腫瘤放射治療中圖像引導(dǎo)方式研究進(jìn)展

李 明，吳建亭，王君輝，楊燕光

放射治療（簡(jiǎn)稱放療）作為惡性腫瘤的重要治療手段，約2/3 腫瘤患者需要接受放療。 放療要求最大程度將放療劑量沉積在放療靶區(qū)內(nèi)的同時(shí)使靶區(qū)外正常組織所接受的劑量盡可能少，以達(dá)到提高放療增益比目的。放療過(guò)程中患者擺位誤差是影響放療精度的關(guān)鍵因素，如果不能將擺位誤差控制在允許的范圍內(nèi)，精確放療的優(yōu)勢(shì)將難以體現(xiàn)。當(dāng)前，圖像引導(dǎo)技術(shù)可以提高放療擺位的精度，是減少擺位誤差的有效方法。 圖像引導(dǎo)方式較多，文章分別從X 射線成像技術(shù)引導(dǎo)、超聲技術(shù)引導(dǎo)、光學(xué)技術(shù)引導(dǎo)和MRI 技術(shù)引導(dǎo)等四方面進(jìn)行分析。

1 基于X 射線成像技術(shù)引導(dǎo)放療

1.1 電子射野影像系統(tǒng)引導(dǎo)放療

基于非晶硅平板探測(cè)器對(duì)擺位誤差測(cè)量得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)運(yùn)用X 射線進(jìn)行拍片驗(yàn)證，通過(guò)較少的劑量獲得患者正側(cè)位影像。 洪全省等[1]通過(guò)比較食管癌患者電子射野影像裝置（electronic portal imaging device，EPID） 和數(shù)字重建影像 （digitally reconstructured radiograph，DRR）來(lái)測(cè)量擺位誤差，并根據(jù)擺位誤差計(jì)算計(jì)劃靶區(qū)（planning target volume,PTV）外放來(lái)制定治療計(jì)劃，可更有效地保護(hù)脊髓。任珺等[2]應(yīng)用EPID 對(duì)盆腔放療患者擺位誤差分析提示， 醫(yī)師和技術(shù)員應(yīng)用EPID 對(duì)患者擺位誤差判定無(wú)差別。 放療技師對(duì)患者擺位誤差測(cè)量可以減少患者等待時(shí)間，提高工作效率。 潘才住等[3]通過(guò)牙合墊法與EPID 結(jié)合，可有效降低鼻咽癌擺位系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，提高擺位精度。 張玉海等[4]對(duì)模體中不同點(diǎn)的吸收劑量測(cè)量顯示機(jī)載影像（on-board imager，OBI）系統(tǒng)比EPID 成像劑量更低，圖像質(zhì)量更好。 可見(jiàn)EPID 應(yīng)用能量為兆伏的X 射線，軟組織顯像不清晰，在擺位誤差測(cè)量時(shí)需要有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生和技師參與。 EPID 除了應(yīng)用于擺位誤差測(cè)量，良好的物理劑量學(xué)特性使其在劑量測(cè)量方面也有廣泛應(yīng)用[5～7]。 目前，雖然EPID 位置驗(yàn)證功能已經(jīng)逐漸被CBCT 所取代， 但是在驗(yàn)證射野的大小、形狀、放療射野劑量測(cè)量方面仍然具有其應(yīng)用價(jià)值。

1.2 數(shù)字模擬定位機(jī)引導(dǎo)放療

傳統(tǒng)模擬定位機(jī)主要功能是對(duì)腫瘤進(jìn)行普通定位，其性能比較單一。隨著數(shù)字模擬定位機(jī)的發(fā)展，功能也日趨強(qiáng)大。千伏級(jí)的X 射線成像使得影像區(qū)域結(jié)構(gòu)更加清晰。醫(yī)生在模擬機(jī)室就可以完成腫瘤中心復(fù)位、誤差測(cè)量、射野驗(yàn)證等工作，大大緩解治療室驗(yàn)證壓力。通過(guò)模擬定位機(jī)的驗(yàn)證野影像和DRR 比較，可以對(duì)放療計(jì)劃進(jìn)行射野位置驗(yàn)證來(lái)減少擺位誤差[8，9]。相較于MV 級(jí)的EPID， 雖然兩者得到的都是二維（two-dimensional，2D）圖像，但是kV 級(jí)的數(shù)字模擬定位機(jī)圖像分辨率顯著提升，而患者接受的單次劑量卻小得多。 徐全敬等[10]應(yīng)用模擬機(jī)對(duì)頭頸腫瘤放療患者進(jìn)行位置校準(zhǔn)可以減少定位、擺位中的誤差，是一種有效、便捷的位置驗(yàn)證方法。然而，患者是在模擬定位室通過(guò)骨性標(biāo)記、 解剖結(jié)構(gòu)和造影劑確定放療部位，其與在治療室直接驗(yàn)證還是存在著一定誤差。

