基于CT-ON-RAIL系統開展的圖像引導自適應放療研究進展

夏邦傳，徐子海，廖福錫，

莫莉，趙書學，廖祖俊，周惠南

解放軍第三零三醫院 放療科，廣西 南寧 530021

自適應放療（Adaptive Radiotherapy，ART）是圖像引導放射治療（Image-Guided Radiotherapy，IGRT）提高和發展延伸后的一種新型放療技術。其治療實施可通過引導圖像（CT、電子射野影像裝置等）評判患者解剖和生理變化，根據患者解剖和（或）生理的變化對照射方式進行修正，也可根據治療過程中的反饋信息（如腫瘤的大小、形態及位置變化），分析分次治療與原計劃設計之間的差異，對治療方案做相應的調整，從而指導后續分次治療計劃的重新設計[1]。這是一種理想的個體化動態治療計劃，是給予特定患者實施特定放療的臨床行為。其目的是提高腫瘤放療的精準性，實現對腫瘤靶區高劑量照射的同時，不擴大照射野，最大限度地減少周圍正常組織受到高劑量照射的可能性，進而降低并發癥的發生概率。

1 ART概念的提出

Mackie等于1993年發表了螺旋斷層治療（HT）設計思路的同時，就從理論上提出了利用其CT影像及劑量重建來修正對患者后續分次治療的設想，這是第一次提及劑量重建和基于治療時CT圖像所獲取信息的ART思想[2-3]。特別是近年來隨著三維適形放療和調強放療的開展，越來越多的研究者發現腫瘤靶區定義的精確性和正常組織器官位置、大小和形狀的改變都會影響到放療的精準性。腫瘤及周圍正常組織在每次治療中和各次治療之間都可隨時間、空間變化而變化。忽視這些變化，將影響到腫瘤的實際照射劑量，造成腫瘤欠照和正常組織損傷增加[4]。因此治療中，考慮到上述不確定因素，放射范圍應包括腫瘤附近一定范圍內的正常組織，即為了確保臨床靶區（CTV）獲得足夠處方劑量，最簡單方法是在CTV外加一個邊界形成計劃靶區（PTV），而這一邊界則必須考慮到患者治療過程中的擺位誤差、器官運動以及器官變形，確保腫瘤組織沒有被漏照或欠照[5]。但這種外加邊界方法同時很有可能會增加正常組織受照射體積，從而引發靶區周圍關鍵器官的放射性反應，進而增加并發癥可能。

再者為患者制定治療計劃時，CTV與PTV的間隙往往是根據群體擺位誤差得到的平均測量結果，但實際上由于個體差異，每位患者的間隙是不盡相同的，因此有必要對間距進行個體化的處理。為了確保在不漏射靶體積條件下最大限度減少外擴邊界。1997年，Yan等[6]提出了ART技術。該技術的運用過程是，自療程開始每個分次治療時獲取患者二維或三維圖像，用離線方式測量每次擺位誤差；根據最初數次的測量結果預測整個療程可能發生的擺位誤差，然后據此調整PTV和CTV的間距，修改治療計劃，按修改后的計劃實施后續分次治療。

近年來，ART技術擴展到了更高層面，如根據患者每個分次實際照射劑量累積情況，調整后續分次照射劑量，或者根據療程中腫瘤對治療的響應情況，調整靶區和（或）處方劑量[6]。因此，ART可理解為一個閉循環的放療過程，能根據治療過程中的圖像檢測系統反饋變化信息，對治療方案做相應調整的治療技術或模式。

圖1分別表示出IGRT和ART的流程圖，從中可發現雖然它們各自的時間順序有所改變，但在獲取患者診斷影像、計劃設計以及治療的基本功能方面是沒有區別的；ART所表現出的復雜性主要在于根據患者影像變化而改變治療計劃的反復循環工作流程上，其中的影像驗證和計劃變換是實時、在線的，就是在線式ART，非實時性的則是離線式ART。

