图像引导的放射治疗

图像引导的放射治疗 2006年4月第33卷第4期JlntOnco1.Apirl2006,Vol33.No.4 56(2):375—383. 18BentzenL,KeidingS,HorsmanMR,eta1.Assessmentofhypoxiain experimentalmicetumorsby[18F]FluommisonidazolePETandPO2 electrodemeasurementinfluenceoftumorvolumeandearbogenbreath— ing.ActaOncol,2002,41(3):304-312. (收稿日期:2005-06-03修回日期:2006一O1-12) 图像引导的放射治疗 王鑫综述朱国培应红梅审校 摘要随着放射治疗向高精度方向的发展,图像引导的放射治疗(IGRT)成为一个非常重要 的发展方向.现综述IGRT的相关设备,应用及存在的问题. 关键词放射疗法;放射摄影影像解释,计算机辅助 中图分类号R730.55文献标识码A文章编号1673-422x(2oo6)o4-0267-03 理想的放疗计划是给予肿瘤高剂量照射的同时 最大限度保护周围正常器官组织.但在放疗实施过 程中还有一些问题需要解决,如如何保证被照范围是 计划预定的肿瘤区域,如何保证将处方剂量准确地给 予到确定的治疗区域.这些问题不同于计划靶区的 确定,是指计划实施时如何确定治疗靶区的准确照 射.即便是调强放射治疗技术,如果出现异常的误 差,不仅影响疗效,还可能得出错误结论….图像引 导的放射治疗(imageguidedradiotherapy,IGRT)是 解决这些棘手问题的一个有效手段.IGRT将放射治 疗机与影像设备相结合,每次治疗前采集相关的影像 学信息来确定治疗靶区是否与治疗前计划的靶区一 致J.先进的影像技术和放射治疗设备的集成,特 别是立体定向或容积成像设备与放疗设备相结合提 供了几乎实时的图像引导功能,即实时IGRT. 1IGRT的作用 肿瘤及周围正常组织在每次治疗中和各次治疗 之间都可随时空变化而变化.单次放疗中位置不确 定因素有:解剖结构移动,变形,正常生理过程如呼 吸,心跳,胃肠蠕动等.分次放疗之间位置不确定因 素有:肿瘤退缩或进展,形状改变,骨性标志的位置变 化,肠腔,膀胱等脏器的充盈状态等.忽视这些变 化,将影响到肿瘤实际照射剂量,造成肿瘤欠照和正 常组织损伤增加.因此在治疗中,考虑到肿瘤位置的 不确定及肿瘤的移动,放射范围必须包括肿瘤附近一 定范围内的正常组织,确保没有肿瘤组织被漏照或欠 照.如果在放疗时能观察到肿瘤位置的变化并进行 相应调整,就有可能缩小正常组织受照范围.动态跟 作者单位:200032上海,复旦大学附属肿瘤医院放射治疗科 ? 综述? 踪影像引导放疗可解决这个问题,它使用固定装置和 成像工具更精确地锁定肿瘤位置,解决一些微小的摆 位变化问题,提供治疗计划模拟及在放疗期间解决肿 瘤运动的,即IGRT的2个作用:测量并校正误 差和补偿运动. 1.1测量并校正误差 放射治疗摆位误差有2种J:?系统误差(prep. arationerrors),发生在治疗计划准备期间,是实际治 疗位置和模拟定位时位置的差异,体现了在放射治疗 机下复制模拟定位时体位的难度;?随机误差(exe. cutionerrors),发生在治疗计划执行期间,反映了分 次治疗间的差异.Hurkmans等H总结不同部位肿瘤 进行放疗时的系统和随机误差,头颈部分别为1.6, 4.6mm,1.1,2.5mm,前列腺分别为1.0,3.8mm, 1.2—3.5mm,盆腔分别为1.1—4.7mm,1.1— 4.9mm,肺分别为1.8—5.1mm,2.2,5.4mm,乳腺 分别为1.0,4.7mm,1.7,14.4mm,指出各部位理 想的系统和随机摆位误差为:头颈部误差<2mm, 前列腺误差<2.5mm,盆腔误差<3mill,肺误差 <3.5mm.通过IGRT,可在一次测量后立即进行在 线纠正,从而减少摆位误差.分析治疗前获得的呼吸 相关锥形束CT图像和模拟定位时获取的呼吸相关 定位CT可得到肺部肿瘤的位置和运动信息并及时 进行校正[5].Ghilezan等用锥形束cT校正前列腺 癌患者摆位,使临床靶区(clinicaltargetvolume,CTV) 到计划靶区(planningtargetvolume,PTV)的安全边界 平均减少lmm,靶区均一等效剂量提高了2.1%. 1.2补偿运动 在器官运动方面,研究最多的是呼吸运动.