1.3 CT 模擬機(jī)引導(dǎo)放療

隨著調(diào)強(qiáng)放療（intensity modulated radiation therapy，IMRT）、 圖像引導(dǎo)放療 （image guided radiation therapy，IGRT）、容積調(diào)強(qiáng)放療（volume modulation arc radiotherapy，VMAT）等放療技術(shù)的開(kāi)展，放療CT 模擬機(jī)也得到快速發(fā)展， 特別是大孔徑CT 模擬機(jī)，解決了以往乳腺托架等大型放療固定裝置不能進(jìn)行CT定位的問(wèn)題。 借助CT 模擬機(jī)高密度分辨率，并能提供無(wú)組織重疊的橫斷面圖像和進(jìn)行冠狀面和矢狀面圖像重建的功能， 醫(yī)生以計(jì)劃CT 影像為基準(zhǔn)圖像，根據(jù)圖像的骨性標(biāo)志和解剖結(jié)構(gòu)對(duì)放療患者治療中心進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，尋找準(zhǔn)確治療中心[11]。 楊波等[12]通過(guò)鼻咽癌和宮頸癌患者放療計(jì)劃射野中心復(fù)位分析表明，通過(guò)CT 模擬機(jī)復(fù)位有效保證了擺位精度。 陳成等[13]使用Control Scan 和位置數(shù)據(jù)計(jì)算的方法，可以精確確定含標(biāo)記點(diǎn)CT 層面的位置。 雖然借助CT模擬定位機(jī)對(duì)等中心位置驗(yàn)證，可以全面了解腫瘤的形狀、位置、大小和腫瘤與周圍危及器官，有利于確定準(zhǔn)確的靶區(qū)的照射點(diǎn)與范圍，但是其臨床應(yīng)用受臨床醫(yī)生與操作技師的主觀判斷影響。 CT 模擬機(jī)和X 射線模擬機(jī)同屬于非在線引導(dǎo)，就成像質(zhì)量與準(zhǔn)確度方面來(lái)說(shuō)CT 模擬機(jī)明顯好于X 射線模擬機(jī)。

1.4 錐形束CT 引導(dǎo)放療

基于非晶硅探器的錐形束CT （cone beam CT，CBCT），通過(guò)X 射線球管圍繞放療患者做環(huán)形數(shù)字成像，通過(guò)計(jì)算機(jī)重建后獲得三維（three-dimensional，3D）CBCT 圖像， 對(duì)CBCT 圖像與定位圖像比較獲得治療擺位誤差。 目前，CBCT 按照射線質(zhì)分為kV 級(jí)CBCT 與MV 級(jí)CBCT，kV 級(jí)主要以瓦里安OBI 系統(tǒng)與醫(yī)科達(dá)X 射線容積成像系統(tǒng)（X-ray volumetric imaging，XVI）為代表；MV 級(jí)以西門(mén)子為代表。 kV 級(jí)CBCT 治療與驗(yàn)證不同源，MV 級(jí)CBCT 治療與驗(yàn)證同源；kV 級(jí)相較于MV 級(jí)圖像分辨率高、信噪比和成像劑量上明顯優(yōu)于MV 級(jí)，然而由于驗(yàn)證與治療不同源，kV 級(jí)CBCT 必須定期做等中心校準(zhǔn)。 岳丹等[14]研究表明，kV 級(jí)CBCT 能夠明顯減少鼻咽癌放療擺位中的線性和旋轉(zhuǎn)誤差，提高了放療的精確度。孫麗等[15]借助OBI 系統(tǒng)分析肺部腫瘤大分割放療分次內(nèi)誤差產(chǎn)生的原因，通過(guò)改進(jìn)相關(guān)因素可以減少分次內(nèi)擺位誤差。 彭倩等[16]運(yùn)用CBCT 分析認(rèn)為靠近腫瘤治療中心位置設(shè)定參標(biāo)記點(diǎn)，有助于減少擺位誤差對(duì)患者治療的影響。上述研究結(jié)果可見(jiàn)CBCT 在放療患者中對(duì)質(zhì)量控制與質(zhì)量保證起到關(guān)鍵性作用。貫士闊等[17]運(yùn)用CBCT 分析患者體質(zhì)量指數(shù)對(duì)擺位誤差影響，表明過(guò)輕患者和肥胖患者應(yīng)適當(dāng)增加臨床靶區(qū)（clinical target volume，CTV）至PTV 的外擴(kuò)邊界。 孟怡然等[18]運(yùn)用CBCT 對(duì)直腸癌放療患者不同固定方式的擺位誤差分析可見(jiàn)采用負(fù)壓真空墊固定雙下肢法比自制泡沫腳墊固定雙腳踝法的精確度更高。王瑋等[19]認(rèn)為保乳術(shù)后放療中擺位誤差是相對(duì)穩(wěn)定的，前期連續(xù)5次CBCT 掃描作為擺位誤差校正頻次較為合適。CBCT 不但可以測(cè)量放療擺位誤差，評(píng)估不同固定方式優(yōu)劣，還可以為擺位誤差糾正方式與應(yīng)用頻次進(jìn)行分析。 目前，其仍然是放療擺位誤差測(cè)量的金標(biāo)準(zhǔn)。

