圖像引導放射治療的研究現狀和進展

王 穎，于金明

(1.重慶大學附屬腫瘤醫院/重慶市腫瘤研究所/重慶市腫瘤醫院 400030；2.山東省腫瘤醫院，濟南 250117)

腫瘤的精準放療是應用各種技術或設備使靶區高度適形，以確保治療中處方劑量最大限度地集中于腫瘤區域內，而周圍正常器官得到最大保護。圖像引導放療(image-guided radiotherapy，IGRT)是在三維適形放射治療(three-dimensional conformal radiotherapy，3D-CRT)基礎上加入了時間因素，充分考慮了靶區和周圍正常器官在治療過程中的運動和放療分次間的擺位誤差，在患者治療前、治療中利用各種先進的影像設備對腫瘤和危及器官進行實時監控，并能根據其位置和形狀變化調整治療條件使照射野緊緊“追隨”靶區，以使腫瘤完全在治療計劃系統所設計的劑量范圍內，實現真正意義上的腫瘤精確放療。IGRT涉及放療過程中的所有環節，包括掃描、勾畫、計劃、定位、傳輸等各方面，目的是減少靶區不確定因素，將治療過程中靶區和周圍正常器官隨時間而運動的全部信息整合到放療計劃中，提高放療過程的精確性，推動個體化醫療的發展。

本文重點介紹IGRT流程中勾畫、計劃、定位和傳輸4個環節的研究現狀和進展，希望所得見解能幫助臨床醫生更好地了解IGRT技術、流程和前沿發展，提高放療安全傳輸和患者治療療效，并通過更合理地使用來降低醫療成本。

1 勾 畫

在IGRT中，圖像預處理是靶區勾畫和治療計劃的首要環節，CT圖像質量在這一環節中至關重要。劑量越高，圖像噪點越少，就越容易識別低對比度結構，但額外輻照劑量可能就會越高，故推薦采用CT低劑量掃描協議。隨著圖像技術的發展，最優CT數據采集模式配合其他成像模態[如正電子發射斷層掃描(positron emission tomography，PET)[1]]，能夠使放療醫師更加精準地勾畫靶區及正常組織，這是現代放療技術發展的重要進步。

靶區勾畫的不一致將會造成腫瘤輻照劑量的不足，增加局部區域復發和惡化風險，相比放療其他環節中的偏差影響更為嚴重。半自動和自動勾畫的臨床逐步應用，減少了人工勾畫，增加了靶區勾畫的一致性。臨床靶區體積(clinical target volume，CTV)外擴一定邊界得到計劃靶區體積(properplanning target volume，PTV)，可確保腫瘤區域滿足處方劑量；圖像引導則可把外擴邊界減小到幾個毫米，進一步降低了正常組織的輻照劑量。

傳統CT圖像中的呼吸運動偽影也是影響靶區勾畫精準度的主要原因。4DCT技術的臨床應用可以使臨床醫生查看容積CT圖像隨時間的變化，探查分次內腫瘤運動，更好地評估肺功能和預測治療反應。

2 計 劃

IGRT計劃環節中影響放療治療療效的因素較多，比如劑量分割模式、加速器種類、放療技術、電子束能量和劑量/劑量率、照射野數和跳數(MU)等。放療計劃的品質也是影響局部腫瘤控制和癌癥患者存活的重要因素。利用機器學習基于之前的治療計劃進行建模可進行計劃質量的評估[2]。自動計劃(如基于先驗知識計劃設計、多目標優化等)可以改善計劃質量一致性、提高計劃品質和工作流程，比如自動學習的束流角度優化和基于個體患者特定解剖結構的束流強度自動優化。

以PET、單光子發射計算機斷層掃描(single photon emission computer tomography，SPECT)和核磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)等為代表的功能影像技術[3]的發展，進一步深化了對靶區的認識，通過計劃的個體優化設計，有望對靶區中功能和代謝程度不同的腫瘤區域(如乏氧區域)實施個體化劑量強度分布的生物引導放射治療(biologically guided radiation therapy，BGRT)。IMRT的發展使劑量分布的物理適形達到了相當理想的水平，而基于功能影像的生物引導放療則開創了一個生物適形的新紀元，物理適形和生物適形緊密結合的多維適形治療必將成為未來腫瘤放療的發展方向。