2 ART的研究現狀

圖像引導放療中每分次前、中或之后在許多成像形式和照射技術間所選擇的可能性已經為放療計劃實施提供了新的手段。ART就是其中一個新的發展方向。基于患者四維影像的計劃設計是ART中關鍵性的組成部分之一。本質上，治療計劃設計優化應當是一種四維處理過程。當治療期間擺位和（或）組織器官結構發生變化時，應考慮時間（一維）相位。這些變化也許發生在分次放療內（分次內組織器官或擺位變化）或分次放療間（分次間組織器官或擺位變化）。傳統計劃設計的局限性在于通過采用代表患者的三維輪廓（典型CT圖像）實現了治療計劃的設計，并假定治療期間這種輪廓將得以保持。該方法考慮到了組織器官和（或）擺位可能的改變，導致靶區和（或）敏感器官的外擴邊界增加。然而在一些病例治療中此方法可能足夠，但在靶區覆蓋和正常組織避讓之間也許不能達到最后的權衡，從而可能導致患者總劑量增加。而圖像引導的ART考慮了時間變量的影響。隨著圖像引導及其處理過程的有效性，放療中除實際沉積劑量外還取得了患者體位的時間變化參數，治療計劃優化實質上已獲得一種新變量，即分次間（內）可將時間合并作為可變量之一，從而用于確定如何和什么時候實施對治療的調整[7-8]。目前，ART的優勢主要體現在以下兩種應用中。

2.1 處理擺位誤差和靶區移位

ART是基于校正誤差和補償器官運動兩種作用發展起來的。患者接受分次治療的過程中，身體治療部位的位置和形狀可能發生變化，位于體內的靶區形狀及它與周圍危及器官的位置關系也會發生變化。引起這些變化的原因有3種。

（1）分次治療的擺位誤差。治療擺位的目的在于重復模擬定位時的體位，并加以固定，以期達到重復設計計劃時確定的靶區、危及器官和射野的空間位置關系，保證射線束對準靶區照射。但實際情況是盡管采用各種輔助擺位裝置，并嚴格按照操作規程擺位，擺位誤差仍可能有數毫米、甚至更大。

（2）分次治療間靶區的移位和變形。表現為：① 消化系統和泌尿系統器官的充盈程度顯著影響靶區的位置，如膀胱充盈程度會改變前列腺癌靶區的位置；②隨著療程的持續進行，患者很可能消瘦、體重減輕，這會進行性地改變靶區和體表標記的相對位置；③ 隨著療程的持續進行，腫瘤可能逐漸縮小、變形，靶區和危機器官的相對位置關系發生變化，設計計劃時沒有卷入照射野的危機器官可能卷入。

（3）同一分次中的靶區運動。呼吸會影響胸部（肺、乳腺等）和上腹部器官（肝、胃、胰腺、腎等）的位置和形狀，使它們隨呼吸頻率做周期性運動。心臟跳動也有類似呼吸作用，只是影響范圍較小、程度較輕。另外，胃腸蠕動和血管跳動也會帶動緊鄰的靶區。

針對上述的器官運動和擺位誤差，目前最常用的處理方法是CTV外放一定的間距（margin）、形成內靶區和PTV，間距的寬度足以保證在有靶區運動和擺位誤差情況下，靶區不會漏照。這種處理方法簡單易行，但卻是非常消極，因為它以更大范圍的周圍正常組織、尤其是危及器官的受照為代價。圖像引導的ART減少了器官運動及擺位誤差對治療的影響，減少了PTV的邊界，從而可提高照射劑量，提高腫瘤局控率[9]。

2.2 根據實際照射劑量，調整后續劑量

圖像引導的放射治療系統中，CT影像經電子密度校準后可用于評價解剖結構改變對劑量的影響，因此可通過調整治療計劃隨時優化治療劑量和方案。

2007年的ASTRO會議上，Meeks等報告了他們在頭頸部腫瘤放療時應用可塑性影像登記系統和重新計劃來優化腮腺劑量的研究。其方法[10]是通過患者在每天治療前獲取錐形束CT圖像，確認軟組織的位置，重新計算確定每天給予的照射劑量，利用可塑性影像登記系統登記靶區和感興趣區（ROI），并將每天的照射劑量累加，與初始計劃比較，如果發現大的偏差，重新做計劃，以確保腮腺受到安全劑量照射。結果表明，如果不調整計劃，患者實際接受劑量比處方劑量明顯增加，如果照射17次后調整計劃，右側腮腺在第一計劃中實際接受的劑量和第二計劃中實際接受的劑量累加后與初始計劃沒有統計學差別。

