图像引导放疗

第三节　图像引导放疗

一、调强放疗的优势与不足

作为20世纪新兴的放疗技术，调强放疗的优势在于:可以按照肿瘤的形状要求和临床对剂量分布的要求，改变射野内各点的剂量强度；在不增加周围正常组织损伤的情况下，提高肿瘤组织受照剂量。然而，内部器官存在正常生理运动，而且在每次治疗摆位间还存在细微的位置和形态变化。这就导致每次治疗时和每次治疗间肿瘤位置都会有所变化。如果这些位置的变化大到使得肿瘤超出治疗计划设定的靶区范围，那么肿瘤就可能没有受到计划的照射，而正常组织则可能受到过量照射。日常进行的调强放疗都是将人体视为刚体，并不能有效地控制、减少这些位置和形态的变化对治疗的影响。在ICRU62号报告中，定义了内靶区（internal target volume，ITV）的概念，定义为临床靶区加上脏器的内部运动，但不包括治疗摆位误差。目前放疗的热点在于通过图像引导放疗（image－guided radiotherapy，IGRT）将内靶区排除在计划靶区之外。

二、放疗分次间误差和分次内误差

放疗分次间误差（inter－fraction error）是指模拟定位和治疗间以及每次治疗间，患者身体内部器官位置与形状的差异。分次内误差（intra－fraction error）是指每次治疗过程中，身体内部器官位置与形态的差异，例如呼吸运动导致的器官移动、内脏器官的生理蠕动。引起分次间误差的主要原因是治疗摆位的变化、器官的充盈程度和肿瘤的退缩情况，以及空腔脏器充盈程度的改变等等。原则上分次内误差从属于分次间误差。除在线门控和实时跟踪技术被应用于临床外，分次内误差可以类似分次间误差进行处理。在整个放疗过程中，分次间误差的平均值和标准差可以是不变的。若发生变化常常与剂量反应有关。在放疗过程中，分次间的差异限制了放疗的改进。通过系统地处理患者的个体差异，计划靶区可以被显著地减小。但是，处理分次治疗间患者个体解剖差异则要求通过不同的图像反馈来完成患者解剖结构分次间的多次测量。其中，CT图像反馈，包括锥形束CT和普通CT在临床应用中最普遍。

三、图像引导放疗的概念

图像引导放疗是一种能让临床医生在放疗实施之前或放疗进行过程中，通过图像采集或其他信号的收集，确定靶区位置，从而调整患者摆位，或引导射线照射，或调整治疗计划的一种精确的治疗技术。是否在放疗全过程中使用图像辅助，是图像引导技术狭义定义和广义定义的分界线。放疗的主要环节都使用图像引导是一种全新的技术，通过这种技术，临床医生有能力更加精确地定位靶区和追踪肿瘤，使放疗更加准确。图像引导自动化系统中的图像追踪设备可以产生高质量的三维图像来确定肿瘤位置，在适当的时候调整患者的体位并完成治疗。图像引导放疗在确定临床靶体积边界时尽可能减少器官运动的影响。这就使在治疗器官运动度较大的肿瘤时，例如:肺癌、乳腺癌、肝癌、前列腺癌等时，在不影响治疗精度的前提下进一步减少正常组织的受照范围。图像引导放疗采集的图像信号可以是CT三维重建图像，或有时间标记的四维CT（4DCT）图像；也可以是超声图像。图像引导技术还可以采集其他信号，如体表红外线反射装置反射的红外线，和埋在患者体内的电磁波转发装置发出的电磁波等。常用的技术有电子射野成像（electron port imaging device，EPID）、主动呼吸控制（active breathing cordinate，ABC）、门控技术（gating）、四维CT、锥形束CT（cone beam CT）、超声引导、实时追踪（real time tracking）以及新兴的螺旋断层治疗（tomotherapy）等。

四、图像引导放疗中靶区的定义

为了解决患者多变的体位以及由于呼吸运动造成的靶区位置的变化，放射肿瘤学家曾经只能将肿瘤周围相当一部分的正常组织包括在治疗范围之内。图像引导放疗使医师有可能在每次治疗之前确定靶区位置，甚至能确定关键器官在治疗中某一时刻的准确位置，这就使肿瘤周围的正常组织受到最少的照射。图像引导放疗的一个重要问题就在于靶区的定义，归纳起来，主要通过以下几方面来实现:①运用生物影像技术来更好地定义靶区；②通过四维影像技术追踪分次治疗内的器官运动；③通过实时影像技术校正分次治疗间误差；④基于新的图像技术的计划设计与治疗。

图像引导放疗的目的在于缩小计划靶区、正确评估器官受量、提高治疗精度，最终提高治疗比。

高质量的图像对于合理定义靶体积非常重要。在适形放疗和调强放疗中，应用高分辨率的连续CT图像通过三维重建定义靶区已成为常规。在图像引导放疗中，包含时间因素的四维CT（4DCT）可获得动态的连续图像以显示呼吸周期和心脏搏动。核磁共振（MR）在软组织和中枢神经系统的显像上优于CT，CT与MR的融合技术已在放疗过程中获得应用。快速影像核磁共振（fast－cine MR）技术提供了又一种方法获得动态的图像显示器官的运动。超声特别是腔内超声，在定义前列腺癌的靶区时更具优势。正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET）在影像中包含了生物学信息，通过PET－CT定义靶区时，较单独依靠PET或CT，靶区精确性有很大提高。

