IMRT--计划与质控 放射治疗学基础
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计划靶区（CTV+ITV+摆位误差）
对不同靶区分别设置剂量要求—发挥调强作用
危险器官
OR (Organ at Risk)：靶区周围 不能接受超过耐受剂量照射的
OR
正常组织结构
PRV
PRV (Planning Risk Volume)：计划中可能受 到照射的正常组织结构，包括器官自身的位 移（IM，Internal Movement）和定位的不确 定度。前者是患者生理上固有，很难或不能 排除，后者可通过改进技术改善
** IMRT 总MU数比常规治疗大大增加
防护要求 放射诱发第二肿瘤的可能
调强野数选择
5野调强
7野调强
9野调强
*5-7 野调强计划剂量分
布均可满足临床要求
*增加野数可改善剂量适
形度（>9野改善有限)
子野数目 对计划质量的影响 （靶区剂量覆盖）
子野数目 对计划质量的影响 （危及器官保护）
IMRT计划处方
IMRT: 原理·设计·质控
中山大学肿瘤医院放疗科
What is IMRT ?
IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy) 调强放射治疗
1960’~1970’
1980’~1990’
2000’~2010’
2D RT
3D CRT
IMRT
3D CRT vs. IMRT
射线束的强度(Intensity)从线束方向上与靶区的厚 度成比例
绕靶区作旋转照射 （或多野固定照射）
剂量调强的原理
调强的目标：控制靶区内各点剂量达到预期量
D=Dr·T，Dr--剂量率, T--照射时间
调强的方法：
改变加速器的输出剂量分布(使用楔形滤过板、
组织补偿器、剂量补偿器等--调Dr)。
Beam 5,6,7,8
Beam 1,2,3,4
Beam 15,16,17
Static MLC fields superimposed at a number of fixed gantry angles
动态调强
Dynamic MLC (DMLC) IMRT
变化照射野形状的多野或旋转照射
多叶准直器滑窗照射（MLC-Sliding Window）
➢ 蒙地卡罗剂量计算结果显示10mm and 5mm MLC IMRT在 剂量分布与DVH 上没有明显差别
– MLC LEAF WIDTH IMPACT ON THE CLINICAL DOSE DISTRIBUTION: A MONTE CARLO APPROACH. Leal et.al. Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys., Vol. 59, No. 5, 2004
给定目标剂量条件
IMRT计划目标条件（2）
优化目标权重
靶区剂量均匀度优先? 靶区最小剂量覆盖优先? 靶区适形度优先? 危险器官剂量限制优先？ 危险器官受照体积优先？
对不同反应的器官区别考虑，综合TCP&NTCP
IMRT计划目标条件（3）
技术条件
➢ 照射设备条件 (旋转范围，MLC条件…)
计划设计
IMRT计划设计方式
➢ 传统计划设计（正向设计）
➢ 高度信赖设计者经验
➢ 逆向设计
➢ 由计算机根据剂量要求自动计算射野要求
常规3DCRT与逆向IMRT设计比较
常规治疗计划设计
Treatment Parameters
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Dose
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Dose Distribution
Dose delivery with Uniform Radiation Intensity
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2
1
•保证执行的可靠性 – An MLC with rare component replacements and calibration
病人 选择
IMRT工作流程
摆位及固定
(面罩，真空袋…)
影像获取
(CT, MR/PET)
确定靶区
GTV/CTV/PTV/RV
治疗前摆位 验证与修正
计划验证 与批准
计划设计 与评估
适合病人
• 靶区形状复杂且紧邻重要器官 • 需要提高靶区剂量的患者进行有效治疗 • 局部复发患者再程放疗
IMRT治疗部位比例：Arno J. Mundt, USA. 2004
中枢神经系统 头颈部 乳腺 肺 腹部
泌尿生殖系统 妇科肿瘤 儿童肿瘤 淋巴瘤 肉瘤
IMRT原理
CT成像的逆向计算
IMRT原理
➢ 复杂的动态照射(DMLC)与顺序子野照射(SMLC)IMRT在临 床意义上没有区别
– Clinical Implementation of Dynamic and Step-and-shoot IMRT to Treat Prostate Cancer with High Risk of Pelvic Lymph Node Involvement. Adams et.al. Radiotherapy and Oncology, 70 (2004) 1
控制射野内各点的照射时间(准直器开关--调T)。
形成三维适形剂量分布的射线束
