【我的文章】图像引导放射治疗研究及其发展
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原创声明：本文为本人原创文章，未经本人和丁香园肿瘤版许可，请勿转载或摘编。
题目名称:图像引导放射治疗研究及其发展
作者：fishtigers
全文内容：
一、图像引导放射治疗的必要性
三维适形放疗和调强放疗通过高度适形照射减少正常组织受照体积,改进剂量分布,以达到较高的治疗增益比。但是，放疗过程中的一些不确定性因素影响肿瘤实际照射剂量的分布,造成肿瘤脱靶和(或)危及器官损伤增加。其一: 肿瘤和周围正常器官组织的位移，包括治疗间位移和治疗中位移。治疗间位移主要指靠近消化系统和泌尿系统的器官,随着胃肠道、膀胱的状态及患者体重的改变有不同程度位移。治疗中位移主要指照射中呼吸运动、心脏跳动和不自主的肌肉收缩对胸、腹部器官的影响 [1]。其二：摆位误差是影响放疗精度的重要因素，即使是固定较好的头颈部肿瘤也不例外[2]。不可靠的摆位设备、CT与治疗床之间形状的不一致以及不同材料造成缓冲能力的不一致,使患者的摆位和计划体位之间存在系统误差。由于体表划痕的宽度和技术员的因素,使每天患者的治疗体位与计划体位存在随机误差。其三：有可能出现在影像诊断和计划阶段及实际治疗阶段的错误资料传送以及设计、标志或治疗辅助物如补偿物、挡块和制动系统的位置错误。如果器官运动、变形和各种误差使肿瘤（靶区）及危及器官偏离射野，将会出现肿瘤的欠剂量和危及器官的过剂量照射。为解决这些问作者单位:250117济南,山东省肿瘤防治研究院 题，将放射治疗机与成像设备结合在一起,在治疗时采集有关的图像信息,确定治疗靶区和重要结构的位置、运动,并在必要时进行位置和剂量分布的校正，这称为图像引导放射治疗(image-guided radiotherapy , IGRT)［3］ 。IGRT旨在减少放疗间靶区位移误差和摆位误差，监测和校正放疗时肿瘤和正常组织运动引起的误差，实时监测肿瘤或其标志物。
二、IGRT研究
IGRT是在国外刚刚开始的新技术，它的发展是以图像引导设备的发展为基础的，目前临床应用的图像引导设备状况代表了IGRT的现状。
1.电子射野影像系统 电子射野影像系统(electronic portal imaging device，EPID)是当射线束照射靶区时，采用电子技术在射线出射方向获取图像的工具。基于非晶硅平板探测器的EPID可用较少的剂量获得较好的成像,具有体积小、分辨率高,灵敏度高、能响范围宽等优点,并且是一种快速的二维剂量测量系统 ，既可以离线校正验证射野的大小、形状、位置和患者摆位，也可以直接测量射野内剂量。EPID应用能量为兆伏（megavoltage，MV）的X线，摄野片骨和空气对比度都较低，而且骨的对比度比空气的低，软组织显像不清晰，一些靶区校正需结合内植标志才能进行[4]，这也激发了直线加速器上能量为千伏（kilovoltage,kV） 的X线成像设备的发展。
2. kV级X线摄片和透视 诊断X线的能量范围是30～150KV，1cm厚的骨和空气对比度都很高，并且骨的对比度比空气的高。因此，有许多kV级 X线摄片和透视设备与治疗设备结合在一起的尝试。有的把kV级X线球管安装治疗室壁上，有的安装在直线加速器的机架臂上。Shirato等[5]报道，在治疗室内安装四套X线成像系统，无论直线加速器的机架臂如何旋转，都可以进行持续的立体监测。用金豆植入体内作为基准标志，应用治疗室内的X线透视系统实时跟踪标志，是监测治疗时肿瘤和正常组织运动的有效方式。安装在直线加速器机架臂上的单球管X线成像系统只有在机架臂旋转的过程中才能获得这些结构的三维信息。这些设计都是用于定位骨性结构或基准标志。kV级X线摄片较清晰，足以辨认这些结构,但是难以检测放疗过程中软组织的相对形态变化。
赛博刀(Cyber-knife)系统就是使用治疗室内两个交角安装的kV级X线成像系统等中心投照到患者治疗部位，根据探测到的金属标志的位置变化，或者根据拍摄的低剂量骨骼图像与先前储存在计算机内的图像比对，以便决定肿瘤的正确位置，并将数据输送至控制加速器的计算机，具有6个自由度运动功能的机械臂随时调整6MV-X照射束的方向，从非共面的不同角度照射肿瘤，机械臂非常灵活是该系统的突出优点 [6]。