由于放療過程中患者體重變化和腫瘤縮小等原因致使解剖結構的相對位置發生改變，也會導致實際獲得的劑量與初始處方劑量出現偏差。Ahamad等對頭頸部腫瘤患者IMRT中體重下降對腮腺和靶區的影響進行了研究，發現體重每下降10%，同側腮腺所受的平均劑量會增加6.1Gy，＞24Gy和＜30Gy的體積比初始體積高出10%。Rehbinder等研究表明，在IMRT過程中根據ART圖像調整一次計劃，可以使PTV的邊界縮小[11]。

3 基于CT-ON-RAIL系統開展ART的臨床應用

西門子公司的CTVision系統采用ONCOR加速器和大孔徑OPEN CT機在同一治療室內共用一張治療床，CT機可沿導軌移動，稱為CT-ON-RAIL或者IN-ROOM CT。圖像引導放療時，患者擺位后，床面平轉180°后，保持靜止，CT機沿導軌移動做治療部位掃描，根據CT斷層圖像和與計劃CT圖像確定擺位誤差，修正后，CT機退后，床面再轉回進行治療。CTVision系統中所獲得的診斷級定位圖像可實現類似往常一樣的靶區及敏感器官勾畫。同時，這些圖像也可用于與治療時所獲取的日常驗證圖像相關聯，從而予以執行在線或離線式處理。和IGRT的過程類似，ART過程總體上可以分為4步。

3.1 獲取患者定位診斷影像信息

由于CTVision系統配置了高精度的可自轉和公轉的治療床及大孔徑的滑軌CT，因此患者的常規放療定位可以在同一治療室內完成，高精度設計保持病人在CT掃描和治療時位置的一致性。

3.2 治療計劃的產生

將患者在CT-ON-RAIL上獲得的高質量CT圖像傳至計劃系統，設計計劃。通常調強治療多采用共面7野或9野等角度分布，無需避開直接對危及器官的照射，通過治療計劃系統的優化可滿足特定劑量約束條件，在取得靶區劑量均勻性的同時盡可能實現對正常組織的保護。

3.3 日常驗證圖像的獲取

基于CTVision系統的CT-ON-RAIL可獲得患者的驗證CT圖像，從而實現每分次治療對患者位置的驗證。通常驗證CT掃描范圍需小于原始計劃CT影像范圍，以降低不必要的輻射劑量及減少治療占機時間。但為了全程性地回顧各靶區及器官的受照劑量精確對比，采集驗證CT影像條件需與原始計劃CT影像相同。

3.4 ART評估、分析和劑量預測、驗證及其再優化

CT-ON-RAIL所獲取的高質量診斷級圖像可以大大提高擺位精度，最好的軟組織對比度有利于依據實時腫瘤情況進行人工配準。由于采用了與治療計劃相同的CT，無需進行組織電子密度校正，可以方便地進行劑量計算，制定新的治療計劃。

ART的評估主要分為兩種形式：

（1）在線處理過程：基于解剖結構信息，利用在線CT圖像可實施患者的重新擺位。CT-ON-RAIL圖像性能不僅可辨別高對比度組織，如骨，而且也可對軟組織信息予以辨別。運用這些圖像可實施患者擺位的合適調節，一些情況下對擺位偏差進行校正是有必要的。特別是患者擺位中觀察到的內部組織結構和所產生的變化，這也將有助于對分次間解剖學變化給予一定的補救。如靶區、危及器官、骨組織和外部輪廓均相對于另一器官發生移動時，可選擇性對患者重新予以擺位，最初計劃的劑量分布將最能反映出所需擺位的信息[12]。在線性能和過程的有效性不僅提供了圖像引導ART的可能性，而且潛在地提升臨床放療標準的再定義。假如優化算法計算快，且足夠靈活地產生在線計劃，日常“掃描、計劃、再治療”的理想放療流程將最終成為可能。

