圖像引導(dǎo)放療

圖像引導(dǎo)放療進(jìn)展

--自適應(yīng)放射治療

1精選課件何為自適應(yīng)放療？自適應(yīng)放療〔adaptiveradiationtherapy,ART〕是圖像引導(dǎo)放療〔image-guidedradiationtherapy,IGRT〕開(kāi)展延伸出得一種新型放療技術(shù)。其實(shí)施是通過(guò)照射方式的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)患者組織解剖或腫瘤變化的調(diào)整，即通過(guò)引導(dǎo)圖像〔如CT、EPID等〕評(píng)判患者解剖和生理變化，或治療過(guò)程中所反響信息如腫瘤大小、形態(tài)及位置變化，分析分次治療與原方案設(shè)計(jì)之間的差異，從而指導(dǎo)后續(xù)分次治療方案的重新設(shè)計(jì)。2目的提高腫瘤放療的精準(zhǔn)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤靶區(qū)高劑量照射的同時(shí)，最大限度地減少周?chē)＝M織受到高劑量照射的可能性，進(jìn)而降低并發(fā)癥發(fā)生概率。3內(nèi)容提要一、ART概述二、自適應(yīng)優(yōu)化的考慮三、自適應(yīng)放療的過(guò)程四、結(jié)語(yǔ)4一、ART概述自適應(yīng)放射治療；開(kāi)展隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的開(kāi)展，人們生活水平的提高，腫瘤放射治療技術(shù)也開(kāi)展迅猛。自適應(yīng)放射治療(ART)是在3D—CRT和IMRT的根底上開(kāi)展而來(lái)的新技術(shù)。5一、放射治療的現(xiàn)狀3D-CRT適用于絕大局部的腫瘤。3D-CRT是一種能使高劑量區(qū)的劑量分布在三維方向上和靶區(qū)的實(shí)際形狀相一致的照射技術(shù)。其利用CT圖像重建三維的腫瘤結(jié)構(gòu)，通過(guò)在不同方向設(shè)置一系列不同的照射野，并采用與病灶形狀一致的適形擋鉛，使得高劑量區(qū)的分布形狀在三維方向(前后、左右、上下)上與靶區(qū)形狀一致，同時(shí)使得病灶周?chē)＝M織的受量降低。適形放療包括照射靶區(qū)和周?chē)匾鞴倩蚪M織的三維定位、治療方案的設(shè)計(jì)、模擬以及實(shí)施4個(gè)方面。6適形放療解決了一些常規(guī)放療或手術(shù)不能解決的問(wèn)題：如對(duì)于射線抗拒的腫瘤及有手術(shù)禁忌證或手術(shù)不易切除的腫瘤，其提供了新的治療途徑，并取得很好療效。但是，適形放射治療并不能取代常規(guī)放療，如惡性淋巴瘤、鼻咽癌、有明確淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的腫瘤、空腔臟器腫瘤均應(yīng)采用常規(guī)放療方法，剩余灶用適形放射治療補(bǔ)量，才能到達(dá)理想的治療效果。目前常用于在常規(guī)放療后期提升腫瘤靶區(qū)劑量。IMRT是在各處輻射野與靶區(qū)外形一致的條件下，針對(duì)靶區(qū)三維形狀和要害器官與靶區(qū)的具體解剖關(guān)系對(duì)束強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，單個(gè)輻射野內(nèi)劑量分布是不均勻的，但整個(gè)靶區(qū)體積內(nèi)劑量分布比3D–CRT治療更均勻。7二、ART概念的引入特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方式Y(jié)ah等于1995年提出“將圖像數(shù)據(jù)作為反響來(lái)判斷擺位正確與否〞，并于1997年在放射治療過(guò)程中首次提出ART〞的概念，使用圖像數(shù)據(jù)、劑量以及其他信號(hào)作為反響進(jìn)而對(duì)治療方案進(jìn)行修正。廣義上講，任何一種通過(guò)反響來(lái)調(diào)節(jié)治療過(guò)程的技術(shù)均可納入ART的范疇，比方影像引導(dǎo)放射治療(IGRT)、體積引導(dǎo)放射治療、劑量引導(dǎo)放射治療(DGRT)、結(jié)構(gòu)引導(dǎo)放射治療等。