3.kV CT 诊断用kV级CT经过了多年的发展，扫描速度快，成像清晰，具有较高的空间分辨率和密度分辨率,软组织显像清晰。因此，在治疗室安装kV级CT引导放疗也是一种很好的选择。模拟机、kV级CT和直线加速器都安装在治疗室内，共用一张床，患者通过床沿轨道移动在这三者间转换，进行在线校正，几何精度可达1mm。但该系统不是在治疗位置成像，无法对治疗时的肿瘤运动进行实时监测管理。而传统KV级CT的环形探测器排列和相对小的孔径决定了其不可能直接安装在加速器上，系统占用空间很大。
4.锥形束CT 近年发展起来的基于大面积非晶硅数字化X射线探测板的锥形束CT（cone beam CT,CBCT）具有体积小，重量轻，开放式架构的特点，可以直接整合到直线加速器上。机架旋转一周就能获取和重建一个体积范围内的CT图像。这个体积内的CT影像重建后的三维病人模型可以与治疗计划的病人模型匹配比较并得到治疗床需要调节的参数。根据采用的放射线能量的不同分为两种：采用KV级X射线的kV-CBCT和采用MV级X射线的MV-CBCT。
（1）kV-CBCT 平板探测器的读数装置和探测器结合在一起,本身就具有提高空间分辨率的优势，因此kV-CBCT可以达到比传统的CT更高的空间分辨率, 密度分辨率也足以分辨软组织结构，可以通过肿瘤本身成像引导放疗。而且该系统的射线利用效率高,患者接受的射线剂量少,使它可以作为一种实时监测手段。因此，CBCT具有在治疗位置进行X线透视、摄片和容积成像的多重功能，对在线复位很有价值，成为目前IGRT开发和应用的热点［7］。但其密度分辨率尤其是低对比度密度分辨率和先进的CT比还有差距；同时平板探测器CT 系统中散射的影响较大。
（2）MV-CBCT Pouliot 等[8]用低剂量MV-CBCT获得无脉冲伪影的三维图像,融合计划KV CT图像并进行位置校正，椎管和鼻咽融合精确到1mm。Nagawaka等[9]也应用MV-CBCT进行在线校正。MV-CBCT的X线源和治疗束同源是其优点。而且MV X线具有旁向散射少的特点，适用于评估精确电子密度，故可以同时作为剂量学监测设备。但与KV-CBCT相比，它在图像分辨率、信噪比和成像剂量上处于明显劣势[10]。
无论采用哪种CT技术，如果在CT扫描和加速器照射时加进了时间变量因素，就称为四维放射治疗（four dimensional radiotherapy，4DRT），相应的加进了时间变量因素的CT扫描，称之为四维CT（four dimensional computed tomography，4DCT）。4DCT扫描截取患者在某一时段内不同时刻的CT扫描序列，图像按相位重建得到该时段内肿瘤和重要器官的3D图像随时间变化的序列。应用4DCT模拟定位，治疗时再应用CBCT获得的肿瘤或重要器官的3D图像与4DCT序列的3D图像比较后的结果，控制加速器进行实时照射，完成4DRT。
5.集成图像系统 引导放疗的成像设备应该同时具备容积显像位置校正和实时靶区监测三维比对的能力。近来KV-MV集成图像引导系统正在研发。这将是一个高度结合的系统，多种成像和放疗设备装在一台机器上，可以根据需要在治疗位置进行实时透视、摄片、容积成像，红外线监测等，并提供限制患者的主动呼吸控制和限制机器的呼吸引导门控等多种模式照射受呼吸运动影响大的肿瘤。但是复杂的成像设备与加速器的结合在机械学上难度加大，制造和维护成本提高。
三、 IGRT发展方向
从图像引导设备的发展过程来看，IGRT在三个方面获得了发展：从离线校正向在线校正发展；从模糊显像向高清晰显像发展；从单一显像向集成显像发展。其目的是通过赋予放疗医师更精确的确定靶区和跟踪肿瘤的能力，以提高肿瘤治疗的精确性和有效性。展望未来，IGRT有望在以下三个方面获得重大进展。
1.剂量引导的放射治疗 现在应用MV X射线的EPID系统已经不是传统意义上的成像设备，同时具有剂量检测设备的作用，显示出剂量引导放疗设备的雏形。MVCT未来的发展方向是提高软组织显像的清晰度和精准的实时剂量监测能力，照射时进行照射野与计划照射野的形状、剂量的双重比对校正。
2.动态跟踪治疗系统 在图像设备的实时引导下，通过治疗床的运动或照射野的运动,使照射野与运动的肿瘤(靶区)保持相对位置固定，达到动态适形。这种治疗模式对于受呼吸、心跳等影响较大的胸腹部肿瘤的放射治疗具有重要的意义。外放的边界进一步缩小，没有了设备门控间期的停滞时间，照射时间将缩短，机器的利用率提高，放疗将更加精确、高效。
