圖像引導(dǎo)無標(biāo)記實(shí)時(shí)腫瘤定位方法研究進(jìn)展

鄢鳙烜，紀(jì)樹泰，王徹，龐皓文，劉盛平

（1.重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054；2.西南醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 放療科，四川 瀘州 646000）

放射治療過程中，由于呼吸運(yùn)動(dòng)、器官充盈等對(duì)腫瘤位置的影響，會(huì)降低分次內(nèi)放療精度、增加劑量不確定性［1-4］。相對(duì)于擴(kuò)展靶體積、設(shè)法減少運(yùn)動(dòng)和呼吸門控技術(shù)三種減少腫瘤位移影響的方法［5］，實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)管理通過實(shí)時(shí)腫瘤定位、計(jì)算未來腫瘤位置（從圖像采集到機(jī)械校正需要時(shí)間，因此需要預(yù)測(cè)腫瘤未來位置）和機(jī)械校正（改變放射源位置、形狀或調(diào)整治療床）三個(gè)步驟保證實(shí)際治療射線與計(jì)劃中始終高度重合，實(shí)現(xiàn)更快的劑量跌落、更高的放療精度、更好地保護(hù)危及器官［6］。實(shí)時(shí)腫瘤定位作為腫瘤實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)管理的關(guān)鍵步驟得到廣泛研究?，F(xiàn)有的實(shí)時(shí)腫瘤定位方法有建立體表-體內(nèi)腫瘤關(guān)聯(lián)模型、植入電磁應(yīng)答器和圖像引導(dǎo)等［7-10］。本文將對(duì)基于圖像引導(dǎo)的無標(biāo)記實(shí)時(shí)腫瘤定位方法進(jìn)行綜述。

1 無標(biāo)記圖像引導(dǎo)實(shí)時(shí)腫瘤定位方法

采集圖像的裝置通常集成在直線加速器（LA）上或安裝在治療室內(nèi)。有研究者采用在腫瘤內(nèi)部或附近區(qū)域植入標(biāo)記物并利用KV 級(jí)X 片對(duì)腫瘤位置進(jìn)行追蹤，如早期的射波刀（CyberKnife）系統(tǒng)，為滿足立體定向放射治療（SBRT）對(duì)精度的要求，利用體表和體內(nèi)的標(biāo)記物建立體表-體內(nèi)腫瘤運(yùn)動(dòng)模型，通過追蹤體表標(biāo)記物預(yù)測(cè)體內(nèi)腫瘤位置［11］，但有研究表明呼吸相移對(duì)其治療誤差存在影響，需訓(xùn)練患者緩慢呼吸以降低誤差［12］。此外，對(duì)標(biāo)記物材料、植入位置也有較高要求，標(biāo)記物植入過程存在侵入性程序，可導(dǎo)致氣胸和潛在的慢性阻塞性肺疾病加重［13-14］，甚至有研究發(fā)現(xiàn)標(biāo)記物在患者體內(nèi)遷移的情況［15］。為克服以上問題，研究者們引入了無標(biāo)記方法。

1.1 基于實(shí)時(shí)圖像驗(yàn)證（EPID）系統(tǒng)

EPID 圖像是在機(jī)架對(duì)面安裝EPID 板以獲取LA 產(chǎn)生的MV 級(jí)射線影像，由于圖像輪廓與射線一致，也被稱為BEV（Beam's-eye view）圖像。EPID 圖像質(zhì)量較差，需要利用算法對(duì)腫瘤位置進(jìn)行確定，ROTTMANN 等［16］提出一種多區(qū)域無標(biāo)記算法追蹤肺部腫瘤并用一個(gè)平均運(yùn)動(dòng)振幅10 mm 的肺部模型測(cè)試算法，結(jié)果顯示：與專家操作的手動(dòng)追蹤相比，該方法在模型中誤差小于1 mm，在回顧性分析的臨床病例中其誤差小于2 mm。2013 年ROTTMANN 等又與悉尼大學(xué)KEALL 教授合作提出了一種基于軟組織定位的STiL（soft tissue localization）算法的EPID 實(shí)時(shí)腫瘤追蹤方法，追蹤精度達(dá)到亞毫米級(jí)［17］。2014 年BRYANT 等［18］用4D-CT 重建MV 級(jí)DRR 圖像，再與SBRT 過程中連續(xù)采集的BEV 圖像配準(zhǔn)的方法，計(jì)算相似性度量并找到使該度量最大化的空間變換作為校正參數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)SBRT 無標(biāo)記腫瘤位置追蹤。該方法在呼氣末階段獲得最大的配準(zhǔn)精度，其誤差低于1 mm，在圖像大小為512×384情況下的配準(zhǔn)時(shí)間為200 ms，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱D像裁剪可將配準(zhǔn)時(shí)間縮短到4 ms 左右。

