圖像引導(dǎo)放射治療的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

王 穎，于金明

(1.重慶大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院/重慶市腫瘤研究所/重慶市腫瘤醫(yī)院 400030；2.山東省腫瘤醫(yī)院，濟(jì)南 250117)

腫瘤的精準(zhǔn)放療是應(yīng)用各種技術(shù)或設(shè)備使靶區(qū)高度適形，以確保治療中處方劑量最大限度地集中于腫瘤區(qū)域內(nèi)，而周圍正常器官得到最大保護(hù)。圖像引導(dǎo)放療(image-guided radiotherapy，IGRT)是在三維適形放射治療(three-dimensional conformal radiotherapy，3D-CRT)基礎(chǔ)上加入了時(shí)間因素，充分考慮了靶區(qū)和周圍正常器官在治療過程中的運(yùn)動(dòng)和放療分次間的擺位誤差，在患者治療前、治療中利用各種先進(jìn)的影像設(shè)備對(duì)腫瘤和危及器官進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能根據(jù)其位置和形狀變化調(diào)整治療條件使照射野緊緊“追隨”靶區(qū)，以使腫瘤完全在治療計(jì)劃系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的劑量范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的腫瘤精確放療。IGRT涉及放療過程中的所有環(huán)節(jié)，包括掃描、勾畫、計(jì)劃、定位、傳輸?shù)雀鞣矫?，目的是減少靶區(qū)不確定因素，將治療過程中靶區(qū)和周圍正常器官隨時(shí)間而運(yùn)動(dòng)的全部信息整合到放療計(jì)劃中，提高放療過程的精確性，推動(dòng)個(gè)體化醫(yī)療的發(fā)展。

本文重點(diǎn)介紹IGRT流程中勾畫、計(jì)劃、定位和傳輸4個(gè)環(huán)節(jié)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，希望所得見解能幫助臨床醫(yī)生更好地了解IGRT技術(shù)、流程和前沿發(fā)展，提高放療安全傳輸和患者治療療效，并通過更合理地使用來降低醫(yī)療成本。

1 勾 畫

在IGRT中，圖像預(yù)處理是靶區(qū)勾畫和治療計(jì)劃的首要環(huán)節(jié)，CT圖像質(zhì)量在這一環(huán)節(jié)中至關(guān)重要。劑量越高，圖像噪點(diǎn)越少，就越容易識(shí)別低對(duì)比度結(jié)構(gòu)，但額外輻照劑量可能就會(huì)越高，故推薦采用CT低劑量掃描協(xié)議。隨著圖像技術(shù)的發(fā)展，最優(yōu)CT數(shù)據(jù)采集模式配合其他成像模態(tài)[如正電子發(fā)射斷層掃描(positron emission tomography，PET)[1]]，能夠使放療醫(yī)師更加精準(zhǔn)地勾畫靶區(qū)及正常組織，這是現(xiàn)代放療技術(shù)發(fā)展的重要進(jìn)步。

靶區(qū)勾畫的不一致將會(huì)造成腫瘤輻照劑量的不足，增加局部區(qū)域復(fù)發(fā)和惡化風(fēng)險(xiǎn)，相比放療其他環(huán)節(jié)中的偏差影響更為嚴(yán)重。半自動(dòng)和自動(dòng)勾畫的臨床逐步應(yīng)用，減少了人工勾畫，增加了靶區(qū)勾畫的一致性。臨床靶區(qū)體積(clinical target volume，CTV)外擴(kuò)一定邊界得到計(jì)劃靶區(qū)體積(properplanning target volume，PTV)，可確保腫瘤區(qū)域滿足處方劑量；圖像引導(dǎo)則可把外擴(kuò)邊界減小到幾個(gè)毫米，進(jìn)一步降低了正常組織的輻照劑量。

傳統(tǒng)CT圖像中的呼吸運(yùn)動(dòng)偽影也是影響靶區(qū)勾畫精準(zhǔn)度的主要原因。4DCT技術(shù)的臨床應(yīng)用可以使臨床醫(yī)生查看容積CT圖像隨時(shí)間的變化，探查分次內(nèi)腫瘤運(yùn)動(dòng)，更好地評(píng)估肺功能和預(yù)測治療反應(yīng)。