3.***图像引导放射治疗 上述讨论的图像引导技术重点在于减少PTV边界，而以正电子发射断层(PET) 、单光子发射断层(SPECT) 和核磁波谱(MRS)等为代表的功能影像技术将进一步深化我们对靶区的认识，有望对靶区中功能和代谢程度不同的区域实施个体化的剂量分布，并可能在肿瘤很早期发现病变，用很小的照射野和较低的照射剂量就可以达到根治。但功能影像的缺点是空间分辨率低，未来的图像引导设备既要采集肿瘤的三维解剖结构和运动信息，又要采集肿瘤的生物信息，如乏氧及血供、细胞增殖、凋亡、周期调控、 癌基因和抑癌基因改变、 侵袭及转移特性等，并和计划信息进行比对校正，即***图像引导放射治疗。
四、结语
IGRT是多学科交叉的产物，近年来很多先进的成像设备和技术用于引导放疗。以CBCT为代表的在线容积成像技术可以通过多个途径确定和跟踪靶区并引导放疗，大大提高了IGRT的精度。IGRT的优势在于提高肿瘤的控制的同时又减少对正常组织的损伤，确保形状复杂并处于运动状态的肿瘤投照准确的剂量，是调强放射治疗得到精确实施的技术保证，有望进一步提高肿瘤放疗疗效。
参考文献：
1 李万龙,于金明.关于非小细胞肺癌放射治疗靶区的研究.中华肿瘤杂志,2004,26(9):513-516
2 Eleftheria A，Arjan B，Cornelis PJ et al.Adequate margins for random setup uncertainties in head-and-neck IMRT. Int J Radiat Oncol Biol Phys,2005 ,61: 938-944.
3 于金明.二十一世纪的放射肿瘤学.中华肿瘤杂志, 2002, 24: 521-525
4 Hans CJ,Marjolein JH，Peter PJ,et al.Appplication of the action level (nal) protocol to correct for prostate motion based on electronic portal imaging of implanted markers. Int J Radiat Oncol Biol Phys,2005,61: 969-983.
5 Shirato H, Shimizu S, Kunieda T, et al.Physical aspects of a real-time tumor-tracking system for gated radiotherapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2000,48: 1187-1195.
6 Yu C, Main W, Taylor D, et al. An anthropomorphic phantom study of the accuracy of Cyberknife spinal radiosurgery. Neurosurgery, 2004,55:1138-1149.
7 Jaffray DA, Siewerdsen JH, Wong JW, et al. Flat-panel cone-beam computed tomography for image-guided radiation therapy.Int J Radiat Oncol Biol Phys,2002,53:1337-1349.
8 Pouliot J, Bani-Hashemi A, Chen J, et al.Low-dose megavoltage cone-beam CT for radiation therapy.Int J Radiat Oncol Biol Phys,2005 ,61:552-560.
9 Nakagawa K, Aoki Y, Tago M, et al. Megavoltage CT-assisted stereotactic radiosurgery for thoracic tumors: original research in the treatment of thoracic neoplasms.Int J Radiat Oncol Biol Phys,2000,48:449-457.
10 Groh BA, Siewerdsen JH, Drake DG, et al. A performance comparison of flat-panel imager-based MV and kV cone-beam CT.Med Phys,2002,29: 967-975.