肺是 体内运动幅度最大的器官,影响胸部和上腹部肿瘤的 治疗.Erridge等用电子射野成像设备观察肺癌放 疗中肿瘤移动幅度,显示肿块3个方向的平均移动幅 度分别为7.3mm,12.5mm,9.4mm,尤其下肺野肿 瘤在头脚方向移动幅度最大.Engelsman等报道 在肺癌放疗时,对于移动范围为2,3cm的肿瘤,用 呼吸门控,可使CTV与V问的安全边界减少7— 12mm.Shimizu等报道呼吸运动引起的肿瘤动度 平均为6.4mm,通过呼吸门控可使肿瘤在各方向上 的运动减少到5.3mm以下.另一种方式是实时位 置管理呼吸门控系统,设置一个可以监测呼吸运动的 探测器,当呼吸动度超出限定范围时,自动停止照射, 这样就可以选择呼吸周期中最佳时相进行肿瘤成像 和治疗,既能减少受照肺体积,又能提高靶区剂量. Sillanpaa等.’将红外线光导系统整合到加速器上, 当患者胸前的红外线反射标记在设定区域外,就自动 切断射线停止照射. 2自适应放疗 自适应放疗(adaptiveradiotherapy,ART)是基于 校正误差和补偿器官运动两种作用发展起来的. Yan等指出制定治疗计划时,CTV与PTV的间隙 往往是根据群体摆位误差测量结果,但对患者个体来 说,所需要的问隙是不同的.适应性放疗在开始的几 次治疗时,每次治疗前都进行摄片并通过计划系统研 究计划靶区,综合分析结果,确定最终的计划靶区. 另一种方法是通过与治疗机形成反馈回路的运动探 测器器官运动情况,当靶区运动超出照射区域时 反馈信号将自动停止照射并进行靶区校正.Martinez 等?将两者统称为图像引导的自适应放疗(image guidedadaptiveradiotherapy,IGART).由于IGART 减少了器官运动及摆位误差对治疗的影响,减少了 的边界,从而可提高照射剂量,提高肿瘤局控率. Brabbins等?将适应性照射应用于前列腺癌患者放 疗中,提高了治疗精确性,减少了直肠和膀胱并发症. 虽然自适应放疗提供了校正治疗误差的方法,但并不 适用于随机误差很大,误差随时问而改变和分割次数 很多的治疗.而实时IGRT在每次治疗中可观测到 肿瘤位置和形状的改变,有助于及时修正,从而解决 放疗的不确定性. 3IGRT设备 3.1机载成像技术 在直线加速器上配1个特殊的低量”机载”x射 线成像系统,主要包括1个特殊的x射线球管和1个 安放在一对机械手臂上的高速非晶硅平板x射线影 像探测器?.这种探测器具有高分辨率,高灵敏度, 较宽的能响范围,不仅可监测放疗实施中射野的形状 2006年4月第33卷第4期JIntOncol.April2006,y0l曼 和位置,还可监测射野内的剂量,即剂量引导的放射 治疗.集成于该系统的高度专业化软件将管理这些 影像,并将其与诊断及模拟定位时的参考影像比较, 能自动完成对患者体位的瞬间调整.主要有3种成 像模式:?x射线照相模式,使用诊断用x射线 显示患者的骨骼解剖,或显示已植入肿瘤或肿瘤附近 的标记,主要用于放疗位置的日常检查和调整;?透 视模式,将快速x射线序列换成动态影像,如赛博刀 (cyber-knife)治疗机使用2个交角安装的KV—X线 等中心投射到患者治疗部位,根据探测的标记点,机 架臂随时调整射线方向,实施图像跟踪式照射;?锥 形束cT模式,可产生三维软组织目标影像,Wong 等’在前列腺癌放疗中用锥形cT测量和校正患者 摆位误差,指出可以缩小CTV到V边界至5mm, 从而可提高靶区剂量和减少直肠副反应.通过比较 治疗时呼吸相关锥形束CT和呼吸相关定位CT图像 以提供治疗中肿瘤位置的信息,有助于采取措施校正 并减少摆位误差?. 3.2移动式CT 在加速器治疗室内放置一台CT,通过轨道相连, 可使治疗床在治疗机和cT上转换,保证患者同一体 位获取图像和治疗.目前已用于颅脑及椎管肿瘤的 立体定向放疗,Takeuchi等-l用面罩和体模固定脑 肿瘤患者,通过移动式cT,可使分次治疗摆位误差控 制在1.5mm以下. 3.3红外线系统 主要由红外线发射和接收器,图像处理工作站, 涂有红外线反射涂料的基准球组成.目前应用最多 的是红外线系统呼吸门控装置?,通过放于患者胸 前的基准球的运动,将呼吸运动转换成波形图像,控 制加速器出射和切断射线.Hong等?用红外线系 统监测头颈部肿瘤放疗的摆位误差,发现各个方向上 的平均偏移为3.33mm. 3.4超声定位系统 将定位CT和每次实施治疗前的实时超声图像叠 加,配比参考结构,给出位置校正信息,实时校正患者摆 位旧.