3 定 位

放射影像是目前標準的擺位驗證方法，它可以在二維、三維或四維空間中顯示腫瘤和危及器官的位置、位移和形變，實現束流和靶區的位置校準、劑量驗證及自適應。

靶區定位這一環節目前臨床常用的影像設備有kV級X線片、電子射野影像系統(electronic portal imaging device，EPID)、kV級CT、錐形束CT(cone beam CT，CBCT)。kV級X線片可以稱為IGRT雛形，是最早IGRT實現方式，是二維驗證。kV級X線片對骨性標志較清楚，但難以檢測治療過程中軟組織形態的相對變化，且與放射治療不同源，需與治療設備結合在一起，目前臨床不常采用。EPID是附著在加速器治療設備上的一個附件，可以驗證射野的大小、位置、形狀和患者擺位準確性，是二維驗證，也是較為簡單實用的IGRT實現方式。kV級CT引導放射治療與加速器同床，可提供6個自由度的擺位偏差，是三維驗證，但無法進行治療時的腫瘤實時監測管理。基于二維大面積非晶硅數字化X射線探測板的CBCT，是錐形束投照計算機重組斷層影像設備，可直接整合到治療加速器上，X射線發生器以較低射線量旋轉360°獲取投照體CT圖像，之后重建獲得三維圖像，并將與治療計劃的患者模型配準比較，得到治療床擺位偏差，必要時移床。根據射線能量不同，CBCT分為kV級CBCT和MV級CBCT。kV級CBCT空間分辨率高，但密度分辨率較低；MV級CBCT與治療束同源，但在圖像分辨率、信噪比方面處于劣勢。隨著研究深入，適應性過濾可顯著降低MV級CBCT圖像噪聲，加之探測器本身材料的改進，使得探測效率峰值更接近治療用射線能量，MV級CBCT圖像不斷得到改善。

除了上面講到的圖像質量外，靶區定位這一環節還依賴于成像頻率。增加IGRT頻次能確保劑量的準確傳輸，減小擺位誤差，縮小CTV到PTV的外擴邊界。成像頻率增加，器官吸收的額外輻照劑量也增加。一般來說，二維成像劑量主要集中在皮膚區域，三維和四維斷層掃描劑量幾乎均勻分布在整個成像體積內。為此，在治療計劃設計時應充分考慮成像劑量及其分布，物理師可以通過改變射束方向、視野、射束數量、管電壓、電流(mA)或mAs /幀等，合理優化MU和控制點，保證圖像質量的同時控制成像劑量為治療劑量的2%以內。對于兒科患者，除了考慮成像類型外，還需要考慮掃描模式，例如，可采用CBCT頭部模式掃描胸、腹部或骨盆的圖像，避免表面器官被輻照。

隨著技術的發展，動態跟蹤治療系統也逐漸完善并應用于臨床[4]。在圖像設備的實時引導下，通過治療床的運動或照射野的運動，使照射野與運動的腫瘤靶區保持相對位置固定，達到動態適形。這種治療模式對受呼吸、心跳等影響較大的胸腹部腫瘤的放療具有重要意義。外放邊界進一步縮小，沒有了設備門控期的停滯時間，照射時間縮短，機器的利用率提高，放療將更加精確和高效。

無輻照劑量的光學成像技術是放療領域新發展起來的一種基于可見光的表面掃描系統[5]，在IGRT中同樣有著重要的角色。光學成像技術使用新的基于患者表面跟蹤的掃描方法，將實時體表影像與參考影像進行形變配準，并將配準結果以不同顏色的光束投射至患者體表，以指導技術員完成精確擺位。此外，在治療期間，通過光學成像技術還可實時監測患者身體運動和呼吸運動，還可驅動呼吸門控開關。光學成像技術結合X射線系統提供的內部解剖結構信息(如骨性標記)，檢測患者體表的變化，并進行患者治療中的實時監控。