题目名称:图像引导放射治疗研究及其发展
作者：fishtigers
全文内容：
一、图像引导放射治疗的必要性
三维适形放疗和调强放疗通过高度适形照射减少正常组织受照体积,改进剂量分布,以达到较高的治疗增益比。但是，放疗过程中的一些不确定性因素影响肿瘤实际照射剂量的分布,造成肿瘤脱靶和(或)危及器官损伤增加。其一: 肿瘤和周围正常器官组织的位移，包括治疗间位移和治疗中位移。治疗间位移主要指靠近消化系统和泌尿系统的器官,随着胃肠道、膀胱的状态及患者体重的改变有不同程度位移。治疗中位移主要指照射中呼吸运动、心脏跳动和不自主的肌肉收缩对胸、腹部器官的影响 [1]。其二：摆位误差是影响放疗精度的重要因素，即使是固定较好的头颈部肿瘤也不例外[2]。不可靠的摆位设备、CT与治疗床之间形状的不一致以及不同材料造成缓冲能力的不一致,使患者的摆位和计划体位之间存在系统误差。由于体表划痕的宽度和技术员的因素,使每天患者的治疗体位与计划体位存在随机误差。其三：有可能出现在影像诊断和计划阶段及实际治疗阶段的错误资料传送以及设计、标志或治疗辅助物如补偿物、挡块和制动系统的位置错误。如果器官运动、变形和各种误差使肿瘤（靶区）及危及器官偏离射野，将会出现肿瘤的欠剂量和危及器官的过剂量照射。为解决这些问作者单位:250117济南,山东省肿瘤防治研究院 题，将放射治疗机与成像设备结合在一起,在治疗时采集有关的图像信息,确定治疗靶区和重要结构的位置、运动,并在必要时进行位置和剂量分布的校正，这称为图像引导放射治疗(image-guided radiotherapy , IGRT)［3］ 。IGRT旨在减少放疗间靶区位移误差和摆位误差，监测和校正放疗时肿瘤和正常组织运动引起的误差，实时监测肿瘤或其标志物。
二、IGRT研究
IGRT是在国外刚刚开始的新技术，它的发展是以图像引导设备的发展为基础的，目前临床应用的图像引导设备状况代表了IGRT的现状。
1.电子射野影像系统 电子射野影像系统(electronic portal imaging device，EPID)是当射线束照射靶区时，采用电子技术在射线出射方向获取图像的工具。基于非晶硅平板探测器的EPID可用较少的剂量获得较好的成像,具有体积小、分辨率高,灵敏度高、能响范围宽等优点,并且是一种快速的二维剂量测量系统 ，既可以离线校正验证射野的大小、形状、位置和患者摆位，也可以直接测量射野内剂量。EPID应用能量为兆伏（megavoltage，MV）的X线，摄野片骨和空气对比度都较低，而且骨的对比度比空气的低，软组织显像不清晰，一些靶区校正需结合内植标志才能进行[4]，这也激发了直线加速器上能量为千伏（kilovoltage,kV） 的X线成像设备的发展。
2. kV级X线摄片和透视 诊断X线的能量范围是30～150KV，1cm厚的骨和空气对比度都很高，并且骨的对比度比空气的高。因此，有许多kV级 X线摄片和透视设备与治疗设备结合在一起的尝试。有的把kV级X线球管安装治疗室壁上，有的安装在直线加速器的机架臂上。Shirato等[5]报道，在治疗室内安装四套X线成像系统，无论直线加速器的机架臂如何旋转，都可以进行持续的立体监测。用金豆植入体内作为基准标志，应用治疗室内的X线透视系统实时跟踪标志，是监测治疗时肿瘤和正常组织运动的有效方式。安装在直线加速器机架臂上的单球管X线成像系统只有在机架臂旋转的过程中才能获得这些结构的三维信息。这些设计都是用于定位骨性结构或基准标志。kV级X线摄片较清晰，足以辨认这些结构,但是难以检测放疗过程中软组织的相对形态变化。
赛博刀(Cyber-knife)系统就是使用治疗室内两个交角安装的kV级X线成像系统等中心投照到患者治疗部位，根据探测到的金属标志的位置变化，或者根据拍摄的低剂量骨骼图像与先前储存在计算机内的图像比对，以便决定肿瘤的正确位置，并将数据输送至控制加速器的计算机，具有6个自由度运动功能的机械臂随时调整6MV-X照射束的方向，从非共面的不同角度照射肿瘤，机械臂非常灵活是该系统的突出优点 [6]。
3.kV CT 诊断用kV级CT经过了多年的发展，扫描速度快，成像清晰，具有较高的空间分辨率和密度分辨率,软组织显像清晰。因此，在治疗室安装kV级CT引导放疗也是一种很好的选择。模拟机、kV级CT和直线加速器都安装在治疗室内，共用一张床，患者通过床沿轨道移动在这三者间转换，进行在线校正，几何精度可达1mm。但该系统不是在治疗位置成像，无法对治疗时的肿瘤运动进行实时监测管理。而传统KV级CT的环形探测器排列和相对小的孔径决定了其不可能直接安装在加速器上，系统占用空间很大。
