自适应放射治疗

自适应放射治疗 自适应放疗（adaptive radiation therapy, ART）是图像引导放疗（image-guided radiation therapy, IGRT）发展延伸出的一种新型放疗技术。其实施是通过照射方式的改变来实现对患者组织解剖或肿瘤变化的调整，即通过引导图像（如CT、EPID等）评判患者解剖和生理变化，或治疗过程中所反馈信息如肿瘤大小、形态及位置变化，分析分次治疗与原计划之间的差异，从而指导后续分次治疗计划的重新设计。自适应放射治疗的主要目的是提高肿瘤放疗的精准性，实现对肿瘤靶区高剂量照射的同时，最大限度地减少周围正常组织受到高剂量照射的可能性，进而降低并发症发生概率。 广义上讲，任何一种通过反馈来调节治疗过程的技术均可纳入ART的范畴，比如影像引导放射治疗(IGRT)、体积引导放射治疗、剂量引导放射治疗(DGRT)、结构引导放射治疗等。IGRT可谓是ART的初级阶段，它在三维放疗技术的基 础上加入了时间因数的概念，充分考虑了解剖组织在治疗过程中的运动和分次治疗间的位移误差，如呼吸和蠕动运动、日常摆位误差、靶区收缩等引起放疗剂量分布的变化和对治疗计划的影响等方面的情况，在患者进行治疗前、治疗中利用各种先进的影像设备对肿瘤及正常器官进行实时的监控，并能根据器官位置的变化调整治疗条件使照射野紧紧“追随”靶区，使之能做到真正意义上的精确治疗。而DGRT则是在IGRT的基础上提出的，DGRT除了要对比图像数据外。还要将治疗时的肿瘤和周围正常组织实际吸收剂量于治疗计划中出来的剂量进行比对，以及时调整患者摆位、治疗计划再优化，甚至在必要时修正处方剂量。 Mackie等于1993年发表了螺旋断层治疗（HT）设计思路的同时，就从理论上提出了利用其CT影像及剂量重建来修正对患者后续分次治疗的设想，这是第1次提及剂量重建和基于治疗时CT图像所获取信息的自适应放疗思想。特别是近年来随着三维适形放疗和调强放疗的开展，越来越多的研究者关注于肿瘤靶区定义的精确性和对正常组织器官位置、大小和形状的改变都会影响到放疗的精准性。 为了确保临床靶体积（CTV）获得足够处方剂量，最简单方法是在CTV外加一个边界形成计划靶体积（PTV），而这一边界则必须考虑到患者治疗过程中的摆位误差、器官运动以及器官变形。但这种外加边界方法同时很有可能会增加正常组织受照射体积，从而引发靶区周围关键器官的放射性反应，进而增加并发症可能。 多研究者希望能在不漏射靶体积条件下最大限度减少外扩边界。为解决这一难题，1997年YAN等正式提出了ART概念。经过10多年研究以及放疗中影像设备的快速发展，ART技术已逐步成熟并正相继开展中。通过归纳可定义ART为一个闭循环的放疗过程，能通过图像来检测系统的变化，继而根据变化的反馈信息相对应地重新优化治疗计划。 图1分别表示出IGRT和ART的流程图，从中可发现虽然它们各自的时间顺序有所改变，但在获取患者诊断影像、计划设计以及治疗的基本功能方面是没有区别的。ART所表现出的复杂性主要在于根据患者影像变化而改变治疗计划的反复循环工作流程上，其中的影像验证和计划变换是实时、在线的就是在线式ART，非实时性的则是离线式ART。图2是自适应处理过程的流程图。 基于患者四维影像的计划设计是ART中关键性的组成部分之一。本质上，治疗计划设计优化应当是一种四维处理过程。当治疗期间摆位和（或）组织器官结构发生变化时，应考虑时间（一维）相位。这些变化也许发生在分次放疗内（分次内组织器官或摆位变化），或分次放疗间（分次间组织器官或摆位变化）。