21世纪的近距离治疗—图像引导的治疗计划设计及应用

1、21世纪的近距离治疗图像引导的治疗计划设计及应用2013主要内容近距离治疗用放射源近距离治疗剂量计算方法近距离治疗计划设计基本步骤影像引导的治疗计划设计和实施外照射和近距离治疗前言近距离治疗的剂量学特点靶体积获得高剂量照射，正常组织剂量很低（距离平方反比效应）；治疗持续时间短；体积分剂量低，正常组织损伤小；防护相对简单计算机技术和影像学的发展和应用， 极大的促进了外照射技术的发展，诸如人们所熟悉的CT模拟技术，三维治疗计划，三维适形调强照射技术等，在放射治疗临床中的应用和逐步完善，至使放射治疗进入了一个崭新的令人振奋的时代，即三维放射治疗时代。在近距离治疗中，根据CT，MR，超声等三维影像学图

2、像资料，正向或逆向设计插植计划，并给出相对于患者解剖位置的剂量分布，这一技术已在多种部位肿瘤的近距离治疗中应用，是近十年来近距离治疗不断发展的重要标志，并被认为是21世纪近距离治疗的主要方法之一。近距离治疗技术的质量保证（三个基本原则）位置准确 (Positional Accuracy) +/-2mm时间准确 (Temporal Accuracy) +/-2 %给予剂量准确 (Dose Delivery Accuracy) AAPM TG41,TG56近距离治疗用放射源近距离治疗用放射源(逐渐使用低能量短半衰期放射源)应用传统现在将来腔内治疗 低剂量率226Ra137Cs, 192Ir 241

3、Am,192Ir, 169Yb 高剂量率60Co60Co, 192Ir169Yb, 192Ir组织间插植治疗 手工插植226Ra137Cs, 192Ir 后装插植-192Ir 高剂量率-192Ir169Yb, 192Ir永久性插植 常用剂量率222Rn198Au198Au, 131Cs 超低剂量率-125I, 103Pd125I, 103Pd125I, 103Pd, 169Yb放射源的物理学参数Ir-192 HDR后装治疗机高剂量后装机 手动回源 备用电池 125I 粒子源NAS Model 3631-A/M 125I (Heintz, Wallace and Hevezi 2001).MBI

4、 125I (Li 2002)(Rivard, Melhus, and Kirk 2004)Model 6711 (Heintz, Wallace and Hevezi 2001) 103Pd 粒子源Theragenics Model 200 (Rivard, et al. 2004)RadioCoil Model 6733 (Meigooni, et al. 2004) 131Cs 新型离子源IsoRay model CS-1 131Cs (Murphy, et al. 2004)近距离治疗剂量计算方法剂量计算: AAPM Task Group 43*推荐新的剂量计算 公式： Dose Ra

5、te(r,q) = Sk L F(r,q) g(r ) G(r,q) / G(r0,q0)对于 103Pd, 125I，192Ir 给出各自的剂量学参 数 *Nath R, Anderson LL,Luxton G, Weaver KA, Williamson JF, Meigooni AS. Dosimetry of interstitial brachytherapy sources: Recommendations of the AAPM Radiation Therapy Committee Task Group No. 43, Med Phys, 22(2): 209, 1995.D

6、ose Rate(r,q) = Sk L F(r,q) g(r ) G(r,q) / G(r0,q0)Sk 空气比释动能强度 1U=1单位空气比释动能强度 剂量率常数F(r,q) 各向异性函数g(r ) 径向剂量函数G(r,q) 几何因子 剂量比较步进源微型源模拟线源 S:l1.5近距离治疗计划设计基本步骤近距离治疗计划设计框图定义靶体积和敏感器官设计放射源分布和植入方法 植入施用器模拟放射源定位剂量计算和优化 实施治疗计划系统图像剂量系统放射源的分布：首先，主管医生根据患者的影像学资料和近距离治疗原则，确定靶体积的位置，形状和大小，以及临近的敏感组织和正常器官。然后由放射治疗物理师协助临床医