利用限束装置(Block,MLC…) 利用静态的射束修整器(Wedge
Filter…)
楔形滤板
适形滤板
胡逸民“调强治疗技术的进展”-2008全国放射物理年会
静态调强 （Step & Shoot IMRT）
(
Leaf Setting Sequence
➢ 影像融合技术 ➢ 常规CT-Sim / 呼吸门控CT / 4D CT ➢ DICOM RT连接
图像融合帮助确定靶区
靶区确定
ICRU 靶区定义
GTV: Gross Tumor Volume
可见肿瘤靶区
CTV: Clinical Target Volume,
临床靶区 (GTV+亚临床灶)
PTV: Planning Target Volume,
➢ 减少器官内移动 ➢ 限制组织位移
➢ 提高重复摆位精度 注意：
➢ 病人消瘦 ➢ 皮肤反应
体位固定
头颈面罩 vs 头颈肩面罩
影像采集基本要求
IMRT影像设备要求
➢ 必须能够定义不同剂量要求的靶区 ➢ CT解剖影像是计划设计的基础
➢ CT值与相对电子密度关系曲线校准 ➢ MR/SPECT/PET帮助确定靶区
IMRT 计划设计
Dose delivery with Non-uniform Radiation Intensity
Treatment Parameters
?
Treatment Goals (Objective Function)
正向IMRT：乳腺野中野(FIF)计划
子野一，权重95％
子野二，权重3.5％
d
Left-leaf
c
Left-leaf Right-leaf
c
Right-leaf
b
b
delivered intensity
delivered intensity
a
X
a
X
step shoot
P
P
Serial Tomotherapy
Helical Tomotherapy
临床IMRT技术与设备选择
➢ 剂量适形的物理条件
（1）在照射方向上，照射野的形状与靶区的投影形 状一致。
（2）靶区内和表面的剂量按要求分布
➢ 3D CRT
---只满足物理条件(1)
➢ IMRT
---同时满足(1)和(2)两个物理条件
Why IMRT ?
临床目的：获得更好的临床结果
• 减少复发--提高剂量，改善局控率 • 减少长期迸发症和副作用--降低靶区周围正常组织受量
➢ 共面/非共面照射 ➢ 组织勾画不确定度 ➢ 治疗中组织位置不确定度
(摆位、固定、呼吸位移)
逆向计划优化与评估
三维剂量算法 按目标函数寻找最佳点 A
Local Minima B
Global Minimum
目标函数并不足以完全替代人工优化
100% Volume
50
100%
Volume
Adapted from Leunens et al., 1993.
须要了解单位的勾画差异大小 确定勾画不确定度
内移动靶区边界的确定
最大运动 平均运动 标准误
左右方向 (mm) 5 2.04 1.4
头脚方向 (mm) 12 3.9 2.6
腹背方向 (mm) 5 2.4 1.3
正常呼吸状态下透视观察到的20例肺癌患者CTV相 对体内固定点（椎骨）的三维位移范围。
0
3
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7
Step & Shoot IMRT
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0 0.0
-3 -2
-1 0
+1 +2
12 13 14 15
+3
Step and Shoot IMRT
Beam 9,10,11 Beams 12,13,14
‘When given two equal (clinical) alternatives, the Simpler should be the preferred choice’
IMRT技术选择
•尽量简化执行过程 – Step & Shoot
•尽量缩短执行时间 – 优化子野数目
•保证执行的安全性 – Complete verification of each segment prior to delivery with Step & Shoot
d
c
Final position
Direction of
b
leaf motion
Initial position
Right-leaf
P
DMLC vs SMLC for IMRT
Beam-on-Time
Dynamic multileaf collimation
T
d
T
Multiple static segment
子野三，权重1.5％
IMRT治疗条件选择
➢ Step and Shoot 射野：
➢ 常用等间距非对穿非对称单数 ➢ 射野数目：5~9 ， 强度差：~10级
➢ MLC 角度：尝试不同角度以尽量保护重要器官
➢ 射线能量：
➢ 能量增高可能减低周围剂量但增加泄漏 ➢ 难以建立准确数学模型 ➢ 最常用的能量为6M
保护器官勾画
➢ 没有勾画和限定条件系统不予保护 ➢ 必须考虑器官内移动 ➢ 必须考虑摆位误差 ➢ 勾画误差
靶区的不确定度
影像重建误差 勾画误差 内移动的个体差异 摆位误差
靶区勾画误差
不同医师勾画靶区的差别 ----应有相对统一的标准 例： - 8 radiation oncologists (----), - 2 radiodiagnosticians (----), - 2 neurosurgeons (- - - -).
