放療新技術(shù)的研究進(jìn)展

王冬，田金，許鋒

北京大學(xué)第三醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程處，北京100191

放療新技術(shù)的研究進(jìn)展

王冬，田金，許鋒

北京大學(xué)第三醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程處，北京100191

0 前言

放射治療是一種被廣泛認(rèn)可的腫瘤治療方法，它使用高能適形X線或電子束，對特定靶位的腫瘤進(jìn)行照射，從而達(dá)到治療疾病的目的。近年來，放療技術(shù)經(jīng)歷了立體定向放療（Stereotactic Radiotherapy，SRT）、三維適形放療（Three-dimensional Conformal Radiotherapy，3D-CRT）、 調(diào)強放療（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT）、圖像引導(dǎo)放療(Image-guided Radiotherapy，IGRT）等重要的發(fā)展階段。應(yīng)用上述技術(shù)可產(chǎn)生高度適合靶區(qū)形狀的劑量分布，減少正常組織的受照體積，提高對腫瘤的局部控制率，降低正常組織并發(fā)癥的發(fā)生率，因此精確放療是取得理想治療效果的重要保障[1-2]。在進(jìn)行放療的過程中，放療靶區(qū)的確定十分重要，本文介紹了幾種新技術(shù)，旨在為提高腫瘤的局部控制率，保證患者放療的安全性和有效性提供參考。

1 新技術(shù)應(yīng)用的必要性

患者分次放療過程中，待照射部位的位置和形狀會發(fā)生變化，使靶區(qū)形狀及其與周圍正常組織的位置關(guān)系也發(fā)生變化，因此會對治療的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，引起這些變化的原因主要有以下3種。

1.1 分次治療的擺位誤差

擺位的目的在于重復(fù)并固定模擬定位時的體位，并加以固定，以達(dá)到重復(fù)計劃設(shè)計時確定的靶區(qū)、危及器官和照射野的空間位置關(guān)系，保證射線束對準(zhǔn)靶區(qū)照射的目的。擺位誤差主要來源有：① 擺位所依據(jù)的光距尺和激光燈有1 mm左右的定位誤差；② 固定裝置因重復(fù)使用、材料韌性等因素而具有不可靠性；③ 治療床和模擬定位床的差別、體表標(biāo)記線的寬度和清晰程度等因素均會影響擺位的準(zhǔn)確度；④ 技術(shù)員的操作不當(dāng)也會產(chǎn)生擺位誤差。

1.2 分次治療間的靶區(qū)位移和形變

消化系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)器官的充盈程度會顯著影響靶區(qū)位置，如膀胱充盈程度會改變前列腺癌靶區(qū)的位置。隨著治療的進(jìn)行，腫瘤體積、患者體重或皮膚松弛程度的變化，也會改變靶區(qū)和體表標(biāo)記的相對位置。

1.3 同一次治療中的靶區(qū)運動

人體每個局部都有非自主運動的能力，治療過程中細(xì)微的運動可造成靶區(qū)位置不準(zhǔn)確。呼吸會影響胸腹部器官的位置和形狀，使其隨呼吸頻率做周期性運動。心臟跳動也有類似的呼吸作用，只是影響范圍更小、程度更輕。另外，胃腸蠕動和血管跳動也會帶動緊鄰的靶區(qū)[3]。

隨著技術(shù)和設(shè)備的不斷發(fā)展，包括四維CT、超聲圖像引導(dǎo)、呼吸門控技術(shù)等在內(nèi)的放療新技術(shù)應(yīng)運而生，以期提高放療靶區(qū)設(shè)計的精確性。

2 新技術(shù)的實現(xiàn)方式

傳統(tǒng)的靶區(qū)確定方法：根據(jù)臨床統(tǒng)計數(shù)據(jù)在腫瘤區(qū)（Gross Target Volume，GTV）的基礎(chǔ)上外放，形成臨床靶區(qū)（Clinical Target Volume，CTV）；同時考慮到患者運動及誤差等因素，進(jìn)一步外放最終形成計劃靶區(qū)（Planning Target Volume，PTV）。此方法在照射腫瘤的同時，使得患者正常組織和器官也被照射，增加了并發(fā)癥的發(fā)生率，降低了療效和治療后的生存質(zhì)量。為解決上述問題，多種新技術(shù)應(yīng)運而生，其中包括四維CT、超聲圖像引導(dǎo)、呼吸門控技術(shù)和六維運動控制系統(tǒng)等。

