图像引导放射治疗技术进展_李兵

·综述·

图像引导放射治疗技术进展

李兵　罗立民

【摘要】　图像引导放射治疗是继三维适形放疗和调强放疗之后,又一新的放疗研究和应用热点。本综述介绍了图像引导放射治疗的研究现状,以及各种图像引导放射治疗的实现方法,并展望了图像引导放射治疗的发展方向。

【中图分类号】　R730 【文献标识码】　A 【文章编号】　0253-3685(2010)01-0089-04

作者单位:210098　南京,东南大学影像科学与技术实验室

责任作者:罗立民

图像引导放射治疗(image -guided radiothe ra -py ,IGRT )是继三维适形放疗(3DC RT )和调强放疗(IM RT )之后,又一新的放疗研究和应用热点。从历史上说,IGRT 并不是一项新技术,而且也不是一项如3DCRT 或IM RT 那样革命性的技术[1]。凡是在放疗摆位时或治疗中采集患者治疗范围的实时(或准实时)图像或其它信号(从患者体表或体内发射),并利用这些图像或信号,确定治疗靶体积和重要结构的位置、运动,消除或减少因为器官运动和摆位所带来的几何不确定性,从而引导此次治疗及后续治疗,即称为IGRT 技术。对于分次治疗间的摆位误差和靶体积移位,可采用在线修正或离线修正(自适应放疗技术);对于同一分次中的靶体积运动,可采用呼吸控制、呼吸门控、四维放疗或实时跟踪等技术,而呼吸控制、呼吸门控以及四维放疗技术并不属于IGRT 范畴

[2～4]

。

一、在线修正的IGRT 技术

在线修正(o nline cor rection )[5]

,指在单个分次治疗过程中,患者摆位后采集照射范围内的二维或三维图像,通过与参考图像(计划CT 图像生成的DRR 或计划C T 图像)比较,确定摆位误差或射野位置误差,进行在线修正,然后再采集图像比较,直至误差在允许范围后实施照射。

1.电子射野影像设备　电子射野影像设备(electronic por tal im ag e device ,EPID )由射野摄片技术发展而来,在加速器机头对侧安装成像装置,当射线束照射靶体积时,采用电子技术获取照射范围内的数字图像。目前主流加速器均采用非晶硅平板探测器的EPID ,可用较少的剂量获得较好质量的成像,具有体积小、分辨率高、灵敏度高以及能量响

应范围宽等优点。一般采用所采集的正、侧位图像与计划CT 生成的DRR 图像相比较的方法检查每次摆位,当误差大于允许值时,通过移床或重新摆位进行修正,然后再采集图像比较,直至误差在允许范围后再做治疗。EPID 技术开展研究最早,是最简单的二维IG RT 技术。

2.立体kV 级X 线和实时图像　EPID 的固有缺陷(图像质量、二维以及较多的照射剂量)使得人们不停尝试其它的图像引导方法,立体kV 级X 线成像就是其中的一种,X 线的能量范围是30～150kV 。BrainLAB 公司的ExacTrac

3.0/NOVALIS 系统将两个X 线球管安装在NOVA LIS 加速器两侧地板下,两个非晶硅平板探测器悬挂在天花板上,成像成90度夹角。另外,在天花板上还装有摄像机和红外照相机,红外照相机实时监测患者体表红外发射体的运动情况。X 线成像自动与计划C T 生成的DRR 图像根据预埋的金属标志点进行融合,以确定摆位误差,然后通过摄像机和红外照相机引导治疗床进行六个自由度方向的摆位校正。这些附加设备的有机结合可以满足以下四个临床要求:(1)与治疗计划过程整合为一体;(2)根据多方面信息自动摆位以使得靶体积高精度符合治疗计划数据;(3)不增加摆位次数;(4)总治疗时间短,一般整个过程包括摆位不超过15min 。Accuray 公司的G3或G4型射波刀(CyberKnife )系统则将两个X 线球管安装在加速器两侧的天花板上,两个非晶硅平板探测器安装在治疗床两侧,成90度夹角(G4则埋在地板下)。同样,在天花板上还装有红光照相机。加速器安装在六个活动关节的机器臂上,机器臂由计算机自动控制,在不同半径的球面上有100个固定的节点,每个节点有12个投射方向,机器手臂可精确地移动和停止在指定位置上,最多可形成1200条以上