临床靶区体积剂量要求 (GTV, CTV, PTV)
保护范围和限定的剂量条件 (RV/PRV, DVH)
指定执行设备（加速器型号、调强类型）
IMRT计划目标条件（1）
逆向计划根据给予的目标条件进行优化设计
剂量条件
体积剂量 DMax/Dmin /Dmean, Voverd/Vunderd, etc. 剂量强度级差 靶区与保护器官剂量分布质量(适形度，均匀性） 分次剂量(同期加量）
Ekberg et al, 1998 (ICRU Rpt #62)
PTV 边界的确定
Immobilization Relationship
Positioning uncertainty
0.88±1.44mm (Isocenter)
林承光、邓小武等 《肿瘤学杂志》2004
PTV Margin
2mm-3mm (2.5∑+ 0.7σ)
执行治疗
治疗中段验证
(靶区，体位)
病人选择
选择病人
➢ 与医技人员合作良好 ➢ 能理解医生意图 ➢ 状况良好(能坚持较长时间治疗) ➢ 靶区位移小 ➢ 治疗部位易于固定
理想IMRT治疗部位
靶区形状不规则 靶区邻近重要器官 曾经接受放射治疗的部位 需要提升剂量
摆位要求
体位固定
良好的体位固定是IMRT的基础 ➢ 控制和减少几何不确定度
二进制开关式准直器（MiMIC)切层治疗
MiMIC开、关的弧形或旋转照射（步进或连续进床）
扫描线束射野的旋转照射
笔形束电磁扫描
Sliding Window IMRT:
Dynamic MLC (DMLC) IMRT
radiation
Collimator
beam-on time
a
Left-leaf
对不同靶区分别设置剂量要求—发挥调强作用
危险器官
OR (Organ at Risk)：靶区周围 不能接受超过耐受剂量照射的
OR
正常组织结构
PRV
PRV (Planning Risk Volume)：计划中可能受 到照射的正常组织结构，包括器官自身的位 移（IM，Internal Movement）和定位的不确 定度。前者是患者生理上固有，很难或不能 排除，后者可通过改进技术改善
** IMRT 总MU数比常规治疗大大增加
防护要求 放射诱发第二肿瘤的可能
调强野数选择
5野调强
7野调强
9野调强
*5-7 野调强计划剂量分
布均可满足临床要求
*增加野数可改善剂量适
形度（>9野改善有限)
子野数目 对计划质量的影响 （靶区剂量覆盖）
子野数目 对计划质量的影响 （危及器官保护）
IMRT计划处方
IMRT: 原理·设计·质控
中山大学肿瘤医院放疗科
What is IMRT ?
IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy) 调强放射治疗
1960’~1970’
1980’~1990’
2000’~2010’
2D RT
3D CRT
IMRT
3D CRT vs. IMRT
射线束的强度(Intensity)从线束方向上与靶区的厚 度成比例
绕靶区作旋转照射 （或多野固定照射）
剂量调强的原理
调强的目标：控制靶区内各点剂量达到预期量
D=Dr·T，Dr--剂量率, T--照射时间
调强的方法：
改变加速器的输出剂量分布(使用楔形滤过板、
组织补偿器、剂量补偿器等--调Dr)。
Beam 5,6,7,8
Beam 1,2,3,4
Beam 15,16,17
Static MLC fields superimposed at a number of fixed gantry angles
动态调强
Dynamic MLC (DMLC) IMRT
变化照射野形状的多野或旋转照射
多叶准直器滑窗照射（MLC-Sliding Window）
➢ 蒙地卡罗剂量计算结果显示10mm and 5mm MLC IMRT在 剂量分布与DVH 上没有明显差别
– MLC LEAF WIDTH IMPACT ON THE CLINICAL DOSE DISTRIBUTION: A MONTE CARLO APPROACH. Leal et.al. Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys., Vol. 59, No. 5, 2004
给定目标剂量条件
IMRT计划目标条件（2）
优化目标权重
靶区剂量均匀度优先? 靶区最小剂量覆盖优先? 靶区适形度优先? 危险器官剂量限制优先？ 危险器官受照体积优先？
对不同反应的器官区别考虑，综合TCP&NTCP
IMRT计划目标条件（3）
技术条件
➢ 照射设备条件 (旋转范围，MLC条件…)
计划设计
IMRT计划设计方式
➢ 传统计划设计（正向设计）
➢ 高度信赖设计者经验
➢ 逆向设计
➢ 由计算机根据剂量要求自动计算射野要求
常规3DCRT与逆向IMRT设计比较
常规治疗计划设计
Treatment Parameters
?
