放療模擬發展的綜述

許紅 陳亮 張晶 魯國華

(大連市第三人民醫院放療門診 遼寧大連 116000)

1 沒有放療模擬機之前

放療模擬一直是治療計劃過程中的組成部分。在沒有模擬機的放療早期階段,醫生憑經驗或估計直接在病人身上畫圈或畫線來確定照射范圍,顯然這是非常粗糙的方法。后來設法在片盒或臺面上放置自制的帶有等間距鉛粒的有機玻璃板,在病人體表放置軟鉛絲,在診斷X線機上確定照射范圍。后來因為70年代普及的回轉型鈷60治療機及80年代加速器高精度等中心照射(固定源軸距SSD)的使用,就完全廢棄了僅有粗略入射角及照射距離的借助診斷X線機模擬放療方法。

2 常規放療模擬機(simulator)

依照放療醫技人員需求設計的常規放療模擬機,除了X線生成裝置及X線透視成像系統與診斷X線機基本一致外,其機架完全能模擬回轉型鈷60治療機機架(固定源皮距SSD=60～80cm、固定源軸距SSD=75/80)和加速器機架(固定源皮距SSD和固定源軸距SSD均為100cm)動作;病人平臺與治療床一樣,能上下左右前后平移,也可水平旋轉床座和床面;它的機頭內除了像診斷X線機有矩形遮線器外,還裝有能非對稱開合的井字框,機頭下也可加裝不同的射線調整裝置(如治療機所用的擋塊、楔形板和補償器等)作治療驗證。

常規放療模擬機30年來有許多改進:所有機械運動位移方向及大小均由儀表指針讀數向數碼顯示發展,X線攝影條件智能化自動選擇等;放療模擬機更大的發展是X線攝影完全數字化,類同現代CR、DR診斷X線機一樣,可對模擬后的影像進行處理,如突出肺或骨骼的顯示、精密測量病灶大小等;影像輸出及存檔也由單一的膠片發展為統一的醫學數字影像及傳輸格式文件(DICOM),射野方向觀(BEV)和射線調整裝置驗證影像可通過計算機網絡輸送到放療計劃系統(TPS),能方便而及時地制定、調整放療計劃;模擬現代直線加速器多葉光柵的多拉快門式射野邊框可完全取代放置軟鉛絲,快速方便地定位不規則腫瘤射野;常規放療模擬機還在繼續完善和發展。

然而受攝影成像方法的局限,無論放療模擬機如何發展,它仍主要通過骨形標記、術后銀夾和造影劑確定放療擺位,要通過其他解剖結構幫助定位,放療模擬機必須在成像原理機制方面有根本而全新的變革。

3 CT模擬(CTsimulation)

CT是計算機斷層攝影術(computed tomography,CT)的簡稱,80年代以來它廣泛用于醫學影像學對疾病的診斷,其檢查幾乎可包括人體的任何部位。隨后有人嘗試實現利用常規放療模擬機產生類似CT斷層攝影的設想,由射線濾過技術根據影像增強器的輸出,進行反向投影生成橫向斷面圖像;后來又引進數字技術對圖像經行改進,稱之為模擬機CT(simulatorCT)。它的主要優點是有效掃描野比診斷CT機大(可增加到90cm)缺點是機架為開放式,旋轉速度比診斷CT機慢得多,整個掃描時間需要20min,其圖像重建范圍及速度難以滿足現代放療的需要。

然而CT的數字圖像給放療計劃設計帶來的飛躍進步是不可替代的。多層面的三維影像成為放療計劃系統(TPS)的病人輪廓資料最主要來源,也是放療醫生確定靶區的最基本依據;各種器官組織的不同CT值在TPS中轉換為對應的電子密度,非均勻組織的逐點密度校正提高了放療劑量及其分布的計算精度;三維影像中各種器官組織的體積和精確計算的受照射劑量在TPS中構成了靶區和危及器官組織的劑量體積直方圖,它是三維放療計劃的重要評估工具。