射束。射波刀的X线成像系统不仅可以对患者治疗前作摆位修正以及治疗中静态定位修正,而且可以结合红光同步呼吸追逐系统引导机器臂进行动态治疗。

3.超声　对腹部肿瘤,用超声图像做在线校位是个简便的方法[6]。Nomo s公司的BAT超声引导摆位系统,在每次治疗前采集矢状位和横断位的超声图像,通过将计划系统产生的组织结构轮廓(如膀胱、直肠)叠加到超声图像做比较,可确定摆位误差,并实时予以校正。对比研究表明,超声引导常常产生2～5m m的误差。BA T的新型机可以采集三维超声图像,集合一些光学引导技术(如红外摄像等)可将精度控制在1mm之内,然而缺乏可靠的临床研究结果。

4.C T　以上三种图像引导技术毕竟不是真正三维的,如何打破平板探测器的二维限制,自然的想法就是根据容积成像原理利用平板探测器的多幅二维图像生成C T图像,于是就有了M V级锥形束C T(meg av olt cone-beam CT,MVCBCT)以及kV 级锥形束CT(kilo volt cone-beam C T,KVCBCT)的问世。另外,还有西门子公司的Prim ato m系统采用的与加速器共用治疗床的C T机以及Tom o-The rapy的H i-A RT系统采用的螺旋CT机。

(1)CBCT:是目前占主流地位的IGRT技术,将成像设备与加速器合为一体,射线源采用加速器产生的M V级X线或独立的kV级X线[7]。采用MVCBC T和KVCBCT引导放射治疗的治疗机有医科达的Synergy系统、西门子的Artiste系统和瓦里安的Trilog y系统。Sy nergy和T rilo gy均是在加速器机架的旋转平面内,与机架垂直方向的轴线安装kV级X线源和平板探测器,不用的时候可以收回。Ar tiste的kV级X线源则安装在MV级X 线源的对侧,两个射线探测器阵列安装在两个X线源之间。MVCBC T利用加速器产生的M V级X线与EPID的平板探测器完成,因为图像质量以及较高的多余照射剂量等缺陷,现在一般采用kV级X 线源生成的KVCBCT图像引导放射治疗。患者摆位后,加速器系统伸出kV级X线源和平板探测器,旋转一周或不到一周,系统生成患者照射范围的KVCBCT图像,然后与计划CT图像作自动比较,确定出肿瘤位置的六个自由度方向的误差,治疗床自动移位后机架再旋转一次得到校正后的KVCBCT图像,再比较,若误差在允许范围内,则收回kV级X线源和平板探测器,出束治疗。如果一次移位就引导成功,那么一般整个过程(不包含治疗)不超过10分钟。与二维图像引导技术相比, KVCBC T三维图像引导的技术优势表现为:①三维图像可提供六个自由度的摆位误差数据(治疗床支持);②如果考虑到组织器官形状变化,采用变形匹配(deformable registration)技术,三维与二维提供摆位误差数据的差别更大;③如果将患者治疗计划移植到校位后的三维CT图像上重新计算剂量分布,可得到每个分次治疗时患者实际受照剂量分布,根据实际受照剂量可对后续的分次治疗做适当调整。

(2)C T-o n-rail:西门子公司的Primatom系统采用Prim us加速器和So mato m CT机共用一张治疗床,C T机可沿导轨移动,称为CT-on-rail[8]。患者摆位后,床面平转180度后,保持静止,C T机沿导轨移动做治疗部位扫描,根据CT断层图像和与计划C T图像确定摆位误差,修正后,C T机退回,床面再转回进行治疗。

(3)M VC T:Tom oTherapy的Hi-ART断层放射治疗机[9]将直线加速器和螺旋扫描机整合为一体,外表与CT扫描机相似,环形机架内同时装有扫描机和直线加速器,加速器产生6M V X线。系统用扇形束来获得患者治疗前和治疗中的照射范围内的M V级CT图像,可以提供:①治疗前和治疗中的患者体位的C T验证;②更详细的解剖信息;③实际接受剂量的重建。系统可以在治疗前的瞬间采集M VCT图像,经过校正的图像能够清晰地显现从肺到骨的解剖结构,由于采用了虚拟消除伪影技术,它的图像甚至好于一般的诊断图像。2cGy的剂量条件下,骨骼破坏和肿瘤在CT图像上可以较清晰地辨认[10]。将摆位后的M VCT图像与计划CT图像相比较自动或手动确定摆位误差后立即修正,再以最精确的位置进行治疗。

二、离线修正的IGRT技术(自适应放射治疗)

Yan[11]在1997年首先提出自适应放射治疗概念,自适应放疗是这样的一种放疗技术,在最初数次治疗过程中观测患者(器官)的变化情况,变化可以是患者(器官)的位置变化,也可以是剂量响应关系的改变,根据这些变化情况系统全面地改进放射治疗计划。患者(器官)的位置变化就是上述的分次治疗间的摆位误差和靶体积移位以及同一分次中的靶体积运动。剂量响应关系改变涉及因素更多,如肿