目前主要用于前列腺和上腹部肿瘤.Fuss 等用超声定位系统在线校正上腹部肿瘤患者的摆 位,三维方向上偏移平均为(11.4?7.6)mm,通过校正 后三维偏移为(4.9?4.35)mm,(6.0?5.31)mm和 (6.0?6.7)mm.虽然超声费用低,操作方便,但受 有限扇形视窗和分辨率的限制.Langen等同时用 移动式cT和超声定位系统测量和校正同一批前列 腺癌患者的摆位误差时发现,前后和头脚方向两者相 吻合,而左右方向上一致性差,超声不能达到满意的 国际肿瘤学杂志2006年4月第33卷第4期JIntOncol,Apid2006.Vol33.Nn4 效果. 4结语 放射治疗已进入了精确定位,精确计划和精确治 疗的新时代.现在的技术可以得到患者个体化信息 和实时影像,从而使治疗误差达到最小化,但还存在 以下几个问题.?成本一效益.在提高治疗精度的工 作中,为提高摆位准确性,需充分固定患者体位,不断 修正靶区.但IGRT的设备十分昂贵,而且实施过程 需要大量人力物力,并非所有医疗中心都拥有这样的 设备.从循证医学角度考虑,对于什么样的患者使用 IGRT才能获益还需临床进一步探讨.?越高的精 度一越多的问题.越高的精度可能带来越多的问题, 怎样保证高精度设备在高精度状态下运转,怎样验证 和维持这些设备的精度,还需要做很多工作.?时间 延长一生物效应降低.由于采用的放疗技术越来越复 杂,如采用实时监控的呼吸门控技术,为避免分次放 疗时间延长导致生物效应改变,可适当提高剂量 率.解决这些问题尚需进一步积累临床经验. 参考文献 1HongTS,RitterMA,TomeWA,eta1.Intensity-modulatedradiation therapy:emergingcareertreatmenttechnology.BrJCancer,2005,92 (10):1819-1824. 2MackieTR,KapatoesJ,RuchalaK,etaLImageguidanceforprecise conformalradiotherapy.IntJRadiatOncolBiolPhys,2003,56(1):89- 105. 3vanHerkM.Errorsandmarginsinradiotherapy.SeminRadiatOncol, 2004,14(1):52-64. 4HurkmansCW,RemeijerP,LebesqueJ,,,eta1.Set-upverificationu- singportalimaging;reviewofcurrentclinicalpractice.Radiother Oncol,2001,58(2):105?120. 5SonkeJJ,ZijpL,RemeijerP,eta1.Respiratorycorrelatedcorebeam CT.MedPhys,2005,32(4):1176-1186. 6GhilezanM,YanD,LiangJ,etaLOnlineimageguidedintensity-mod- ulatedradiotherapyforprostatecancer:Howmuchimprovementcanwe expect?Atheoreticalassessmentofclinicalbenefitsandpotentialdose e~alationbyimprovingprecisionandaceur~yofradiationdelivery.Int JRudiutOncolBiolPhys,2004,60(5):1602-1610. 7ErridgeSC,SeppenwooldeY,MullerSH.eta1.Portalimagingtoassess Bet.uperrors.tumormotionandtumorshrinkageduringconfonnalra- diotherapyofnon-smallcelllungCURCeI’,RadiotherOncol,2003,66 (1):75-85. 8EngelsmanM,SharpGC,BorffeldT,eta1.HowmuchRimerreduction ispossiblethroughgatingorbreathhold?PhysMedBiol,2005,50 (3):477?490. 9ShimizuS.ShlratoH.OguraS,eta1.Detectionoflungtumormovement - 269? 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