（2）離線處理過程：應用每天圖像可離線確定每分次治療中日常擺位和組織器官的改變，或一系列分次中影響靶區覆蓋和正常組織避讓情況。例如，在幾分次后通過定義關聯的特定患者所產生的運動級別及其組織器官改變，從而可創建出患者特定的輪廓。同時，對于肺部或頭頸部腫瘤而言，日常圖像有助于實施跟蹤腫瘤的縮小，而幾分次后該腫瘤縮小也許具有重要的臨床意義。每分次治療前所獲取的圖像可用于勾畫出新輪廓和必要的重新劑量計算。為了整體分析計劃的需要，應從多分次角度對治療劑量分布給予疊加，并將總劑量與所期待的計劃劑量分布進行比較。利用日常驗證CT圖像獲取實際患者擺位、組織器官變化、變形圖以及劑量分布，從而確定計劃是否、怎樣和什么時候需要進行調整。調整中可考慮新輪廓的形成以確定感興趣區域和以前所定義組織器官等新外擴邊界[13]。

總之，調整將意味著導致新計劃的創建，稱之為再優化過程。未來隨著更為自動化的在線處理和更加迅速的計算機發展，處理過程中大多數ART技術將實現在線形式。此時數據分析和一定級別的決定權將保留在離線中進行，通過收集足夠信息來予以判定，從而避免影響到患者治療工作量。

事實證明治療前CTVision系統提供了一套方法可獲取患者圖像，并有機會實現圖像配準和患者的重新擺位，因而對在線或離線ART提供了許多解決途徑。其中最有意義的是可根據治療前獲得的CT圖像，考慮到患者位置和解剖學變化后，實際預測出不同階段中每分次治療中患者體內實際所沉積的劑量。對于劑量重建過程，一個基本要求就是采集到患者實時治療時組織結構的CT圖像，理想情況是治療期間采集到該CT圖像。采集圖像與治療之間間隔時間越長，則CT圖像代表精確患者體位的概率會更低。另外，CT圖像提供的CT值作為組織密度的函數，以期實現其劑量精確計算。而這兩點正是CTVision系統CT-ON-RAIL的優勢所在。此外，還可以通過治療前利用采集到的驗證CT圖像，利用計劃能量注量分布計算出沉積到患者體內的劑量，與計劃預設劑量進行對比，實現劑量驗證的目的。

CTVision系統中日常驗證CT可以直接用于評價解剖結構改變對劑量的影響，因此通過調整治療計劃可隨時優化治療劑量和方案。Ramsey等[14]實施ART可做到腫瘤劑量的提升最大化而肺部毒性最小化，肺V20可減少17%～23%。Varadhan等研究證實了利用日常驗證CT圖像實施前列腺自適應計劃，并有效地對膀胱和直腸劑量變化實施了評估，膀胱和直腸最大劑量變化分別為12%和40%[15-16]。Trovo等在乳腺癌治療中通過研究日常驗證CT得到新解剖信息的劑量分布，通過獲得新計劃以確保PTV的精確照射[17]。

4 結語

當放療系統提供了完整的圖像引導時，放療發展已跨入了可實施精確調強放療時代。CTVision系統提供了一種在線方法，實施患者擺位及內部組織器官的日常驗證，能夠實現圖像配準和患者重新擺位。診斷級CT圖像具有足夠對比度，對軟組織和器官進行分辨，從而實現對患者再擺位、重新勾畫圖像輪廓及實施其他自適應過程。離線式中的變化使用了一套自適應軟件工具來執行劑量的重建、圖像再勾畫、日常變形圖中劑量增加以及生成新計劃。新計劃反映了當前患者組織結構及校正治療劑量中所存在的任何差異。在線式的校正明顯需要足夠快、實時地執行，且應包含一些選擇項，如根據劑量和（或）組織結構實現患者的重新定位，基于組織結構變形等日常信息從而能實現計劃的選擇確定[18]。

綜上所述，ART是實現精確放療較好的方法，它可實現對靶區高劑量照射，同時最大限度減少周圍正常組織受高劑量照射概率，可執行劑量完整重建和驗證，進而提升靶區生物等效劑量。但基于圖像引導的ART是一項新興的技術，目前尚未在臨床上普及運用。還存在以下幾個問題：① 不適用于隨機誤差很大、誤差隨時間而改變和分割次數很多的治療；② 并非所有腫瘤在治療過程均適合ART；③根據腫瘤對治療的反應進行的ART，是否會引起亞臨床病灶的劑量不足有待進一步的研究證實。ART中涉及的很多技術（如在線ART、變形算法等）還處于可行性研究階段，還需更多研究和新硬件的發展來推動ART技術的進一步臨床應用。

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