完整重建和驗(yàn)證，進(jìn)而提升靶區(qū)生物等效劑量。但基于圖像引導(dǎo)的ART是一項(xiàng)新興的技術(shù)，目前尚未在臨床上普及運(yùn)用。還存在以下幾個(gè)問題：① 不適用于隨機(jī)誤差很大、誤差隨時(shí)間而改變和分割次數(shù)很多的治療；② 并非所有腫瘤在治療過程均適合ART；③根據(jù)腫瘤對(duì)治療的反應(yīng)進(jìn)行的ART，是否會(huì)引起亞臨床病灶的劑量不足有待進(jìn)一步的研究證實(shí)。ART中涉及的很多技術(shù)（如在線ART、變形算法等）還處于可行性研究階段，還需更多研究和新硬件的發(fā)展來推動(dòng)ART技術(shù)的進(jìn)一步臨床應(yīng)用。

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