4.锥形束CT 近年发展起来的基于大面积非晶硅数字化X射线探测板的锥形束CT（cone beam CT,CBCT）具有体积小，重量轻，开放式架构的特点，可以直接整合到直线加速器上。机架旋转一周就能获取和重建一个体积范围内的CT图像。这个体积内的CT影像重建后的三维病人模型可以与治疗计划的病人模型匹配比较并得到治疗床需要调节的参数。根据采用的放射线能量的不同分为两种：采用KV级X射线的kV-CBCT和采用MV级X射线的MV-CBCT。
（1）kV-CBCT 平板探测器的读数装置和探测器结合在一起,本身就具有提高空间分辨率的优势，因此kV-CBCT可以达到比传统的CT更高的空间分辨率, 密度分辨率也足以分辨软组织结构，可以通过肿瘤本身成像引导放疗。而且该系统的射线利用效率高,患者接受的射线剂量少,使它可以作为一种实时监测手段。因此，CBCT具有在治疗位置进行X线透视、摄片和容积成像的多重功能，对在线复位很有价值，成为目前IGRT开发和应用的热点［7］。但其密度分辨率尤其是低对比度密度分辨率和先进的CT比还有差距；同时平板探测器CT 系统中散射的影响较大。
（2）MV-CBCT Pouliot 等[8]用低剂量MV-CBCT获得无脉冲伪影的三维图像,融合计划KV CT图像并进行位置校正，椎管和鼻咽融合精确到1mm。Nagawaka等[9]也应用MV-CBCT进行在线校正。MV-CBCT的X线源和治疗束同源是其优点。而且MV X线具有旁向散射少的特点，适用于评估精确电子密度，故可以同时作为剂量学监测设备。但与KV-CBCT相比，它在图像分辨率、信噪比和成像剂量上处于明显劣势[10]。
无论采用哪种CT技术，如果在CT扫描和加速器照射时加进了时间变量因素，就称为四维放射治疗（four dimensional radiotherapy，4DRT），相应的加进了时间变量因素的CT扫描，称之为四维CT（four dimensional computed tomography，4DCT）。4DCT扫描截取患者在某一时段内不同时刻的CT扫描序列，图像按相位重建得到该时段内肿瘤和重要器官的3D图像随时间变化的序列。应用4DCT模拟定位，治疗时再应用CBCT获得的肿瘤或重要器官的3D图像与4DCT序列的3D图像比较后的结果，控制加速器进行实时照射，完成4DRT。
5.集成图像系统 引导放疗的成像设备应该同时具备容积显像位置校正和实时靶区监测三维比对的能力。近来KV-MV集成图像引导系统正在研发。这将是一个高度结合的系统，多种成像和放疗设备装在一台机器上，可以根据需要在治疗位置进行实时透视、摄片、容积成像，红外线监测等，并提供限制患者的主动呼吸控制和限制机器的呼吸引导门控等多种模式照射受呼吸运动影响大的肿瘤。但是复杂的成像设备与加速器的结合在机械学上难度加大，制造和维护成本提高。
三、 IGRT发展方向
从图像引导设备的发展过程来看，IGRT在三个方面获得了发展：从离线校正向在线校正发展；从模糊显像向高清晰显像发展；从单一显像向集成显像发展。其目的是通过赋予放疗医师更精确的确定靶区和跟踪肿瘤的能力，以提高肿瘤治疗的精确性和有效性。展望未来，IGRT有望在以下三个方面获得重大进展。
1.剂量引导的放射治疗 现在应用MV X射线的EPID系统已经不是传统意义上的成像设备，同时具有剂量检测设备的作用，显示出剂量引导放疗设备的雏形。MVCT未来的发展方向是提高软组织显像的清晰度和精准的实时剂量监测能力，照射时进行照射野与计划照射野的形状、剂量的双重比对校正。
2.动态跟踪治疗系统 在图像设备的实时引导下，通过治疗床的运动或照射野的运动,使照射野与运动的肿瘤(靶区)保持相对位置固定，达到动态适形。这种治疗模式对于受呼吸、心跳等影响较大的胸腹部肿瘤的放射治疗具有重要的意义。外放的边界进一步缩小，没有了设备门控间期的停滞时间，照射时间将缩短，机器的利用率提高，放疗将更加精确、高效。