Dose
?
Calc
!
Dose Distribution
Dose delivery with Uniform Radiation Intensity
5
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2111源自0310
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1
•保证执行的可靠性 – An MLC with rare component replacements and calibration
病人 选择
IMRT工作流程
摆位及固定
(面罩，真空袋…)
影像获取
(CT, MR/PET)
确定靶区
GTV/CTV/PTV/RV
治疗前摆位 验证与修正
计划验证 与批准
计划设计 与评估
适合病人
• 靶区形状复杂且紧邻重要器官 • 需要提高靶区剂量的患者进行有效治疗 • 局部复发患者再程放疗
IMRT治疗部位比例：Arno J. Mundt, USA. 2004
中枢神经系统 头颈部 乳腺 肺 腹部
泌尿生殖系统 妇科肿瘤 儿童肿瘤 淋巴瘤 肉瘤
IMRT原理
CT成像的逆向计算
IMRT原理
➢ 复杂的动态照射(DMLC)与顺序子野照射(SMLC)IMRT在临 床意义上没有区别
– Clinical Implementation of Dynamic and Step-and-shoot IMRT to Treat Prostate Cancer with High Risk of Pelvic Lymph Node Involvement. Adams et.al. Radiotherapy and Oncology, 70 (2004) 1
控制射野内各点的照射时间(准直器开关--调T)。
形成三维适形剂量分布的射线束
利用限束装置(Block,MLC…) 利用静态的射束修整器(Wedge
Filter…)
楔形滤板
适形滤板
胡逸民“调强治疗技术的进展”-2008全国放射物理年会
静态调强 （Step & Shoot IMRT）
(
Leaf Setting Sequence
➢ 影像融合技术 ➢ 常规CT-Sim / 呼吸门控CT / 4D CT ➢ DICOM RT连接
图像融合帮助确定靶区
靶区确定
ICRU 靶区定义
GTV: Gross Tumor Volume
可见肿瘤靶区
CTV: Clinical Target Volume,
临床靶区 (GTV+亚临床灶)
PTV: Planning Target Volume,
➢ 减少器官内移动 ➢ 限制组织位移
➢ 提高重复摆位精度 注意：
➢ 病人消瘦 ➢ 皮肤反应
体位固定
头颈面罩 vs 头颈肩面罩
影像采集基本要求
IMRT影像设备要求
➢ 必须能够定义不同剂量要求的靶区 ➢ CT解剖影像是计划设计的基础
➢ CT值与相对电子密度关系曲线校准 ➢ MR/SPECT/PET帮助确定靶区
IMRT 计划设计
Dose delivery with Non-uniform Radiation Intensity
Treatment Parameters
?
Treatment Goals (Objective Function)
正向IMRT：乳腺野中野(FIF)计划
子野一，权重95％
子野二，权重3.5％
d
Left-leaf
c
Left-leaf Right-leaf
c
Right-leaf
b
b
delivered intensity
delivered intensity
a
X
a
X
step shoot
P
P
Serial Tomotherapy
Helical Tomotherapy
临床IMRT技术与设备选择
➢ 剂量适形的物理条件
（1）在照射方向上，照射野的形状与靶区的投影形 状一致。
（2）靶区内和表面的剂量按要求分布
➢ 3D CRT
---只满足物理条件(1)
➢ IMRT
---同时满足(1)和(2)两个物理条件
Why IMRT ?