基于EPID 圖像的無標(biāo)記引導(dǎo)方法盡管比不使用實(shí)時(shí)圖像引導(dǎo)獲得了更佳的治療精度，但受限于較低的圖像質(zhì)量，在一些身體部位或角度下采集到的圖像并不能滿足實(shí)時(shí)腫瘤定位要求。RICHTER 等［19］的研究顯示在無標(biāo)記情況下，僅有47%的射束使用EPID 可用于肺部腫瘤追蹤。

1.2 基于 KIM（kilovoltage intrafraction monitoring）系統(tǒng)

基于KIM 圖像的無標(biāo)記實(shí)時(shí)圖像引導(dǎo)放療是在病人放療過程中利用機(jī)載式（安裝在LA 的機(jī)架上）或固定式（安裝在天花板或地板上）的X 球管與相應(yīng)的平板探測(cè)器獲取KV 級(jí)X 光圖像，通常由兩對(duì)互成一定角度的共面［20］或非共面［21］KIM成像設(shè)備組成，或者采用機(jī)載錐形束CT（CBCT）在特定角度采集X 光圖像，相較于EPID 圖像，KIM 圖像具有更好的空間分辨率，但來自骨骼結(jié)構(gòu)的遮擋會(huì)導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)用時(shí)腫瘤位置追蹤困難，為了克服骨性遮擋，研究者提出了雙能法和短弧重建成像法。

1.2.1 雙能法 雙能法［22］是利用組織對(duì)高能光子和低能光子衰減的不同程度來增強(qiáng)軟組織分辨率，獲得兩種能量下的X 光片后執(zhí)行加權(quán)對(duì)數(shù)減法去除骨骼以創(chuàng)建第三張突出軟組織的圖像，雙能法比單能成像更清晰地顯示腫瘤［23］。倫敦癌癥研究所MENTEN 等［24］研究證實(shí)了用于產(chǎn)生雙能量圖像的X 射線光譜分離的重要性，同時(shí)指出用該方法進(jìn)行實(shí)時(shí)無標(biāo)記追蹤的成功率受腫瘤位置、大小、成像射線角度等的影響。

1.2.2 短弧重建成像法（SATT）為克服骨性遮擋，SHIEH 等［25］提出了短弧重建成像法。該方法首先進(jìn)行4D-CBCT 掃描，在4D-CBCT 圖像中摳出腫瘤模型，并將其像素值置0，在圖像上表現(xiàn)為黑色“空洞”結(jié)構(gòu)；然后結(jié)合呼吸檢測(cè)設(shè)備，采集機(jī)架運(yùn)動(dòng)9 度短弧中相同的呼吸相位上的KV 圖像；將采集到的KV 圖像與摳出腫瘤后的4D-CBCT 生成的DRRs 圖像相減，獲得弱化骨性結(jié)構(gòu)、突出腫瘤的圖像，實(shí)現(xiàn)腫瘤位置追蹤。

然而機(jī)架旋轉(zhuǎn)需要一定時(shí)間（6～9 s）來采集短弧上的KV 圖像，導(dǎo)致其時(shí)間分辨率不高，因此不適用于實(shí)時(shí)腫瘤位置追蹤。2017 年SHIEH 等［26］的團(tuán)隊(duì)在上述方法基礎(chǔ)上提出一種從4D-CBCT 捕捉基線移動(dòng)和運(yùn)動(dòng)模式變化方面更加穩(wěn)健的框架，同時(shí)引入貝葉斯方法，提高時(shí)間分辨率，結(jié)果顯示其追蹤誤差的均值為1.6～2.9 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.6～1.5 mm。與不采用無標(biāo)記腫瘤追蹤方法的標(biāo)準(zhǔn)方法相比在任意方向上均得到改善，且這種改善在頭腳（SI）方向上最為顯著。

1.3 基于MRI-Linac 系統(tǒng)

