临森医学工程2012年5月第19卷第5期 ・833・ ・综述・ 图像引导放射治疗技术的研究现状与发展 田菲 ,徐子海 ,王华峰。 (t桂林医学院研究生学院,广西桂林541004; 解放军303医院放疗中心,广西南宁530021; ,南方医科大学基础医学院,广东广州510515) 【摘要】 图像引导放射治疗(IGRT)是继三维适形放射治疗及调强适形放射治疗之后发展起来的又一新技术,是当前放射 治疗技术研究的热点。IGRT由最初的电子射野影像系统到4D-CT,通过在线校正及自适应放疗等方式实现图像引导放射治疗, 在临床应用上得到飞速的发展。本文主要介绍了这项先进技术的国内外的研究与发展状况。 【关键词】 图像引导;放射治疗;呼吸控制;肿瘤 中图分类号:R730.55 文献标识码:B doi:10.3969 ̄.issn.1674-4659.2012.05.0833 Research Situation and Development of the Image-guided Radiotherapy Technique TIAN Fei l。XU Zihai 2,WANG Huafeng 3 (Graduate School of Guilin Medical Unwe ̄ity,Guilin 5410O4,Chino,.2Radiation Center of the People Liberation A rmy 303 Hospital, Nanning 530021,Chino;JSchool ofBasic Medico2 Sciences in Southern Medico2 Unwe ̄ity,Guangzhou 51o515,Chino; Corresponding autho ̄WA NG Huafeng,E-mail:gzccm@fimmu.co 【Abstract】 As a research focus of the current mdiothempy technique,image—guided mdiothempy(IGRT)is another new technique following hte three dimensional conformal radiotherapy and intensity modulation ardiotherapy.Image-guided ardiotherapy develops from hte electronic beam video system to beam 4D-CT,and realizes hte image—guided radiotherapy by online calibration and adaptive radiotherapy, which gets rapid deve ̄pmem of clinical applications.This paper mainly introduces the research and the development ofthe advanced  ̄chnique at home and abroad. 【Key words]Image-ugided;Radiothempy;Breath control;Tumor 放射治疗作为治疗恶性肿瘤的一个重要手段,对于许多癌 误差,应用各种影像设备在患者治疗前、治疗中对肿瘤及肿瘤 症可以产生较好治疗效果。20世纪9O年代后期,随着计算机 周围的正常组织器官进行实时监控,并能做出相应的调节,达 技术、医学影像技术(如CT、MRI)、图像处理技术的迅猛发 到精确治疗。 展,放射治疗技术从简单的传统二维常规放疗发展到高精尖的 1.1电子射野影像系统电子射野影像系统(electronic portal 立体定向放射治疗,在三维适形放射治疗技术基础上,迅速发 imaging device,EPID)由射野射片技术发展而来,由射线探测 展成三维适形调强放射治疗(3D eonformal intensity modulated 和射线信号的计算机处理两部分组成。当直线加速器发出的射 radiation therapy,IMRT)及图像引导放射治疗(image—guided 线照射到靶区时,在加速器机头对侧的成像装置可获取数字图 radiation therapy,IGRT)。IGRT的出现使得放疗效果明显提 像。射野影像系统在位置验证方面有四种形式[1],即治疗前校 高。正常组织损伤大大减少,从而使患者的生活质量明显提 正患者摆位、离线评价患者摆位、治疗前校正射野、治疗间校 高。