2 基于超聲引導(dǎo)放療

3D B 超輔助放療定位， 通過(guò)獲取的病灶超聲圖像，實(shí)時(shí)高精度對(duì)患者病灶組織進(jìn)行定位。 雖然B 超對(duì)軟組織分辨率高，具有灰階的切面圖像，能夠準(zhǔn)確定位病灶和測(cè)量其大小的優(yōu)勢(shì)；但是其在腫瘤放療中應(yīng)用也存在比較明顯缺陷，比如超聲圖像由于缺乏電子密度， 無(wú)法通過(guò)放療計(jì)劃系統(tǒng)（treatment planning system,TPS）直接計(jì)算劑量分布，需要融合其他定位圖像進(jìn)行靶區(qū)勾畫(huà)和劑量計(jì)算[20]；成像視野小，靶區(qū)周圍危及器官監(jiān)測(cè)不完整， 缺乏患者輪廓和體表信息，該技術(shù)運(yùn)用影響因素較多，需專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，臨床應(yīng)用范圍局限[21，22]。 目前，在放療中B超引導(dǎo)少有報(bào)道，其主要應(yīng)用在粒子植入和放療輔助膀胱測(cè)定中。

3 紅外定位系統(tǒng)引導(dǎo)放療

紅外定位系統(tǒng)通過(guò)在患者頭頸肩面膜上安裝紅外反光定位球進(jìn)行定位CT 掃描，將掃描獲得的數(shù)據(jù)傳入TPS 中，通過(guò)TPS 計(jì)算出反光定位球在計(jì)劃坐標(biāo)系下的坐標(biāo)， 從而得到反光定位球與治療中心之間的幾何位置關(guān)系。 治療時(shí)，紅外跟蹤系統(tǒng)將實(shí)時(shí)測(cè)量出反光定位球在治療坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，并根據(jù)計(jì)劃時(shí)得到的幾何位置關(guān)系實(shí)時(shí)計(jì)算出擺位誤差。筆者研究發(fā)現(xiàn)在線紅外定位系統(tǒng) （on-line infrared positioning system，OPS）能夠準(zhǔn)確反映反光定位球的位置移動(dòng)情況，其在鼻咽癌中應(yīng)用能夠減小患者擺位誤差，進(jìn)而減少危及器官受量[23，24]。 也有研究表明[25，26]，OPS 結(jié)合腹部加壓可減小肝癌患者放療中的腫瘤呼吸運(yùn)動(dòng)度和提高治療時(shí)的擺位精度；OPS 配合改進(jìn)型腹板可以減少患者放療中左右及頭腳方向的擺位誤差。雖然紅外定位系統(tǒng)應(yīng)用可以減少患者擺位誤差，但是由于反光定位球位置必須固定在患者的固定膜上，不能完全體現(xiàn)患者真實(shí)體位變化，易受固定膜變形和患者體質(zhì)量指數(shù)變化的影響，因此導(dǎo)致其應(yīng)用比較局限，而且需要每日對(duì)等中心進(jìn)行校準(zhǔn)。