人們開始了CT模擬發展歷程的第一個階段,放療工作人員帶上病人和固定裝置到放射科CT室,在診斷CT機的凹形診斷床上鋪設平板,按放療體位固定病人進行CT掃描,再將掃描影像經不同方法(膠片、磁/光盤,或專用數據線)傳送到放療計劃系統(TPS)中設計計劃系統,通過的計劃系統也可通過治療擺位模擬軟件,檢查治療機頭是否碰及病人和治療床,射束是否穿過治療床金屬主梁和邊框。

在放射科用診斷CT機作放療模擬,除了給放療和CT工作人員帶來諸多不便外,若不使用立體定向裝置,只能得到靶區和危及器官組織中心的層面粗略坐標,其左右前后坐標還需由常規放療模擬機獲取。由于兩次模擬擺位的不完全重復及及常規放療模擬機和診斷CT機激光指示不同的限制,使靶區和危及器官組織中心坐標不夠準確。

人們進入CT模擬發展歷程的第二個階段,放療單位獨立配置診斷CT機,將其凹形診斷床面換為模擬放療的平板床面,與治療室一樣在兩側墻壁和頂壁上安裝激光指示器。它與常規放療模擬機的激光指示器不一樣,其除了能對準及指示治療機射束旋轉中心外,其十字中心受計算機控制能上下左右前后移動,以全方位精確地在CT影像中指示靶區中心,并在病人體表上作出標記。CT掃描影像一般經過局域網傳送到三維放療計劃系統(3D-TPS)中,TPS也能根據放療部位在CT機中設定掃描條件,建立對應的CT值-電子密度數據庫,進一步提高放療劑量及其分布的計算精度。3D-TPS利用三維CT斷層影像計算的靶區和危及器官體積和精確的放療劑量及其分布,得到靶區和危及器官的劑量-體積直方圖,它是三維放療計劃的重要評估工具。3D-TPS還增加了數字重建射線影像(digitally reconstructed radiograph,DRR)功能,把三維CT斷層影像又轉化成為二維透視圖像,DRR相當于常規放療模擬機拍攝的定位片或驗證片,但可疊加醫生在CT斷層影像上勾畫的靶區及危及器官,從而構成三維定位方法和CT模擬的基礎。3DTPS設計的射束交匯中心坐標,還可通過CT影像和這個激光指示器及其先前作出的體表標記,驗證放療體位的重復性,病人呼吸給靶區中心坐標帶來的影響。

這樣,采用診斷CT機、計算機控制可三維移動十字中心的精密活動激光指示器和具有DRR功能的三維放療計劃系統(3D-TPS)就構成了本質上的放療模擬。這套CT模擬系統較為經濟適用,十分方便有效的療后觀察和和及時修改計劃,使常規放療模擬機在輔助放療計劃及實施中的霸主地位受到了極大的沖擊。但它使用的CT機畢竟是為診斷而設計的,70cm孔徑尺寸使有些放療體位(如乳腺照射)受到限制,觀察肺呼吸給靶區照射帶來的影響還不及常規放療模擬機簡便,也無從消除肺呼吸對靶區邊緣劑量的不確定性。

CT機制造廠家專門為放療模擬定制的CT模擬機,使CT模擬發展歷程步入了第三個階段。專用CT模擬機的第一個基本特點是CT機孔徑尺寸擴大到85cm,該尺寸完全能滿足乳腺照射、“叉腰”、“蛙退”、“馬蹲”體位需求,但這要提高X線球管熱容量,增加散熱率。第二個基本特點是加大掃描視野(Scan Field of View,SFOV)至60cm,重建視野可加大至70cm,寬大視野對肥胖病人選擇入射角更自如,劑量計算更準確。第三個基本特點是采用多排探測器螺旋掃描,快速連續掃描不僅最大限度減少了呼吸偽影,更重要的是為門控放療創造了條件。第四個基本特點是增加了虛擬模擬工作站,精確而快速的圖像重建獲得了“三維假體”(virtual patient),不光形成數字重建射線影像DRR,還能顯示數字重組射線影像DCR(digitally composited radiograph,DCR),它可去除某些相互疊加的組織結構,更好的觀察感興趣的器官。自動快速重建器官及身體立體輪廓并隨意旋轉平移及縮放,在病人離開后可隨時虛擬模擬,從任意角度觀察病人的外觀及內部器官。有的工作站甚至可具備三維治療計劃系統功能。第五個基本特點是CT掃描床不僅像治療床為平板型,而且承重剛度也與之相匹配,200kg身體在掃描/治療處下沉不得超過2mm。此外,進床的平行度要求也比診斷CT機提高許多。