2 計(jì) 劃

IGRT計(jì)劃環(huán)節(jié)中影響放療治療療效的因素較多，比如劑量分割模式、加速器種類、放療技術(shù)、電子束能量和劑量/劑量率、照射野數(shù)和跳數(shù)(MU)等。放療計(jì)劃的品質(zhì)也是影響局部腫瘤控制和癌癥患者存活的重要因素。利用機(jī)器學(xué)習(xí)基于之前的治療計(jì)劃進(jìn)行建?？蛇M(jìn)行計(jì)劃質(zhì)量的評(píng)估[2]。自動(dòng)計(jì)劃(如基于先驗(yàn)知識(shí)計(jì)劃設(shè)計(jì)、多目標(biāo)優(yōu)化等)可以改善計(jì)劃質(zhì)量一致性、提高計(jì)劃品質(zhì)和工作流程，比如自動(dòng)學(xué)習(xí)的束流角度優(yōu)化和基于個(gè)體患者特定解剖結(jié)構(gòu)的束流強(qiáng)度自動(dòng)優(yōu)化。

以PET、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描(single photon emission computer tomography，SPECT)和核磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)等為代表的功能影像技術(shù)[3]的發(fā)展，進(jìn)一步深化了對(duì)靶區(qū)的認(rèn)識(shí)，通過計(jì)劃的個(gè)體優(yōu)化設(shè)計(jì)，有望對(duì)靶區(qū)中功能和代謝程度不同的腫瘤區(qū)域(如乏氧區(qū)域)實(shí)施個(gè)體化劑量強(qiáng)度分布的生物引導(dǎo)放射治療(biologically guided radiation therapy，BGRT)。IMRT的發(fā)展使劑量分布的物理適形達(dá)到了相當(dāng)理想的水平，而基于功能影像的生物引導(dǎo)放療則開創(chuàng)了一個(gè)生物適形的新紀(jì)元，物理適形和生物適形緊密結(jié)合的多維適形治療必將成為未來腫瘤放療的發(fā)展方向。

3 定 位

放射影像是目前標(biāo)準(zhǔn)的擺位驗(yàn)證方法，它可以在二維、三維或四維空間中顯示腫瘤和危及器官的位置、位移和形變，實(shí)現(xiàn)束流和靶區(qū)的位置校準(zhǔn)、劑量驗(yàn)證及自適應(yīng)。

靶區(qū)定位這一環(huán)節(jié)目前臨床常用的影像設(shè)備有kV級(jí)X線片、電子射野影像系統(tǒng)(electronic portal imaging device，EPID)、kV級(jí)CT、錐形束CT(cone beam CT，CBCT)。kV級(jí)X線片可以稱為IGRT雛形，是最早IGRT實(shí)現(xiàn)方式，是二維驗(yàn)證。kV級(jí)X線片對(duì)骨性標(biāo)志較清楚，但難以檢測治療過程中軟組織形態(tài)的相對(duì)變化，且與放射治療不同源，需與治療設(shè)備結(jié)合在一起，目前臨床不常采用。EPID是附著在加速器治療設(shè)備上的一個(gè)附件，可以驗(yàn)證射野的大小、位置、形狀和患者擺位準(zhǔn)確性，是二維驗(yàn)證，也是較為簡單實(shí)用的IGRT實(shí)現(xiàn)方式。kV級(jí)CT引導(dǎo)放射治療與加速器同床，可提供6個(gè)自由度的擺位偏差，是三維驗(yàn)證，但無法進(jìn)行治療時(shí)的腫瘤實(shí)時(shí)監(jiān)測管理?；诙S大面積非晶硅數(shù)字化X射線探測板的CBCT，是錐形束投照計(jì)算機(jī)重組斷層影像設(shè)備，可直接整合到治療加速器上，X射線發(fā)生器以較低射線量旋轉(zhuǎn)360°獲取投照體CT圖像，之后重建獲得三維圖像，并將與治療計(jì)劃的患者模型配準(zhǔn)比較，得到治療床擺位偏差，必要時(shí)移床。根據(jù)射線能量不同，CBCT分為kV級(jí)CBCT和MV級(jí)CBCT。kV級(jí)CBCT空間分辨率高，但密度分辨率較低；MV級(jí)CBCT與治療束同源，但在圖像分辨率、信噪比方面處于劣勢。隨著研究深入，適應(yīng)性過濾可顯著降低MV級(jí)CBCT圖像噪聲，加之探測器本身材料的改進(jìn)，使得探測效率峰值更接近治療用射線能量，MV級(jí)CBCT圖像不斷得到改善。

