图像引导放疗

图像引导放疗进展

--自适应放射治疗

1精选课件何为自适应放疗？自适应放疗〔adaptiveradiationtherapy,ART〕是图像引导放疗〔image-guidedradiationtherapy,IGRT〕开展延伸出得一种新型放疗技术。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，或治疗过程中所反响信息如肿瘤大小、形态及位置变化，分析分次治疗与原方案设计之间的差异，从而指导后续分次治疗方案的重新设计。2目的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。3内容提要一、ART概述二、自适应优化的考虑三、自适应放疗的过程四、结语4一、ART概述自适应放射治疗；开展随着社会经济的开展，人们生活水平的提高，肿瘤放射治疗技术也开展迅猛。自适应放射治疗(ART)是在3D—CRT和IMRT的根底上开展而来的新技术。5一、放射治疗的现状3D-CRT适用于绝大局部的肿瘤。3D-CRT是一种能使高剂量区的剂量分布在三维方向上和靶区的实际形状相一致的照射技术。其利用CT图像重建三维的肿瘤结构，通过在不同方向设置一系列不同的照射野，并采用与病灶形状一致的适形挡铅，使得高剂量区的分布形状在三维方向(前后、左右、上下)上与靶区形状一致，同时使得病灶周围正常组织的受量降低。适形放疗包括照射靶区和周围重要器官或组织的三维定位、治疗方案的设计、模拟以及实施4个方面。6适形放疗解决了一些常规放疗或手术不能解决的问题：如对于射线抗拒的肿瘤及有手术禁忌证或手术不易切除的肿瘤，其提供了新的治疗途径，并取得很好疗效。但是，适形放射治疗并不能取代常规放疗，如恶性淋巴瘤、鼻咽癌、有明确淋巴结转移的肿瘤、空腔脏器肿瘤均应采用常规放疗方法，剩余灶用适形放射治疗补量，才能到达理想的治疗效果。目前常用于在常规放疗后期提升肿瘤靶区剂量。IMRT是在各处辐射野与靶区外形一致的条件下，针对靶区三维形状和要害器官与靶区的具体解剖关系对束强度进行调节，单个辐射野内剂量分布是不均匀的，但整个靶区体积内剂量分布比3D–CRT治疗更均匀。7二、ART概念的引入特点及实现方式Yah等于1995年提出“将图像数据作为反响来判断摆位正确与否〞，并于1997年在放射治疗过程中首次提出ART〞的概念，使用图像数据、剂量以及其他信号作为反响进而对治疗方案进行修正。广义上讲，任何一种通过反响来调节治疗过程的技术均可纳入ART的范畴，比方影像引导放射治疗(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，而DGRT那么是在IGRT的根底上提出的，DGRT除了要比照图像数据外。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方案中计算出来的剂量进行比对，以及时调整患者摆位、治疗方案再优化，甚至在必要时修正处方剂量。8换言之，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，那么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方案根据反响结果进行再优化；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、方案设计、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。9就ART的实现方式而言。大致可以分为摆位修正、离线ART、实时ART和DGRT。简言之。摆位修正是指在每个分次治疗过程中，摆位后采集患者的二维或三维图像信息反响给临床医生，通过与参考图像比较，确定摆位误差和射野位置误差，并予以校正，然后实施照射治疗。离线ART是指根据最初的数次或当前的反响信号，修改治疗方案，并按照修改后的治疗方案实施后续分次方案。实时ART是指根据当前分次的反响信号，修改治疗方案，并按照修改后的治疗方案实施当前分次治疗。DGRT是指通过剂量校验工具检测实际照射剂量和方案剂量之间是否存在误差，如果误差较大，应考虑修改方案。10三、螺旋断层放疗系统螺旋断层放疗机一开始就被视为调强治疗。加上它本身是CT机，故而也被认为是IGRT机。另外，它不仅能在治疗前产生传统的CT影像，且可根据该影像快速计算出当天患者的所受剂量，如有必要可依据肿瘤和解剖的变化重新计算优化方案，产生自适应后的新方案来完成剩余的分次照射，从而保证原始方案和目标能在整个治疗过程中准确无误地得以完成DGRT，并真正意义上实现了剂量引导下的ART，它代表着以最大限度杀灭肿瘤细胞和最大程度保护正常组织为目标的精确放疗设备开展的一个方向。11自适应放疗：新鲜？陈旧？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。12靶区外加边界的形成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外加一个边界形成方案靶体积〔PTV〕，而这一边界那么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响，进而增加并发症可能。13ART概念的提出很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开展，ART技术已逐步成熟并正相继开展中。14ART的定义通过归纳总结可定义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，继而根据变化的反响信息相对应地重新优化治疗方案。1516IGRT与ART的异同图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、方案设计以及治疗的根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方案的反复循环工作流程上，其中的影像验证和方案变换是实时、在线的就是在线式ART，非实时性的那么是离线式ART。