传统上讲，通过采用代表患者的三维轮廓（典型CT图像）实现了治疗计划的设计，并假定治疗期间这种轮廓将得以保持。该方法考虑到了组织器官和（或）摆位可能的改变，导致靶区和（或）敏感器官的外扩边界增加。即使在一些病例治疗中此方法可能足够，但在靶区覆盖和正常组织避让之间也许不能达到最后的权衡，从而患者总剂量可能导致增加。随着图像引导及其处理过程的有效性，放疗中除实际沉积剂量外还取得了患者体位的时间变化参数，治疗计划优化已本质上获得一种新维数，或者分次间（内）可将时间合并作为可变量之一，从而用于确定如何和什么时候实施对治疗的调整。 治疗分次内的变化是指在各分次治疗过程中靶区位置或形状随时间的变化。临床中从四维图像系列可获得呼吸运动时相，在计划中形成出四维治疗模式，并同时考虑患者位置和组织器官的改变。该问题的最后表现就是运用患者处于呼吸状态中的信息形成治疗计划，然后将最优化四维计划予以治疗实施，其应当考虑患者位置和组织器官的反复改变状态。对不同时相而言，当组织器官变化导致其照射剂量增加时可通过肿瘤控制和组织并发症发生概率间取得一种较好的折衷，即以这样方式形成治疗计划。另外一种重要考虑就是也应通过采用可变形的剂量配准覆盖组织的改变。因此，在四维计划设计和治疗实施讨论特定执行前应描述出需取得该目标的一些可变形配准能力。 图3描述了不同时相图像变形配准的处理过程，图像中将每一相位映射到参考相位（图中为第1相位）图中。该病例中采用了LU等开发的变形配准技术，这种技术非常有效且在肺癌病例中提供了较好结果。对于螺旋断层放疗技术，ZHANG等作为呼吸同步照射已描述了四维计划的最简单实施和束流照射。LU等也相继提出了实时运动自适应照射和自适应算法的技术解决。 分次治疗期间足够的外扩边界在一定程度上可对肿瘤剂量覆盖与危及器官保护之间提供一种较好的权衡。然而，肿瘤和危及器官不可能总具有同样形状、接受同样剂量或处于相同位置，所以沉积剂量将会很明显地随时间而改变，并将与通常假定独立于时间的计划相比较。放疗每分次前、期间或之后在许多成像形式和照射技术间所选择的可能性已经开启了放疗计划管理中许多可能的新事物。CTVISION系统中计划图像可用于与分次治疗前所获取的日常引导图像相关联对比，从而可执行在线或离线式处理。 目前的治疗计划系统优化算法是基于物理（即剂量）目标函数，治疗计划的生物剂量评估及其生物优化算法已在未来考虑之列。通常调强治疗多采用共面7野或9野等角度分布，无需避开直接对危及器官的照射，通过治疗计划系统的优化可满足特定剂量约束条件，在取得靶区剂量均匀性同时尽可能实现对正常组织的保护。基于CTVISION系统的IN-ROOM CT可获得患者的验证CT图像，从而实现每分次治疗对患者位置的验证。通常验证CT扫描范围需小于原始计划CT影像范围，以降低不必要的辐射剂量及减少治疗占机时间。但为了全程性地回顾各靶区及器官的受照剂量精确对比，采集验证CT影像条件需与原始计划CT影像相同。 总之，如果根据患者每个分次实际照射剂量累积情况，调整后续分次照射剂量，或者根据疗程中肿瘤对治疗的响应情况，调整靶区和(或)处方剂量，则可以实现真正的精确放疗-ART总之,ART具有以下作用特点：①为闭环的放疗过程；②对治疗过程的各个偏差进行检测；③在治疗前对原始治疗计划根据反馈结果进行再优化；④治疗因人而异。目前可将ART理解为，将放疗整个过程从诊断、计划设计、治疗实施到验证作为一个可自我响应、自我修正的动态闭系统，需要考虑诸多纠正参数，如肿瘤的位置和剂量分布、肿瘤的形状、呼吸运动和时间等，逐步调整从而实现准确的放射治疗。