五、图像引导放疗的临床应用

目前，学者们正运用多种图像引导技术来验证每天的肿瘤位置。超声系统已应用于临床，能够在没有气腔和大量骨头的腹部取得较好效果。较为常用的方法还有电子射野成像，但要求在软组织肿瘤中放置细小的惰性标记粒子来确定肿瘤的位置。另外一种是实时影像（on board imaging）技术，包括锥形束CT和治疗室内CT，使临床医师可以在每次治疗之前精确地摆位并观察到每次治疗之间各脏器的变化。锥形束CT通过机架角旋转一周，同时运用加速器最大锥形野可获得完全的三维图像。利用千伏级或兆伏级X线射野均可获得锥形束CT图像，但是千伏级射野在使用较小剂量即可获得较高质量的图像。螺旋断层治疗机（tomotherapy）将直线加速器安装于CT旋转机架上，是划时代的一体化放疗系统。它不是简单的硬件组合，而是从硬件到软件包括治疗的综合性整合。在每次治疗前的瞬间，患者的CT图像被获取并被评价，随后根据需要调整治疗计划进行治疗。在新一代的螺旋断层治疗机中，已经直接使用治疗射线在安全剂量内获取兆伏级CT图像，虽然目前图像质量还不能与常规CT媲美，但其应用前景已得到广泛认可。

图像引导技术在解决呼吸运动影响腹盆部肿瘤放疗的问题中，已经获得了初步成功。有研究者让患者在呼吸周期的特定点屏气来控制肿瘤的运动（“深吸气屏气”），仅当加速器允许时患者才可呼吸（“主动呼吸控制”），或利用体外固定装置来限制胸廓的运动。由于大部分胸部恶性肿瘤患者的呼吸功能受限并且不能耐受进一步的缺氧，因此患者的依从性有时是一个问题。还有一种解决方法是运用自动呼吸门控系统，该系统运用红外摄像机追踪置放在患者胸部或腹部体表的被动标记点。通过计算机处理被追踪的运动，可建立呼吸曲线中患者正常的呼吸运动相位与标记点位置的关系。在治疗过程中，只有当肿瘤在计划设计的治疗野内时，门控系统才会自动打开照射野进行治疗。在整个模拟定位和治疗过程中，患者可以自由呼吸以保持较为舒适的状态。门控系统的缺陷在于:系统追踪的标记点与靶区在运动趋势上要有极好的相关性，否则会导致治疗的偏差。再有一种解决方法是实时追踪技术，要求在肿瘤内部植入惰性标记粒子，通过追踪标记粒子的运动，联动加速器进行放疗。实时追踪技术要求较高，不易推广。此外，由于肿瘤退缩造成的标记粒子的移位会对治疗的精确性产生一定的影响。

六、图像引导放疗技术的临床研究

Wu等在运用图像引导技术治疗前列腺癌时，运用了在线（on line）校正和离线（off line）校正技术来解决摆位等方面的不确定性。摆位误差和分次治疗间器官位置的变化可通过在线技术解决。器官的变形以及每次治疗时器官的移动可以通过离线技术对剂量进行补偿。通过在线和离线校正技术，Yan还提出了图像引导自适应放疗（image－guided adaptive radiation therapy，IGART）技术，在定位靶区、缩小靶区边界以及靶区剂量补偿方面提供了新的思路。

TJ Scarbrough等比较了超声和标记粒子植入两种图像引导放疗技术，并应用于前列腺癌治疗中。他们发现，在从临床靶体积扩展为计划靶体积时，利用超声定位需要较大的边界（大约9mm），而利用植入离子进行图像引导放疗只需要3mm的边界。

杜克大学比较了实时数字层析X线成像技术（DTS）和传统的射野影像（portal imaging）技术以及实时锥形束CT（CBCT）技术在放疗中的运用，他们选取了前列腺、头颈部和肝3个部位进行研究，并对呼吸运动影响较大的部位采用了呼吸控制DTS。其研究结果认为DTS的图像质量与CBCT相当，且优于其他的千伏级或兆伏级图像。呼吸控制DTS可以较好地显示软组织影像，对于受呼吸运动影响较大的肿瘤，呼吸控制DTS可获得优于CBCT的影像。

多家癌症中心将千伏级和兆伏级锥形束CT（CBCT）应用于临床治疗中的摆位校正，分次间的误差被显著缩小。此外，在临床放疗过程中兆伏级锥形束CT还被用于侦测脊髓的扭曲、肿瘤的生长与退缩，以及肺部肿瘤的定位等。锥形束CT在图像引导放疗中的应用前景将越来越广泛。

日本北海道大学医学院放疗科在治疗不能手术的非小细胞肺癌时，运用大分割小体积图像引导放疗。他们采用60Gy/8次进行治疗，3年局控率达100%。

多家癌症中心还尝试了直肠癌和肝癌等的图像引导放疗，远期疗效尚未见报道。

图像引导放疗在提高肿瘤控制率和减小正常组织反应方面很有潜力。但是在放疗过程中完成图像引导运动管理需要一系列有效的综合性工具来管理患者的数据，包括图像数据等。在将图像引导技术运用到放疗的临床之前，使用者必须预见到每天的治疗靶区和治疗程序会因每天的靶区运动情况而发生改变，同时必须确保患者的固定和摆位的精确性，这样，基于图像引导技术的放疗才能成功执行。

（王　健）