2.1 四維CT

四 維CT（Four-dimensional Computed Tomography，4DCT）是在傳統(tǒng)螺旋CT的基礎(chǔ)上加入了時間變量，在一個呼吸周期或其他運動周期的每個時相（一般劃分為4～12個時相）采集一組三維圖像，所有時相的三維圖像構(gòu)成一個時間序列，即四維圖像[4]。由于4D-CT圖像數(shù)據(jù)量大、處理時間長，Wolthaus等[5]提出了通氣中位 （Mid-ventilation）的概念，它代表腫瘤在整個呼吸周期的平均位置。該研究通過對15例肺癌患者進(jìn)行4D-CT掃描，采用兩種方法構(gòu)建通氣中位：① 根據(jù)腫瘤在頭腳、左右及前后3個方向上運動的三維數(shù)據(jù)，得出腫瘤的平均位置；② 根據(jù)橫隔的運動軌跡，計算出腫瘤的平均位置。結(jié)果表明，兩種方法的準(zhǔn)確性均很好，采用通氣中位CT制定治療計劃與普通定位CT相比，可減少腫瘤的外放邊界，從而減少受照體積。隨著計算速度的提高及圖像算法的優(yōu)化，四維CT將得到更廣泛的應(yīng)用。

2.2 超聲圖像引導(dǎo)

超聲成像具有無創(chuàng)、無電離輻射、操作簡便等優(yōu)點。其成像原理是基于不同器官和組織聲阻抗和衰減特性的差異。有研究表明，對于典型的生物組織，當(dāng)超聲傳導(dǎo)速度約為1500 mm/s，超聲探頭頻率＞2 MHz時，圖像空間分辨率＜0.5 mm[6]。同時，超聲探頭尺寸較小，可在加速器治療區(qū)域內(nèi)使用，因此在腹部和前列腺腫瘤的動態(tài)跟蹤研究中表現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用前景[7]。超聲圖像引導(dǎo)系統(tǒng)在探頭手柄上加裝反光片，利用紅外線追蹤技術(shù)實現(xiàn)定位，其硬件（圖1）包括：加裝反光片的探頭、紅外追蹤發(fā)射接收器、QA模體。應(yīng)用前需定標(biāo)，通過紅外線追蹤QA模體表面的反光點，建立三維坐標(biāo)系；然后利用探頭掃描QA模體，掃到標(biāo)準(zhǔn)圖像時利用紅外追蹤確定探頭上反光點的位置，通過計算建立探頭角度體系，得到標(biāo)準(zhǔn)圖像，見圖1（d）。超聲圖像引導(dǎo)系統(tǒng)可對軟組織、乳腺、前列腺等部位的腫瘤進(jìn)行定位，預(yù)計核素功能成像、磁共振成像也將應(yīng)用于放療圖像引導(dǎo)領(lǐng)域。

2.3 呼吸門控技術(shù)

呼吸運動不但會使肺部的靶組織產(chǎn)生位移，而且還會波及上腹部臟器，也就是說肺部、胰腺、肝臟和其他胸腹部的腫瘤，均可隨呼吸運動產(chǎn)生位移。為解決因呼吸導(dǎo)致的腫瘤位置改變的問題，早期采用屏氣技術(shù)和腹部壓縮的方法，以減小腫瘤的運動幅度。屏氣技術(shù)主要包括深吸氣屏氣（Deep Inspiration Breath-hold，DIBH）技術(shù)和主動呼吸控制（Active Breathing Control，ABC）技術(shù)。DIBH技術(shù)需要患者主動配合并進(jìn)行深吸、屏氣的呼吸訓(xùn)練，在屏氣時進(jìn)行放射治療[8]。ABC技術(shù)利用呼吸面罩控制患者呼吸，當(dāng)肺容積超過某個特定閾值時進(jìn)行放療[9]。國內(nèi)外的臨床試驗結(jié)果證明，這兩種技術(shù)的應(yīng)用可使腫瘤位置的重復(fù)性顯著提高[10-13]。但Mageras等[14]的臨床試驗證明，有一半的患者不能應(yīng)用DIBH技術(shù)，其只適用于肺功能正常且能配合的患者；而ABC技術(shù)的缺點是干擾患者正常的呼吸模式，患者耐受性差，故在臨床使用上有很大的局限性。