17在IN-ROOMCT上的应用CTVISION系统中所获得的诊断级定位图像可实现类似往常一样的靶区及敏感器官勾画。同时，这些图像也可用于与治疗时所获取的日常验证图像相关联，从而予以执行在线或离线式处理。图2列出了自适应放疗中在CTVISION系统上使获取图像的流程图1819二、自适应优化的考虑基于患者四维影像的方案设计是ART中关键性的组成局部之一。本质上，治疗方案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〕。20传统方案设计的局限性传统上讲，通过采用代表患者的三维轮廓〔典型CT图像〕实现了治疗方案的设计，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到达最后的权衡，从而患者总剂量可能导致增加。21时间变量的考虑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，治疗方案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。221、治疗分次内的考虑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，在方案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。23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方案，然后将最优化四维方案予以治疗实施，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方案。24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，在四维方案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。25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方案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方案。26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方案相比较。27三、自适应放疗的过程放疗每分次前、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方案管理中许多可能的新事物。CTVISION系统中方案图像可用于与分次治疗前所获取的日常引导图像相关联比照，从而可执行在线或离线式处理。281、治疗方案产生目前的治疗方案系统优化算法是基于物理〔即剂量〕目标函数，治疗方案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，通过治疗方案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。292、日常验证图像的获取基于CTVISION系统的IN-ROOMCT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方案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。但为了全程性地回忆各靶区及器官的受照剂量精确比照，采集验证CT影像条件需与原始方案CT影像相同。303、ART评估和分析〔1〕在线处理过程〔2〕离线处理过程31〔1〕在线处理过程〔1〕在线处理过程：基于解剖结构信息，利用在线CT图像可实施患者的重新摆位。现代CT图像性能不仅可辨高比照度组织如骨，而且也可对软组织信息予以区分。运用这些图像可实施患者摆位的适宜调节，一些情况下对摆位偏差进行校正是有必要的。特别的，患者摆位中观察到的内部组织结构和所产生的变化，这也将有助于对分次间解剖学变化给予一定的补救。如靶区、危及器官、骨组织和外部轮廓均相对于另一器官发生移动时，可选择性对患者重新予以摆位，最初方案的剂量分布将最能反映出所需摆位的信息。32局限性考虑解剖学变化而实现对患者摆位的调节，其局限性在于实施可能位置变化的调节通常基于假设以刚性的患者〔体〕来实现的。解剖组织结构变化越多，也许越难以确保实现按照对患者原始治疗方案的实施。33可选方法原理上，实现方案再设计也许会是最好的选择，但目前采用在线方式调整似乎是不太现实。因此，提议的一种可选方法就是对于每分次照射，在几次有效的方案变化之间选择出可利用的治疗前患者图像。该过程的关键好处就是，由于可考虑组织器官的变化，它提供了在线剂量重新优化的诸多优势，但所有必要的计算需治疗前来完成。34治疗方案的选择假设能预测或至少适当地预计患者解剖学变化的话，那么预先可实行对治疗方案的准备。处理过程从几套轮廓和〔或〕PTV外扩边界的形成开始，方案的后续准备适用于这些外扩边界或解剖学变化。治疗时，执行与日常组织器官相吻合最好的方案。这种解决方法被称为日常选择的多种外扩边界优化法。35另一种选择基于在线CT图像，还可以采用另一种方法实现在线的优化。这种方法的缺点之一就是需为调强放疗每天勾画出精确的器官轮廓。对于一定解剖部位而言，通过方案CT和日常验证CT图像之间所创立的扭曲形变可自动地形成靶区和危及器官轮廓。这些形变图可运用原始方案内轮廓，产生出日常器官轮廓。然而，许多病例中如前列腺癌，每天勾画出CTV靶区特别是头脚方向，这似乎是不太容易。36理想放疗流程在线性能和过程的有效性不仅提供了图像引导ART的可能性，而且潜在地提升临床放疗标准的再定义。假设优化算法计算快，且足够灵活地产生在线方案，日常“扫描、方案、再治疗〞的理想放疗流程将最终成为可能。37〔2〕离线处理过程应用每天图像可离线地确定每分次治疗中日常摆位和组织器官的改变，或一系列分次中影响靶区覆盖和正常组织避让情况。例如，在几分次后通过定义关联的特定患者所产生的运动级别及其组织器官改变，从而可创立出患者特定的轮廓。同时，对于肺部或头颈部肿瘤而言，日常图像有助于实施跟踪肿瘤的缩小，而几分次后该肿瘤缩小也许具有重要的临床