基于KIM 圖像的方法存在額外輻射劑量，可能提高諸如皮膚燒傷等確定性傷害或誘發(fā)癌癥等非確定性傷害的風(fēng)險(xiǎn)［27］。此外，在軟組織分辨能力上X 光圖像表現(xiàn)并不理想。DE BRUIN 等［28］的研究表明在低對(duì)比度、腫瘤邊界模糊的KV 圖像中會(huì)導(dǎo)致模板匹配方法的三維無標(biāo)記腫瘤跟蹤誤差明顯增加。MRI 成像具有軟組織分辨能力強(qiáng)、多序列功能成像、無骨性遮擋、無額外輻射劑量、任意平面成像等優(yōu)點(diǎn)。2008 年LAGENDIJK 等提出將MRI 與LA 相結(jié)合的方法對(duì)引導(dǎo)放射治療［29］，并在2009 年展示了其原型機(jī)［30］。

除荷蘭之外，澳大利亞、加拿大和美國也進(jìn)行了MRI 引導(dǎo)的實(shí)時(shí)腫瘤定位方法研究，相關(guān)研究主要面臨以下挑戰(zhàn)：①污染電子和次級(jí)電子在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生電子返回效應(yīng)（ERE）和洛倫茲力擾動(dòng)（LFP），導(dǎo)致劑量分布變差，皮膚劑量升高［31］。②LA 與MRI 的相互干擾。通常MRI 是工作在具備電磁屏蔽的空間中，由于LA 的存在導(dǎo)致磁場(chǎng)均勻性下降、干擾RF 線圈，進(jìn)而影響MRI圖像質(zhì)量；而MRI 磁場(chǎng)的存在又對(duì)LA 施加影響，導(dǎo)致其無法正?？煽康剡\(yùn)行或降低電子束治療精度和效果［32］。③由于磁場(chǎng)對(duì)電離室的影響為LA的質(zhì)量控制和質(zhì)量保證帶來挑戰(zhàn)［33］。

針對(duì)以上問題，研究者們給出了相應(yīng)的一些解決方案，如LINEY 等［31，34］采用平行于射束的磁場(chǎng)以降低LFP 和ERE 效應(yīng)的影響；LAGENDIJK等［35］采用加強(qiáng)電磁屏蔽，WEE 等［36］采用60 Co做放射源以減少M(fèi)RI 與加速器之間的相互干擾。針對(duì)磁場(chǎng)對(duì)電離室的影響，可以通過降低磁場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)。一種具有前景的解決方案是在算法上采用壓縮感知成像，利用磁共振信號(hào)稀疏特性減少采樣，以提高成像速度。目前這一技術(shù)已在心臟電影成像這種需要快速磁共振成像的場(chǎng)景中得到應(yīng)用和發(fā)展［37］。此算法在MRI 引導(dǎo)的腫瘤定位方法中的應(yīng)用將有望進(jìn)一步降低磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2 總結(jié)與展望

本文分別介紹了基于EPID 圖像、KIM 圖像和MRI-Linac 圖像引導(dǎo)的無標(biāo)記實(shí)時(shí)腫瘤定位方法，對(duì)三種方法主要參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，見表1。

表1 三種方法的比較

EPID 圖像成像利用放療中的射線成像，速度最快，無額外照射劑量，但圖像質(zhì)量較差，不適用于部分部位或角度；KIM 圖像空間分辨率高，成像速度一般，軟組織分辨力不強(qiáng)，需要對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)處理以去除骨性結(jié)構(gòu)干擾，而且會(huì)給病人帶來額外輻射劑量；MRI-Linac 圖像具有優(yōu)秀的軟組織分辨率、多種序列功能成像、任意平面成像等多種優(yōu)勢(shì)，在引導(dǎo)無標(biāo)記腫瘤定位中具有較好的發(fā)展?jié)摿Γ沁€需要提高成像速度、解決對(duì)電離室的影響導(dǎo)致MRI-Lineac 系統(tǒng)質(zhì)量控制和保證困難等問題；目前為止，EPID 與KIM 方法的相較于MRI-Linac 更成熟，MRI-Linac 則有更大的發(fā)展?jié)摿?。此外，三種方法在使用中均存在相應(yīng)的禁忌癥，如體內(nèi)植入了金屬支架或安裝了心臟起搏器則無法使用，因此并不能完全替代其他自適應(yīng)放療方式。事實(shí)上，在實(shí)際的應(yīng)用中，無標(biāo)記圖像引導(dǎo)放療過程通常結(jié)合了兩種或多種定位手段對(duì)腫瘤位置進(jìn)行追蹤，例如將本文提到的三方法與呼吸檢測(cè)等其他實(shí)時(shí)放療引導(dǎo)方法相結(jié)合、或者三者相互結(jié)合，以進(jìn)一步保證放療精度。