4 磁共振模擬(MRIsimulation)

MRI技術對具有相似電子密度的軟組織有較強的顯示能力并能區分其特征,此外由MR參數還可對腫瘤進行優化觀察和評估。對于中樞神經系統部位腫瘤以及軟組織肉瘤和盆腔腫瘤,MRI成像遠優于CT成像。

引入MR影像作腫瘤定位由來已久。最早通常是醫生用肉眼在MRI上觀察疾病范圍,手工將數據轉移至模擬膠片或CT掃描片上,這種方法易產生解釋和轉譯錯誤;后來用放大投影系統將MRI影像疊加到模擬膠片或CT掃描片上,費時而效果差;現在較先進的方法是采用計算機將MRI影像與CT影像進行融合處理,使MRI顯現的腫瘤圖像與CT的電子密度信息結合起來,它在現代放療計劃系統中發揮出獨特的作用。

但MRI掃描和CT掃描兩次體位及器官運動位置所存在差異,使得融合不可能完全在同一層面上,從而影響到靶區和危及器官劑量及其分布的對應位置精度。目前MRI廠家已制造出磁共振模擬機,它由開放式低場MR主機、具有DRR功能的虛擬模擬工作站以及一套病人對準或標記系統等組成。并投入頭頸部、腹部及盆腔腫瘤的模擬定位和治療計劃制定應用中。

MR模擬的基本過程是:首先將病人按放療要求擺位,選擇合適的參數進行MR掃描,然后通過將MR數據傳輸到虛擬模擬工作站,完成幾何失真校正、三維數字圖像重建及顯示,由醫生確定射野等中心、腫瘤靶區和危及器官等,通過電子密度校正或變換后,選擇合適參數生成DRR圖像,進行射野的設置和修改,最后將結果打印出來或通過網絡傳輸到其他設備。

人們正在進行高場MR模擬的探索,因為在高場下MR功能測定(f-MRT)和頻譜(MRS)分析已進入分子影像學,對腫瘤亞臨床病灶和一些危及器官組織的確定很有幫助。

5 正電子發射斷層掃描(PET)與CT的結合為放療模擬帶來新途徑

無論是使用了30多年的常規放療模擬機還是正在普及的CT模擬,它們都是對按實體腫瘤影像勾畫物理靶區,進入分子影像學后將放療模擬帶入確定生物靶區的時代。近年來正電子發射(PET)與CT的結合,為放療模擬確定生物靶區(BTV)帶來新途徑。

就腫瘤檢測而言,CT、MRI提供以解剖為主的圖像,而PET卻能獲得以功能、代謝為主的生物學影像。其優勢主要表現在高度的靈敏性(放射生物指針能達到1012mol量級,即微微克分子濃度水平上,分析生物系統不會擾動其體系);從特異性分析,腫瘤細胞相對于正常組織葡萄糖代謝,惡性增長大量攝入18氟標記脫氧葡萄糖(18FDG),18FDG-PET成像有助于改善腫瘤的發現、分期、治療計劃及評估;PET另一個潛在應用是探查抗放射性的缺氧細胞,因而PET的分子生物學信息可直接影像到現今放療最重要的環節-治腫瘤靶區的勾畫上。

PET在靈敏性和特異性方面比CT高,但在圖像分辨率上則遠不如CT。現在兩者廠家不僅在將圖像進行軟件融合,也將兩臺機器作出“硬件融合”,特別結合放療需求研制出PET／CT。它將PET和CT分開1米安裝,中間增加床板支撐體,可確保同一平床伸長2米以上,承重400kg時床面下沉<2mm,從根本上保證了放療掃描圖像水平的一致性。當然還有與特定的治療計劃系統在線聯機,實現數據共享與圖像的準確融合。建立這樣的分子生物學結合解剖影像學的平臺,在腫瘤放療領域無疑顯現出巨大的臨床價值和發展潛力。