圖1 超聲圖像引導(dǎo)系統(tǒng)

呼吸門控（Respiration-Gated Radiotherapy，RGRT）技術(shù)并沒有減小腫瘤運動的范圍，而是通過監(jiān)測呼吸運動使得射線束的放射周期與呼吸周期同步，只在呼吸過程的某一特定時相內(nèi)出束進(jìn)行放療。監(jiān)測方式主要有激光監(jiān)測法、金標(biāo)法、壓力監(jiān)測法等。激光監(jiān)測法是利用激光掃描體表或標(biāo)記點，通過分析反射光進(jìn)而得到呼吸幅度；金標(biāo)法是在伴有腫瘤的臟器中植入金標(biāo)，利用射線追蹤金標(biāo)位置，進(jìn)而得到腫瘤的位置；壓力監(jiān)測法在腹部放置壓力傳感器，利用呼吸幅度與壓力信號的關(guān)系，通過分析壓力信號進(jìn)而得到呼吸幅度。各種方式的優(yōu)缺點[15-17]，見表1。呼吸門控技術(shù)可通過精確靶區(qū)的勾畫有效減小計劃靶區(qū)照射體積，降低正常組織受照射劑量和毒副反應(yīng)。

表1 呼吸門控各方式的優(yōu)缺點

2.4 六維運動控制系統(tǒng)

利用紅外技術(shù)對定位架進(jìn)行定位，計算誤差后調(diào)整六維床位置，以實現(xiàn)減小誤差的目的。六維床采用了直流無刷伺服電機(jī)技術(shù)，其控制精度高、響應(yīng)快、力矩穩(wěn)定，可實現(xiàn)6個維度的運動控制，分別為X、Y、Z 3個方向和相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向，運動精度可控制在±0.2 mm，最大旋轉(zhuǎn)角度3°。床板采用質(zhì)量輕、剛性好的碳纖維材料，承重達(dá)到250 kg，見圖2。六維運動控制系統(tǒng)可為放射治療提供更多的治療角度，便放療的副作用顯著減少。

圖2 六維運動控制系統(tǒng)

3 總結(jié)

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，人們采用多種技術(shù)手段實現(xiàn)了圖像引導(dǎo)，通過呼吸門控技術(shù)提高了準(zhǔn)確度；應(yīng)用六維運動控制技術(shù)實現(xiàn)了高精度、多角度的機(jī)械控制。在上述技術(shù)的基礎(chǔ)上配合動態(tài)多葉光柵，并在安全范圍內(nèi)有效提高劑量率，可產(chǎn)生高度適合靶區(qū)形狀的劑量分布，從而提高腫瘤的局部控制率，降低正常組織并發(fā)癥的發(fā)生率，保證患者接受放射治療的安全性和有效性。

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Advances in Research on New Radiotherapy Techniques

WANG Dong, TIAN Jin, XU Feng
Department of Medical Engineering, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China

本文討論了新技術(shù)在放療領(lǐng)域中應(yīng)用的必要性和實現(xiàn)方式，重點分析了四維CT、超聲圖像引導(dǎo)、呼吸門控技術(shù)、六維運動控制系統(tǒng)等新技術(shù)的特點及臨床應(yīng)用進(jìn)展。

放射治療；四維CT；超聲引導(dǎo)；呼吸門控；六維運動

This paper discussed the necessity and implementation methods of applying new techniques in the field of radiotherapy. Moreover, it focused on analyzing the characteristics of new techniques and their advances in clinical application, including four-dimensional CT, ultrasound guidance, respiratory gating radiotherapy and the six-dimensional motion control system.

radiotherapy; four-dimensional computerized tomography; ultrasound guidance; respirationgated radiotherapy; six-dimensional motion

R815

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.02.018

1674-1633(2015)02-0069-03

2014-07-03

2014-07-22

許鋒，研究員，北京大學(xué)第三醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處處長。

通訊作者郵箱：xusteven@tom．com