图像引导放射治疗(IGRT)被美国及欧洲同道评价为放射 正患者摆位,可同时实现离线校正和在线校正。EPID是研究最 肿瘤学史上的一次变革,是21世纪放射治疗技术的主流。 早的.也是最简单的快速二维剂量测量系统。 1.2 kv级×线摄影和透视kV级x线摄片和透视设备常与治 1图像引导放射治疗的研究现状 疗设备结合在一起。它是在体内植入金豆,并以此作为标志. 图像引导放射治疗(IGRT)是在三维放疗技术的基础上加 同时可用治疗室内的x线透视系统实时追踪该标志.以监测治 入了时间因数后形成的一种四维放射治疗技术,在治疗过程中 疗时肿瘤和周围正常组织的运动情况。这些设备的有机结合在 考虑到了摆位误差、呼吸动度、靶区剂量分布等因素所造成的 一起满足了:①摆位重复性好;②不增加摆位次数:③设备与 治疗计划配合度高;④治疗时间短,总时间不超过15 min四个 收稿日期:2012—0l—Ol 修回日期:2012—03—22 临床要求。kV级x线摄片能较清晰的辨认肿瘤及周围正常组 基金项目:广西壮族自治区科技计划项目(桂科工:201140003B一84) 织结构。但是对放疗过程中软组织的相对形态变化难以检测。 作者简介:田菲(1986一),女,唐山市人,在读硕士,师从徐子海 赛博刀(Cyber—knife)是拥有图像引导系统、高精确性追 教授,主任医师,主要研究方向:胸腹肿瘤的放射治疗技术。 踪系统及直线加速器系统三位一体的立体定向放射治疗机。它 ’通讯作者:王华峰.E-mail:gzccm@fimmu.corn 是在一个有6个自由度的灵活性强的机械臂上.安装了一个6 ・834・ 临京医学工程2olz ̄5月第l9卷第5期 MV—X线的轻型直线电子加速器,可随时调整照射束的方向, 2图像引导放射治疗的实现方式 从不同角度照射肿瘤。通过x线摄像机及x线影像处理系统 2.1在线校正在线校正(online correction) 追踪靶区位置,执行治疗计划,以达到对肿瘤的精确治疗。 指在单次治疗 中,患者摆位后采集X线或CT图像,通过与计划cT图像或 1.3 kV级CT kV级cT具有扫描速度快,成像清晰。较高的 计划cT图像生成的DRR图像对比.确定摆位误差或射野位置 空间、密度分辨率等特点。将模拟机、kV级CT和直线加速器 误差后进行修正,然后再采集图像重复上述过程,直至误差在 都安装在治疗室内,三者之间通过滑轨相连接,患者可在一台 允许范围后实施照射。 治疗床上完成三者间的转换以实现在线校正,其精确度可达1 2.2自适应放疗自适应放疗(ART)是使用图像数据、剂量 nllTi。但该系统不能在治疗时成像。无法对治疗时的肿瘤运动 以及其他信号作为反馈进而对治疗计划进行修正l6_。在最初数 进行实时追踪。由于kV级CT的探测器排列为环形,孔径也相 次治疗过程中观测患者器官或剂量的变化,根据这些变化情况 对较小,所以不能将kv级CT直接安装在加速器上。 改进放射治疗计划。影响剂量分布的因素有:肿瘤生长速率、 1.4锥形束CT锥形束CT具有重量轻、体积小、架构开放优 正常组织损伤或修复的动力学以及肿瘤乏氧区大小和位置等改 点,可直接整合到医用直线加速器上[23。锥形束cT图像是采 集患者周围不同角度的投射图像重建而成,可在治疗过程中提 供三个旋转和三个平移共六个自由度的摆位误差数据,获取患 者的容积断层图像,利用变形匹配技木实时观察肿瘤及周围组 织器官的形状变化,进行在线校正并保证其精确度。 1.5扇形束CT扇形束CT以螺旋断层放射治疗系统为代表, 它是一个将定位、兆伏级cT扫描、治疗计划、剂量计算和螺 旋照射治疗功能集为一体的调强放疗系统。它采用类似多层螺 旋cT的模式.360度聚焦断层照射肿瘤,使靶区更具适形性. 剂量分布更加均匀。肿瘤周围正常组织得到最大的保护。治疗 前进行CT扫描.确认治疗体位与计划体位一致或误差在允许 范围后进行治疗,以保证治疗的精确性;治疗后可算出肿瘤实 际接收到的剂量,从而调整之后的治疗剂量,以保证治疗剂量 的准确性。该系统应用扇形束CT扫描获得患者治疗前和治疗 中照射范围图像可提供以下信息:①肿瘤及肿瘤周围组织的详 尽信息;②患者体位的治疗前及治疗中的cT验证;③照射后 肿瘤的实际受量重建及在分布E3]。 1.6 CT—on—rail CTVision是西门子公司的CT—on—rail设备的 代表,它是集成的图像引导放疗(IGRT)解决方案,将治疗计 划使用的快速、高对比度诊断CT成像标准引入治疗室。在 CTVision系统中,SOMATOM CT利用滑动机架,可在并行高精 度导轨上滑运,轻松、快速地对治疗床上的患者进行诊断成 像。