7、生设计放射源的分布。设计方法根据特定剂量学系统规则进行临床靶区的描述曼彻斯特系统ICRU系统敏感器官的定义近距离治疗和外照射靶体积定义相对解剖A点的变化根据临床靶区的大小，确定插值方式和放射源的长度及间距巴黎系统的基本插值规则 放射源的线比释动能率相等,4.2-6.4MGy.h-1.m2.cm-1 放射源是相互平行的直线源，其强度、长度及间距相等， 且各放射源的中心在同一平面，即中心平面 多平面插值，放射源排列为等边三角形或正方形巴黎系统放射源分布与临床靶区的关系放射源长度与临床靶区长度之比为0.7-0.8放射源间距与放射源长度有关。 长度小于4cm，间距0.8-1.5cm,长度5-9cm，间

8、距1.1-1.8cm，长度大于10cm，间距1.5-2.2cm临床靶区厚度T小于1.2cm，单平面插值ST/0.6；mi=0.35 S临床靶区厚度大于1.2cm, 双平面插值；三角形插值，间距ST/1.3；mi=0.2 S，正方形插值， ST/1.57；mi=0.27 S二维计划模拟定位片放射源的定位 ：通常采用X射线照相技术。其步骤是按照特定的计量学系统的布源规则，确定放射源的几何排列，并按规则将施源器或输源导管植入靶体积。然后放入假源（dummy source），经X射线照像后，得到模拟实际照射时源在靶体积内的几何排列。常用的X射线照像技术是正交影像定位技术，即正位和侧位成像技术，也称为等

9、中心照像技术，以及立体变角照像技术。剂量优化（dose optimization）：利用一些数学算法，根据临床对靶体积剂量分布的要求，设计和调整放射源的配置（位置和/或强度），使得剂量分布最大限度的满足临床要求。这一方法借助于计算机技术的发展，特别在计算机控制的步进源后装照射技术中得到应用。目前采用的剂量优化主要是基于施源器的剂量优化技术。剂量优化优化与外照射技术的发展相比较，目前近距离治疗所采用的技术，无论是确定放射源的分布和定位技术，以及剂量计算、优化和治疗计划的评价等诸多方面，都较少以特定患者的影像学资料为基础。 利用特定的剂量学系统，有助于确定放射源的数目和分布，以治疗一定形状的靶体积

10、。但一般情况，剂量学系统往往是一些通用原则，在较为复杂的临床实践中对于特定患者的具体解剖位置，放射源的分布有时并不能完全遵循这些原则。 利用常规的正侧位X射线影像片，可以较为准确的为放射源定位，并清晰的显示放射源之间的几何关系和相互位置。但欲同时确定放射源与靶体积以及邻近正常组织的相互关系，往往会受到X射线影像片成像质量的限制，例如在软组织解剖结构中，由于缺乏骨性标记，需要借助造影剂或术中放置的金属标记。 目前多数近距离治疗计划系统的剂量优化算法，基本上是相对于施源器（即放射源）的几何位置。例如通常采用的步进源剂量系统，计算时并未涉及靶体积和邻近正常组织的相关参数。而对剂量优化结果的评价，也往

11、往是对剂量分布的剂量学分析，在近距离治疗中使用的特征剂量体积直方图（由Anderson于1986年提出的），并未考虑患者的解剖资料。图像引导的治疗计划设计和实施近距离治疗技术进一步发展的主要趋势之一，是如何在近距离治疗计划设计的各个环节，充分利用现代影像学技术，即在设计放射源的分布，放射源的植入、定位及确认，直至剂量优化计算过程中，始终是以影像学参数为基础来实施，真正做到特定患者的个体化计划设计和治疗。CT引导插植治疗OFFENBACH近距离治疗计划设计步骤OFFENBACH近距离治疗流程图CT 引导植入施用器CT图像定义PTV 和敏感器官 基于CT图像的施用器重建 优化三维剂量分布 剂量分布

12、评估 实施治疗 计划系统CT引导植入施源器，有助于根据特定患者的肿瘤形状，确定施源器的数目和分布，使得施源器能覆盖整个靶体积，并避免对敏感组织的植入损伤。具体做法是患者在行CT扫描之前，根据欲治疗的解剖部位，确定扫描范围，以保证CT扫描能包括整个靶体积及相邻的敏感器官，同时在皮肤上作好标记，用来标识靶体积在皮肤的相对位置，植入施源器应使其规则分布，间距依赖于靶体积的大小，一般为0.52.0cm, 同时施源器的分布要在靶体积表面以内，在三维空间上使其距表面距离不超过0.51.0cm将施源器植入并固定后，再次行CT扫描。扫描厚度为0.20.4cm，层间距为0.5cm。扫描后得到的CT影像经网络传输