除了上面講到的圖像質(zhì)量外，靶區(qū)定位這一環(huán)節(jié)還依賴于成像頻率。增加IGRT頻次能確保劑量的準(zhǔn)確傳輸，減小擺位誤差，縮小CTV到PTV的外擴(kuò)邊界。成像頻率增加，器官吸收的額外輻照劑量也增加。一般來說，二維成像劑量主要集中在皮膚區(qū)域，三維和四維斷層掃描劑量幾乎均勻分布在整個(gè)成像體積內(nèi)。為此，在治療計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮成像劑量及其分布，物理師可以通過改變射束方向、視野、射束數(shù)量、管電壓、電流(mA)或mAs /幀等，合理優(yōu)化MU和控制點(diǎn)，保證圖像質(zhì)量的同時(shí)控制成像劑量為治療劑量的2%以內(nèi)。對(duì)于兒科患者，除了考慮成像類型外，還需要考慮掃描模式，例如，可采用CBCT頭部模式掃描胸、腹部或骨盆的圖像，避免表面器官被輻照。

隨著技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)態(tài)跟蹤治療系統(tǒng)也逐漸完善并應(yīng)用于臨床[4]。在圖像設(shè)備的實(shí)時(shí)引導(dǎo)下，通過治療床的運(yùn)動(dòng)或照射野的運(yùn)動(dòng)，使照射野與運(yùn)動(dòng)的腫瘤靶區(qū)保持相對(duì)位置固定，達(dá)到動(dòng)態(tài)適形。這種治療模式對(duì)受呼吸、心跳等影響較大的胸腹部腫瘤的放療具有重要意義。外放邊界進(jìn)一步縮小，沒有了設(shè)備門控期的停滯時(shí)間，照射時(shí)間縮短，機(jī)器的利用率提高，放療將更加精確和高效。

無輻照劑量的光學(xué)成像技術(shù)是放療領(lǐng)域新發(fā)展起來的一種基于可見光的表面掃描系統(tǒng)[5]，在IGRT中同樣有著重要的角色。光學(xué)成像技術(shù)使用新的基于患者表面跟蹤的掃描方法，將實(shí)時(shí)體表影像與參考影像進(jìn)行形變配準(zhǔn)，并將配準(zhǔn)結(jié)果以不同顏色的光束投射至患者體表，以指導(dǎo)技術(shù)員完成精確擺位。此外，在治療期間，通過光學(xué)成像技術(shù)還可實(shí)時(shí)監(jiān)測患者身體運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)，還可驅(qū)動(dòng)呼吸門控開關(guān)。光學(xué)成像技術(shù)結(jié)合X射線系統(tǒng)提供的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)信息(如骨性標(biāo)記)，檢測患者體表的變化，并進(jìn)行患者治療中的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 傳 輸

癌癥患者治療中劑量傳輸質(zhì)量控制主要是用于檢測和必要性糾正計(jì)算、擺位和傳輸中的偏差，以確保安全傳輸個(gè)體化的治療。劑量傳輸質(zhì)量控制流程包括治療前計(jì)劃驗(yàn)證和治療中劑量傳輸驗(yàn)證。

IMRT及容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)(volume-modulated radiotherapy，VMAT)等先進(jìn)放療計(jì)劃有著腫瘤靶區(qū)劑量分布高度適形和高梯度變化的特點(diǎn)，可顯著提高放療療效，同時(shí)也使得治療前劑量驗(yàn)證更加復(fù)雜。傳統(tǒng)的手工計(jì)算核對(duì)和僅點(diǎn)劑量驗(yàn)證已不再適用。為確保治療劑量能夠精準(zhǔn)地定位與腫瘤靶區(qū)內(nèi)，嚴(yán)格的個(gè)體化劑量學(xué)驗(yàn)證是一項(xiàng)重要工作。