扫描结束后,CT机架返回至停泊位,其它程序开始运行, 放疗也随之启动。CTVision大大降低了因患者定位和器官运动 造成的外在或内在的不确定性,很好地解决了结构引导放疗和 容积引导放疗。 1.7 4DCT 3DCT加入时间因素称为4DCT。它是截取患者在 某一时段内不同时刻的cT扫描序列.图像按相位重建,得到 随时间变化的该时段内肿瘤和重要器官的3D图像序列。与 3DCT相比,4DCT较好地消除了呼吸运动伪影,不仅能更真实 再现肿瘤的形态.而且能反映肿瘤的运动规律、能根据病人靶 区的运动特征进行个体化的放疗计划设计。将4DCT与放疗结 合即四维放疗(4DRT),4DRT把靶区的体积大小、空间位置和 剂量分布在时间的影响下发生的变化及其对治疗计划的影响考虑 在内,对呼吸运动进行实时追踪并及时调整治疗计划,在照射过 程中实时追踪靶区.及时调整靶区位置和放疗剂量 。4DRT 有助于减少靶区外放边界,实现精确的4D放疗和图像引导放 疗.在提高靶区受照剂量的同时降低正常组织的毒副作用。 变。但目前在治疗过程中仅考虑前者居多[7--8]。根据以接受照 射剂量实际累积情况,调整后续照射剂量,或根据治疗程中所 产生的效果调整靶区大小或处方剂量.实现精确放射治疗。 3图像引导放射治疗的发展方向 IGRT已在以下四个方面获得了巨大发展_9_ 】:①从模糊 图像到高清晰图像:②从单一图像形式到多种图像或信号集 成:③从二维图像到三维图像;④从离线校正到在线实时校 正。从长远来看,IGRT还具有以下发展空间。 3.1实时追踪技术图像设备的引导下,通过照射野或治疗床 的移动,使肿瘤靶区与照射野保持相对位置固定,达到动态追 踪的效果。它可以减少呼吸运动对胸腹肿瘤放疗的影响,外扩 边缘缩小。有效的保护正常器官组织,提高放疗精确度。 3-2多维图像引导多维图像引导不仅能获取对靶区中肿瘤的 运动、变形和退缩情况,还能够获取肿瘤功能和代谢程度不同 的区域等生物信息.如肿瘤乏氧区及血供大小和位置、肿瘤生 长速率、细胞的周期调控、肿瘤的侵袭及转移特性、癌基因和 抑癌基因改变等。将离线校正和在线校正相结合,用较低的照 射剂量和较小的照射野得到更好的治疗效果。 3.3剂量引导放射治疗剂量引导放射治疗(DGRT)在IGRT 的基础上产生,是通过剂量校验工具检测计划剂量和实际照射 剂量之间的误差。DGRT在对比图像数据的同时还要对比治疗 时肿瘤及肿瘤周围正常组织计划中计算出的剂量与实际吸收的 剂量。以便及时调整患者的摆位、优化治疗计划,甚至修改处 方剂量。即在图像引导的同时进行实际照射野与计划照射野的 形状、剂量的双重验证。 3.4离子调强治疗以氖离子为界,带电粒子可分为轻离子 (质子、碳离子等)和重离子(硅离子、氩离子等)。在生物效 应方面.重离子相对生物效应(RBE)高,对肿瘤乏氧细胞的 杀伤力大.对细胞生长周期依赖较小。在物理方面,重离子束 在通过介质时,速度会逐渐降低而损失其能量并形成明显的电 离吸收峰(Bragg)。峰的深浅及宽度均可通过特殊装置调节以 适应大小形状不同的病灶,重离子在体内到达的位置也便于观 察确定。碳离子束拥有比质子更好的物理剂量分布和较高的 RBE值,使照射野的适形性得到进一步提高,在对放射线不敏 感的肿瘤细胞及乏氧肿瘤细胞上也具有很好的治疗效果In-13]。 这正是肿瘤放疗所追求的目标。 综上所述.图像引导放射治疗([GRT)提高了靶区的控 I瞄;京医学工程2012年5月第19卷第5期 ・835・ 制率及放射治疗的精确性,降低T/#瘤周围正常器官及组织受 ment process for prostate cancer[J】.Int J Radiat Oncol Biol Phys 到的损伤。所以说IGRT迅速发展的同时也具有很大的发展空 2000,48(1):289-302. 间.将在临床实际中得到广泛的应用。 【8]Lockman DM,Yah D,Wong J,et .Evaluating target margins achieved by different portal image feedback strategies:aretrospective 参考文献 examination for external beam prostate cancer radiotherapy[J]./nt J [1] 戴建荣,胡逸民.电子射野影像系统【J].中国医学物理学杂志 Radiat OncolBiolPhys,2002,54(2):S182. 1999,16(4):204—208. 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