临床目的：获得更好的临床结果
• 减少复发--提高剂量，改善局控率 • 减少长期迸发症和副作用--降低靶区周围正常组织受量
➢ 共面/非共面照射 ➢ 组织勾画不确定度 ➢ 治疗中组织位置不确定度
(摆位、固定、呼吸位移)
逆向计划优化与评估
三维剂量算法 按目标函数寻找最佳点 A
Local Minima B
Global Minimum
目标函数并不足以完全替代人工优化
100% Volume
50
100%
Volume
Adapted from Leunens et al., 1993.
须要了解单位的勾画差异大小 确定勾画不确定度
内移动靶区边界的确定
最大运动 平均运动 标准误
左右方向 (mm) 5 2.04 1.4
头脚方向 (mm) 12 3.9 2.6
腹背方向 (mm) 5 2.4 1.3
正常呼吸状态下透视观察到的20例肺癌患者CTV相 对体内固定点（椎骨）的三维位移范围。
0
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7
Step & Shoot IMRT
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0 0.0
-3 -2
-1 0
+1 +2
12 13 14 15
+3
Step and Shoot IMRT
Beam 9,10,11 Beams 12,13,14
‘When given two equal (clinical) alternatives, the Simpler should be the preferred choice’
IMRT技术选择
•尽量简化执行过程 – Step & Shoot
•尽量缩短执行时间 – 优化子野数目
•保证执行的安全性 – Complete verification of each segment prior to delivery with Step & Shoot
d
c
Final position
Direction of
b
leaf motion
Initial position
Right-leaf
P
DMLC vs SMLC for IMRT
Beam-on-Time
Dynamic multileaf collimation
T
d
T
Multiple static segment
子野三，权重1.5％
IMRT治疗条件选择
➢ Step and Shoot 射野：
➢ 常用等间距非对穿非对称单数 ➢ 射野数目：5~9 ， 强度差：~10级
➢ MLC 角度：尝试不同角度以尽量保护重要器官
➢ 射线能量：
➢ 能量增高可能减低周围剂量但增加泄漏 ➢ 难以建立准确数学模型 ➢ 最常用的能量为6M
保护器官勾画
➢ 没有勾画和限定条件系统不予保护 ➢ 必须考虑器官内移动 ➢ 必须考虑摆位误差 ➢ 勾画误差
靶区的不确定度
影像重建误差 勾画误差 内移动的个体差异 摆位误差
靶区勾画误差
不同医师勾画靶区的差别 ----应有相对统一的标准 例： - 8 radiation oncologists (----), - 2 radiodiagnosticians (----), - 2 neurosurgeons (- - - -).
临床靶区体积剂量要求 (GTV, CTV, PTV)
保护范围和限定的剂量条件 (RV/PRV, DVH)
指定执行设备（加速器型号、调强类型）
IMRT计划目标条件（1）
逆向计划根据给予的目标条件进行优化设计
剂量条件
体积剂量 DMax/Dmin /Dmean, Voverd/Vunderd, etc. 剂量强度级差 靶区与保护器官剂量分布质量(适形度，均匀性） 分次剂量(同期加量）
Ekberg et al, 1998 (ICRU Rpt #62)
PTV 边界的确定
Immobilization Relationship
Positioning uncertainty
0.88±1.44mm (Isocenter)
林承光、邓小武等 《肿瘤学杂志》2004
PTV Margin
2mm-3mm (2.5∑+ 0.7σ)
执行治疗
治疗中段验证
(靶区，体位)
病人选择
选择病人
➢ 与医技人员合作良好 ➢ 能理解医生意图 ➢ 状况良好(能坚持较长时间治疗) ➢ 靶区位移小 ➢ 治疗部位易于固定
理想IMRT治疗部位
靶区形状不规则 靶区邻近重要器官 曾经接受放射治疗的部位 需要提升剂量
摆位要求
体位固定
良好的体位固定是IMRT的基础 ➢ 控制和减少几何不确定度
二进制开关式准直器（MiMIC)切层治疗
MiMIC开、关的弧形或旋转照射（步进或连续进床）
扫描线束射野的旋转照射
笔形束电磁扫描
Sliding Window IMRT:
Dynamic MLC (DMLC) IMRT
radiation
Collimator
beam-on time
a
Left-leaf