4 光學(xué)表面成像引導(dǎo)放療

光學(xué)表面成像是利用激光相機(jī)掃描物體，通過(guò)從TPS 中提取的患者體表3D 模型與患者的激光相機(jī)掃描影像進(jìn)行匹配，用圖像落差來(lái)反映擺位誤差，是一種無(wú)電離輻射非侵入性驗(yàn)證技術(shù)，成像速度快，治療師可直接在治療室內(nèi)進(jìn)行擺位調(diào)整?，F(xiàn)有研究表明光學(xué)表面成像在引導(dǎo)擺位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)放療分次間和分次內(nèi)運(yùn)動(dòng)、減少CBCT 掃描頻次及評(píng)估呼吸門(mén)控等方面具有優(yōu)勢(shì)[27，28]。近幾年，中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)光學(xué)表面成像在腫瘤放療中應(yīng)用較為關(guān)注。 李譚譚等[29]研究表明光學(xué)表面成像與CBCT 兩種方式確定乳腺癌治療中心與模擬定機(jī)具有一致性，可見(jiàn)在CBCT 圖像引導(dǎo)基礎(chǔ)上使用無(wú)輻射的光學(xué)表面成像驗(yàn)證位置信息是安全可靠的。然而需要注意的是光學(xué)表面在乳腺癌治療中應(yīng)用需要考慮成像配準(zhǔn)易受患者外輪廓變形的影響，特別是保乳術(shù)后患者的乳腺松弛位置變化的影響。付秀根等[30]研究表明，光學(xué)表面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在兩組胸部腫瘤擺位誤差有較好的相關(guān)性， 相關(guān)系數(shù)在X、Y、Z 軸分別為0.79、0.62、0.53。 通過(guò)配合呼吸門(mén)控技術(shù)可以最大程度提高光學(xué)表面成像匹配精度。 葉峰等[31]研究表明，光學(xué)表面成像與CBCT 在腹部腫瘤擺位誤差測(cè)量在X、Y 和Z 方 向 的 相 關(guān) 系 數(shù) 分 別 為0.628、0.858、0.682。 楊露等[32]研究表明，借助光學(xué)表面成像引導(dǎo)放療患者擺位能夠減少擺位誤差。 就目前應(yīng)用來(lái)說(shuō)，光學(xué)表面成像系統(tǒng)用于引導(dǎo)放療擺位有較高精度和穩(wěn)定性，在擺位誤差監(jiān)測(cè)方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

5 基于MRI 引導(dǎo)放療

X 射線成像的放療定位及校位設(shè)備不但對(duì)軟組織成像質(zhì)量較差，還會(huì)導(dǎo)致患者受到額外照射。 利用磁共振成像引導(dǎo)放療（magnetic resonance imagingguided radiotherapy，MRIgRT） 既能為醫(yī)生提供清晰的軟組織結(jié)構(gòu)影像，又能進(jìn)行可視化腫瘤和危及器官的定位，還能避免患者受到不必要的輻射。 現(xiàn)有研究[33～35]表明，MRIgRT 時(shí)，需要評(píng)估磁場(chǎng)存在的影響。MRIgRT 能夠提供清晰的軟組織對(duì)比度和任意組織層面成像功能，近年來(lái)中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的關(guān)注度越來(lái)越高。Seregni M 等[36]研究表明磁化率引起的失真通常小于系統(tǒng)相關(guān)的失真，但仍然不可忽略，幾何失真會(huì)降低MRIgRT 的療效。Weygand J 等[37]對(duì)30 例肝臟患者的研究結(jié)果表明，MRIgRT 可以在線監(jiān)測(cè)肝臟運(yùn)動(dòng)。 由于在放療中MRI 與CT 圖像進(jìn)行配準(zhǔn)運(yùn)算及TPS 的校正，不可避免地會(huì)引入系統(tǒng)誤差，治療時(shí)需要評(píng)估系統(tǒng)誤差范圍。 總之，MRIgRT 可實(shí)現(xiàn)更精確的腫瘤定位，為放療患者帶來(lái)更好的療效。

6 小結(jié)

目前，影像引導(dǎo)放療的技術(shù)革新在一定程度上使得放療精度提高一個(gè)臺(tái)階。數(shù)字模擬機(jī)、CT 模擬機(jī)作為非在線校位方式相比于EPID、光學(xué)表面成像、B 超和MRI 有明顯缺點(diǎn)。 光學(xué)表面成像作為放療擺位檢測(cè)裝置和評(píng)估工具，可以在提高治療準(zhǔn)確度同時(shí)減少患者CBCT 應(yīng)用次數(shù)。就現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，CBCT 依然是腫瘤放療圖像引導(dǎo)金標(biāo)準(zhǔn)。如果能解決CBCT 圖像分辨率問(wèn)題可能為放療帶來(lái)新的革命，MRIgRT 作為新型引導(dǎo)技術(shù)將來(lái)可能取代CBCT 位置，借助影像技術(shù)發(fā)展放療患者PTV 外放可能會(huì)進(jìn)一步縮小。