治療中劑量傳輸驗(yàn)證是確保處方劑量準(zhǔn)確傳輸和患者安全被輻照的最直接、最有效的方法。目前主要有基于電子射野影像系統(tǒng)(electronic portal imaging device,EPDI)的監(jiān)測法、基于加速器運(yùn)行日志文件(logfile)系統(tǒng)的分析法和基于透射型探測器的通量監(jiān)測法?；贓PID的監(jiān)測法屬于入射后端監(jiān)測，即記錄穿過患者之后的束流通量分布，方法簡單有效，但EPID依賴性強(qiáng)，圖像對(duì)比度和信噪比存在波動(dòng)且隨時(shí)間推移也在下降，系統(tǒng)需要經(jīng)常維護(hù)，必要時(shí)還需要更換，驗(yàn)證結(jié)果受擺位條件影響，且此方法也不能監(jiān)測加速器各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確性，如加速器機(jī)架角度、二維電離室矩陣驗(yàn)證多葉準(zhǔn)直器(MLC)到位精度、劑量校準(zhǔn)等。日志文件記錄的是加速器運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過分析這些數(shù)據(jù)，評(píng)估患者接受的實(shí)際劑量，方法也簡單有效，但它不是劑量測量系統(tǒng)且有延遲性，且日志文件記錄的MLC葉片位置和真實(shí)位置有時(shí)偏差很大。基于透射型探測器測量通量的監(jiān)測屬于入射前端監(jiān)測，即在束流入射患者體內(nèi)之前進(jìn)行檢測，可確?；颊甙踩惠椪?。

患者在體劑量重建數(shù)據(jù)，結(jié)合加速器束流及患者擺位情況、解剖結(jié)構(gòu)變化等，可以準(zhǔn)確地還原患者實(shí)際接受的輻射劑量分布，這為優(yōu)化計(jì)劃和開展劑量引導(dǎo)放射治療(dose-guided radiation therapy，DGRT)提供強(qiáng)有力依據(jù)[6]。目前技術(shù)水平離真正的劑量引導(dǎo)實(shí)時(shí)調(diào)控還有很大的差距，劑量引導(dǎo)放療設(shè)備也只是停留在初步的劑量驗(yàn)證階段，尚不能利用驗(yàn)證結(jié)果來實(shí)時(shí)修改放射治療計(jì)劃，以影響加速器出束并改變患者實(shí)際被輻照劑量。但是，隨著圖像處理和劑量重建算法等的不斷發(fā)展和提高，DGRT新理念將逐漸走進(jìn)臨床的實(shí)際應(yīng)用，為腫瘤患者帶來福音。

5 結(jié)束語

本文描述了IGRT工作流中的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，涉及環(huán)節(jié)有勾畫、計(jì)劃、定位和傳輸。IGRT的巨大進(jìn)步幫助臨床醫(yī)生更好地理解該技術(shù)和工作流程，促進(jìn)個(gè)體化放療指導(dǎo)和策略的發(fā)展，提高放療傳輸安全性，改善患者治療療效。作為當(dāng)今發(fā)展最快速的技術(shù)領(lǐng)域之一，機(jī)器學(xué)習(xí)通過新的學(xué)習(xí)算法為放療帶來了新的治療技術(shù)。采用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等各種先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)各種各樣的自動(dòng)化應(yīng)用程序，可減少人為錯(cuò)誤，最大化提高放療醫(yī)師、物理師的工作效率和患者的放療質(zhì)量，改善現(xiàn)有流程或?qū)崿F(xiàn)新的工作流，使臨床IGRT工作更自動(dòng)化和模式化。雖然在放療中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)在單一放療中心或某些其他放療中心可用，但很難進(jìn)行大規(guī)模比較。如今，數(shù)據(jù)信息的可用性已經(jīng)變得更加復(fù)雜和廣泛，正在發(fā)展的國家或國際基礎(chǔ)設(shè)施也越來越多，使得放療中心能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和自動(dòng)化的放療數(shù)據(jù)收集和安全共享。大多數(shù)治療決策都將會(huì)基于這些收集的相關(guān)數(shù)據(jù)(被稱之為大數(shù)據(jù))，進(jìn)一步優(yōu)化治療，提高生存率，達(dá)到患者最佳護(hù)理，減少衛(wèi)生保健部門負(fù)擔(dān)。