3.***图像引导放射治疗 上述讨论的图像引导技术重点在于减少PTV边界，而以正电子发射断层(PET) 、单光子发射断层(SPECT) 和核磁波谱(MRS)等为代表的功能影像技术将进一步深化我们对靶区的认识，有望对靶区中功能和代谢程度不同的区域实施个体化的剂量分布，并可能在肿瘤很早期发现病变，用很小的照射野和较低的照射剂量就可以达到根治。但功能影像的缺点是空间分辨率低，未来的图像引导设备既要采集肿瘤的三维解剖结构和运动信息，又要采集肿瘤的生物信息，如乏氧及血供、细胞增殖、凋亡、周期调控、 癌基因和抑癌基因改变、 侵袭及转移特性等，并和计划信息进行比对校正，即***图像引导放射治疗。
四、结语
IGRT是多学科交叉的产物，近年来很多先进的成像设备和技术用于引导放疗。以CBCT为代表的在线容积成像技术可以通过多个途径确定和跟踪靶区并引导放疗，大大提高了IGRT的精度。IGRT的优势在于提高肿瘤的控制的同时又减少对正常组织的损伤，确保形状复杂并处于运动状态的肿瘤投照准确的剂量，是调强放射治疗得到精确实施的技术保证，有望进一步提高肿瘤放疗疗效。
参考文献：
1 李万龙,于金明.关于非小细胞肺癌放射治疗靶区的研究.中华肿瘤杂志,2004,26(9):513-516
2 Eleftheria A，Arjan B，Cornelis PJ et al.Adequate margins for random setup uncertainties in head-and-neck IMRT. Int J Radiat Oncol Biol Phys,2005 ,61: 938-944.
3 于金明.二十一世纪的放射肿瘤学.中华肿瘤杂志, 2002, 24: 521-525
4 Hans CJ,Marjolein JH，Peter PJ,et al.Appplication of the action level (nal) protocol to correct for prostate motion based on electronic portal imaging of implanted markers. Int J Radiat Oncol Biol Phys,2005,61: 969-983.
5 Shirato H, Shimizu S, Kunieda T, et al.Physical aspects of a real-time tumor-tracking system for gated radiotherapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2000,48: 1187-1195.
6 Yu C, Main W, Taylor D, et al. An anthropomorphic phantom study of the accuracy of Cyberknife spinal radiosurgery. Neurosurgery, 2004,55:1138-1149.
7 Jaffray DA, Siewerdsen JH, Wong JW, et al. Flat-panel cone-beam computed tomography for image-guided radiation therapy.Int J Radiat Oncol Biol Phys,2002,53:1337-1349.
8 Pouliot J, Bani-Hashemi A, Chen J, et al.Low-dose megavoltage cone-beam CT for radiation therapy.Int J Radiat Oncol Biol Phys,2005 ,61:552-560.
9 Nakagawa K, Aoki Y, Tago M, et al. Megavoltage CT-assisted stereotactic radiosurgery for thoracic tumors: original research in the treatment of thoracic neoplasms.Int J Radiat Oncol Biol Phys,2000,48:449-457.
10 Groh BA, Siewerdsen JH, Drake DG, et al. A performance comparison of flat-panel imager-based MV and kV cone-beam CT.Med Phys,2002,29: 967-975.
