图像引导放射治疗的研究现状
作者：倪昕晔，孙苏平，杨建华。
【摘要】 图像引导放射治疗（IRGRT）开创了从精确放疗到准确放疗的时代，图像引导放射治疗在实际工作中因几种方式联合使用效果更佳。由于IGRT在国内外使用才刚刚起步，利用各种方式实现的IGRT都有自其优、缺点，到目前为止还没有一个非常完美且成熟的IGRT。四维放疗结合跟踪技术是趋势，四维影像定位相对较成熟，四维计划设计和四维治疗实施还有待进一步研究。本文扼要介绍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和本身存在的问题并就今后研究的方向提出自己的看法。
【关键词】 放射治疗；靶区运动；图像引导放疗；四维计算机断层扫描术；四维放疗。
三维适形放射治疗（three dimensional conformal radiation therapy，3DCRT）或调强适形放射治疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）技术可产生高度适合靶区形状的剂量分布，减少正常组织的受照体积，基本解决了静止靶区的剂量适形问题。但在患者接受分次治疗过程中，身体治疗部位的位置和形状会发生变化，从而位于体内的靶区形状及它与周围正常组织的位置关系也发生变化，引起这些变化的原因有[1～5]：（1）分次摆位引起的误差。摆位误差主要来源于：①人体各部分均有相对运动的能力；②固定设备的不可靠性；③摆位依据的激光灯、光距尺等有一定误差；④治疗床和模拟机、CT床的差别。（2）不同次治疗时靶区的位移和变形：主要指靠近泌尿和消化系统的器官随泌尿和消化系统的充盈程度引起靶区移动；随着治疗时间的推进，患者消瘦可影响靶区的位移，体表皮肤松弛引起体表标志位移；经治疗肿瘤本身形态和在体内的位置都会发生变化。（3）在同一次治疗中靶区的位移：主要受呼吸运动影响，其次为心脏搏动影响，胃肠道蠕动、甚至血管搏动均可影响靶区运动。（4）一般CT扫描引起的误差。（5）在影像传输和计划阶段及实施之间可能出现的错误资料传输。解决以上几种误差常用的办法是在临床靶区 (clinical target volume，CTV)外放一定的间距形成内靶区（internal target volume，ITV）和计划靶区(plan target volume，PTV),通常还包括摆位误差，此法较简单，但它以牺牲周围正常组织尤其是危及器官为代价。
从CTV到PTV边界缩小是放射治疗能否取得成功的重要因素。一般来说，照射体积越大，肿瘤治疗剂量需要越高。实验证明，肿瘤治疗剂量若有近10%的增加，肿瘤控制概率几乎5倍的增加，因此控制肿瘤体积外放是十分重要的。
解决靶区运动的有效方法是采用某种技术手段探测靶区运动，并采取相应措施应对，那就是图像引导放疗（Image guide radiotherapy，IGRT），根据实现方法的不同，可以分为以下几种：
1.1 电子射野影像系统（electronic portal device，EPID） 当射线束照射靶区时，采用电子技术在射线出线的方向获取图像的工具。可以验证射野的大小、形状、位置和患者摆位，是一种二维的验证；近年来用EPID进行剂量学验证的研究也不断增多，并逐渐推向临床。EPID一般都有寿命较短的缺点。故用MV级X光片在加速器上验证射野的大小、形状、位置和患者摆位也是一种简单实用的IGRT。
1.2 KV级X线摄片和透视 KV级X线摄片和透视设备与治疗设备结合在一起，KV级X线摄片较清楚（对骨性标志），但难以检测放疗过程中软组织的相对形态变化，也是一种二维验证，且它与放射治疗不同源，因此通常还要验证X射线源的位置。
1.3 KV级CT KV级CT引导放疗与加速器共用一张床，可提供6个自由度的摆位误差，KV级CT在三维校正。但该系统不是在治疗位检测管理，无法对治疗时的肿瘤进行实时监测管理。
1.4 锥形束CT（cone beam CT） 是基于二维大面积非晶硅数字化X线探测板的锥形束CT，具有体积小、重量轻、开放式架构、直接得到三维图像等特点，可直接安装到加速器上。又分为KV—CBCT和 MV—CBCT两种，KV—CBCT空间分辨率高，但密度分辨率较低；MV—CBCT具有和治疗束同源的优点，但在图像分辨率、信噪比方面处于劣势。最近在改善MV—CBCT图像质量方面的研究在不断增多，如适应性过滤可显著降低图像噪声[7]及探测器本身材料上改进使探测效率峰值接近治疗用射线能量等，使MV—CBCT的图像质量不断得到改善。
EPID、KV级X线摄片和透视、KV级CT、锥形束CT等均未加入时间变量因素，因此不能真正解决靶区实时运动问题（特别是呼吸运动问题），只能减少IMRT的部分误差，不能解决运动误差问题。如果在CT扫描和加速器照射时加入时间变量因素，就称为四维放射治疗（four dimensional radiotherapy，4DRT）,加进时间变量因素的CT扫描，称为四维CT（four dimensional computed tomography，4DCT）,2003年的ASTRO会议上明确提出影像定位、计划设计、治疗实施阶段均明确考虑靶区随时间变化，四维放疗由四维影像定位、四维计划设计和四维治疗实施3部分构成。在这个系统中首先要解决四维定位问题。
四维影像定位是在一个呼吸运动周期或其他运动周期的每个时相采集一组三维图像，所有时相的三维图像构成一个时间序列，即四维图像。具体步骤是在平静呼吸[8,9]测量患者的呼吸频率，根据呼吸周期的长短确定每一床位的连续快速扫描层数。假如每层扫描的时间为0.64s，这样每一床位的扫描层数＝呼吸周期/0.64，每一床位多系列扫描结束后，CT床位移动一定的距离（CT排数不一样，移动距离不一样，64排CT最大扫描距离为4cm）,准备下一次多系列扫描。相邻床位多系列扫描之间的间隔时间为呼吸周期的整倍数，如此往复，直至整个肿瘤全部扫描完毕，如图1[9]。呼吸运动是一种半自主的周期性运动，每个患者差距较大，因此在给每个肺癌患者做计划前，需要确定每个肿瘤随呼吸运动的范围，利用多系列CT扫描图像重建四维图像，可建立肺部肿瘤的运动曲线。目前这项技术已经比较成熟了。
尽管四维放疗可完成运动靶区的不间断照射，但它有一个前提条件：那就是治疗时靶区及周围正常组织的运动与定位时完全一致。实际上这是在理想状态下的，原因：（1）人的呼吸运动不是完全一致的；（2）治疗时人体会不自主的运动。解决这些问题最常用的办法是X线实时摄影，但存在患者接受不必要射线过多及X线机连续工作等问题[10]，我们可以尝试用红外线、B超探测和AC电磁场等[11~14]无创方式来解决这些问题。Shimizu等[15，16]研究发现肺上野肿瘤、肺中野肿瘤、肺下野肿瘤运动位移是不一致的。但已有报道[17]不同患者间因呼吸而引起的肿瘤运动差异较大，且肺部肿瘤运动与体表标记物运动不都具有相关性。因此我们利用红外线、B超、AC电磁场等跟踪技术，来间接监控肺部肿瘤的运动，用外部信号代替肿瘤的实际运动，必须要建立两者可靠、稳定的时间、空间关系。如何建立这也是我们今后要研究的方向。