4 傳 輸

癌癥患者治療中劑量傳輸質量控制主要是用于檢測和必要性糾正計算、擺位和傳輸中的偏差，以確保安全傳輸個體化的治療。劑量傳輸質量控制流程包括治療前計劃驗證和治療中劑量傳輸驗證。

IMRT及容積旋轉調強(volume-modulated radiotherapy，VMAT)等先進放療計劃有著腫瘤靶區劑量分布高度適形和高梯度變化的特點，可顯著提高放療療效，同時也使得治療前劑量驗證更加復雜。傳統的手工計算核對和僅點劑量驗證已不再適用。為確保治療劑量能夠精準地定位與腫瘤靶區內，嚴格的個體化劑量學驗證是一項重要工作。

治療中劑量傳輸驗證是確保處方劑量準確傳輸和患者安全被輻照的最直接、最有效的方法。目前主要有基于電子射野影像系統(electronic portal imaging device,EPDI)的監測法、基于加速器運行日志文件(logfile)系統的分析法和基于透射型探測器的通量監測法。基于EPID的監測法屬于入射后端監測，即記錄穿過患者之后的束流通量分布，方法簡單有效，但EPID依賴性強，圖像對比度和信噪比存在波動且隨時間推移也在下降，系統需要經常維護，必要時還需要更換，驗證結果受擺位條件影響，且此方法也不能監測加速器各項參數的準確性，如加速器機架角度、二維電離室矩陣驗證多葉準直器(MLC)到位精度、劑量校準等。日志文件記錄的是加速器運行數據，通過分析這些數據，評估患者接受的實際劑量，方法也簡單有效，但它不是劑量測量系統且有延遲性，且日志文件記錄的MLC葉片位置和真實位置有時偏差很大。基于透射型探測器測量通量的監測屬于入射前端監測，即在束流入射患者體內之前進行檢測，可確保患者安全被輻照。

患者在體劑量重建數據，結合加速器束流及患者擺位情況、解剖結構變化等，可以準確地還原患者實際接受的輻射劑量分布，這為優化計劃和開展劑量引導放射治療(dose-guided radiation therapy，DGRT)提供強有力依據[6]。目前技術水平離真正的劑量引導實時調控還有很大的差距，劑量引導放療設備也只是停留在初步的劑量驗證階段，尚不能利用驗證結果來實時修改放射治療計劃，以影響加速器出束并改變患者實際被輻照劑量。但是，隨著圖像處理和劑量重建算法等的不斷發展和提高，DGRT新理念將逐漸走進臨床的實際應用，為腫瘤患者帶來福音。

5 結束語

本文描述了IGRT工作流中的研究現狀和進展，涉及環節有勾畫、計劃、定位和傳輸。IGRT的巨大進步幫助臨床醫生更好地理解該技術和工作流程，促進個體化放療指導和策略的發展，提高放療傳輸安全性，改善患者治療療效。作為當今發展最快速的技術領域之一，機器學習通過新的學習算法為放療帶來了新的治療技術。采用數據挖掘和機器學習等各種先進技術設計各種各樣的自動化應用程序，可減少人為錯誤，最大化提高放療醫師、物理師的工作效率和患者的放療質量，改善現有流程或實現新的工作流，使臨床IGRT工作更自動化和模式化。雖然在放療中產生的大量數據在單一放療中心或某些其他放療中心可用，但很難進行大規模比較。如今，數據信息的可用性已經變得更加復雜和廣泛，正在發展的國家或國際基礎設施也越來越多，使得放療中心能夠進行結構化和自動化的放療數據收集和安全共享。大多數治療決策都將會基于這些收集的相關數據(被稱之為大數據)，進一步優化治療，提高生存率，達到患者最佳護理，減少衛生保健部門負擔。