13、至治疗计划工作站。主管放射治疗医生根据CT影像确定计划靶体积（PTV）和敏感组织。根据每一帧CT影像重建施源器的三维分布。这一操作是基于植入施源器后所完成的CT扫描，其图像应包括相应患者的解剖结构、靶体积、敏感器官和施源器。计算算法对施源器的寻迹是在每一帧CT影像中实施的，基础是施源器的CT值（Hounsfield number）、施源器的外径、CT层间距离、层厚和CT影像中施源器的几何形状根据PTV的大小，在PTV表面生成等间距剂量点，通常间距为0.52.0cm。步进源驻留位沿施源器而确定，其原则是保证驻留位在PTV以内，并低于PTV表面0.51.0cm。然后按照使PTV表面各剂量点剂量均匀

14、为目标函数作剂量优化，参考剂量定义为100%。如果需要可根据适形指数（conformal index，COIN）的计算值进一步作剂量优化利用PTV和正常组织的剂量体积直方图（DVH）评估优化后的剂量分布，并计算适形指数（COIN）。通常PTV的覆盖率应在85%以上，和COIN值大于0.64优化在近距离治疗中，理想情况是以参考剂量值（Dref）所表示的三维等剂量曲线包罗特定的计划靶体积（PTV）和在PTV以外剂量迅速跌落，以及在PTV内没有超剂量区近距离治疗剂量优化的目标，是使求解的剂量分布能满足临床要求。基本原则是 : 在PTV表面产生均匀剂量; 限制PTV以内超高剂量范围； 在PTV以外达到

15、较为陡峭的剂量跌落适形指数（COIN）的计算适形指数COIN的具体计算方法是首先确定系数C1和C2。系数C1定义为接受参考剂量Dref的计划靶体积PTVref所占总计划靶体积的份额，这是一个测定参考剂量体积Dref包罗计划靶体积PTV的指标。理想情况是C1 = 1。 PTVref C1 = (1) PTV系数C2定义为包括计划靶体积PTV的部分参考剂量Vref。C2也是一个测定多少PTV以外的正常组织被参考剂量Dref所包罗的指标。理想情况是C2 = 1： PTVref C2 = (2)Vref定义适形指数COIN为： COIN = C1 C2 (3)适形指数不仅应考虑接受参考剂量Dref的P

16、TV，也应考虑PTV以外的不希望被照射的正常组织。而式3并未包括不希望被照射的部分和所有敏感组织。在临床中如由敏感组织需要考虑，则需要定义系数C3： Ncs Vcsref , i C3 = 1- (4)i=1 Vcs, iNcs是敏感组织的总个数（i=1、2、3、）。适形指数COIN应改写为： COIN = C1 C2 C3 （5）图像引导的粒子植入技术植入前计划(Pre-plan)应用CT定义靶体积确定处方剂量应用计划系统得到理想的籽粒分布确定植入籽粒方式计算籽粒强度及数量订购籽粒前列腺永久性插植治疗示意图 膀胱内透视可见标记 经直肠 引导植入的超声探头植入模版 18号植入针 (1.3mm

17、直径) 靶体积的确定CT超声治疗体积的确定(VOLUME STUDY)治 疗 计 划 系 统 植入模式 计划实施（OP technique)配置籽粒/植入器患者体位术中/影像技术籽粒植入患者体位 籽粒制备籽粒制备 超声引导植入植入技术Auto plan loadSelect & connect needleCheck runSeed-spacer train composeSeed & train checkSeed deliveryAuto needle pull backDrive wire retraction 剂量模式均匀植入周边植入改进式均匀植入 边缘效应Margin:3-5 mmU100%isodose新100% isodose100% isodose100%等剂量包扩靶体积改近均匀植入: 去除中心籽粒冠状面 .横断面D2.0均匀植入 改进式均匀植入植入后计划（Post Plan)行CT扫描（植入后130天）定义靶体积（植入前/后关系）籽粒定位计算实际剂量分布剂量学评估植入后CT 扫描确认 I