IGRT可謂是ART的初級(jí)階段，而DGRT那么是在IGRT的根底上提出的，DGRT除了要比照?qǐng)D像數(shù)據(jù)外。還要將治療時(shí)的腫瘤和周?chē)＝M織實(shí)際吸收劑量于治療方案中計(jì)算出來(lái)的劑量進(jìn)行比對(duì)，以及時(shí)調(diào)整患者擺位、治療方案再優(yōu)化，甚至在必要時(shí)修正處方劑量。8換言之，如果根據(jù)患者每個(gè)分次實(shí)際照射劑量累積情況，調(diào)整后續(xù)分次照射劑量，或者根據(jù)療程中腫瘤對(duì)治療的響應(yīng)情況，調(diào)整靶區(qū)和(或)處方劑量，那么可以實(shí)現(xiàn)真正的精確放療-ART總之,ART具有以下作用特點(diǎn)：①為閉環(huán)的放療過(guò)程；②對(duì)治療過(guò)程的各個(gè)偏差進(jìn)行檢測(cè)；③在治療前對(duì)原始治療方案根據(jù)反響結(jié)果進(jìn)行再優(yōu)化；④治療因人而異。目前可將ART理解為，將放療整個(gè)過(guò)程從診斷、方案設(shè)計(jì)、治療實(shí)施到驗(yàn)證作為一個(gè)可自我響應(yīng)、自我修正的動(dòng)態(tài)閉系統(tǒng)，需要考慮諸多糾正參數(shù)，如腫瘤的位置和劑量分布、腫瘤的形狀、呼吸運(yùn)動(dòng)和時(shí)間等，逐步調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的放射治療。9就ART的實(shí)現(xiàn)方式而言。大致可以分為擺位修正、離線ART、實(shí)時(shí)ART和DGRT。簡(jiǎn)言之。擺位修正是指在每個(gè)分次治療過(guò)程中，擺位后采集患者的二維或三維圖像信息反響給臨床醫(yī)生，通過(guò)與參考圖像比較，確定擺位誤差和射野位置誤差，并予以校正，然后實(shí)施照射治療。離線ART是指根據(jù)最初的數(shù)次或當(dāng)前的反響信號(hào)，修改治療方案，并按照修改后的治療方案實(shí)施后續(xù)分次方案。實(shí)時(shí)ART是指根據(jù)當(dāng)前分次的反響信號(hào)，修改治療方案，并按照修改后的治療方案實(shí)施當(dāng)前分次治療。DGRT是指通過(guò)劑量校驗(yàn)工具檢測(cè)實(shí)際照射劑量和方案劑量之間是否存在誤差，如果誤差較大，應(yīng)考慮修改方案。10三、螺旋斷層放療系統(tǒng)螺旋斷層放療機(jī)一開(kāi)始就被視為調(diào)強(qiáng)治療。加上它本身是CT機(jī)，故而也被認(rèn)為是IGRT機(jī)。另外，它不僅能在治療前產(chǎn)生傳統(tǒng)的CT影像，且可根據(jù)該影像快速計(jì)算出當(dāng)天患者的所受劑量，如有必要可依據(jù)腫瘤和解剖的變化重新計(jì)算優(yōu)化方案，產(chǎn)生自適應(yīng)后的新方案來(lái)完成剩余的分次照射，從而保證原始方案和目標(biāo)能在整個(gè)治療過(guò)程中準(zhǔn)確無(wú)誤地得以完成DGRT，并真正意義上實(shí)現(xiàn)了劑量引導(dǎo)下的ART，它代表著以最大限度殺滅腫瘤細(xì)胞和最大程度保護(hù)正常組織為目標(biāo)的精確放療設(shè)備開(kāi)展的一個(gè)方向。11自適應(yīng)放療：新鮮？陳舊？Mackie等于1993年發(fā)表了螺旋斷層治療〔HT〕設(shè)計(jì)思路的同時(shí)，就從理論上提出了利用其CT影像及劑量重建來(lái)修正對(duì)患者后續(xù)分次治療的設(shè)想，這是第1次提及劑量重建和基于治療時(shí)CT圖像所獲取信息的自適應(yīng)放療思想。特別是近年來(lái)隨著三維適形放療和調(diào)強(qiáng)放療的開(kāi)展，越來(lái)越多的研究者關(guān)注于腫瘤靶區(qū)定義的精確性和對(duì)正常組織器官位置、大小和形狀的改變都會(huì)影響到放療的精準(zhǔn)性。12靶區(qū)外加邊界的形成為了確保臨床靶體積〔CTV〕獲得足夠處方劑量，最簡(jiǎn)單方法是在CTV外加一個(gè)邊界形成方案靶體積〔PTV〕，而這一邊界那么必須考慮到患者治療過(guò)程中的擺位誤差、器官運(yùn)動(dòng)以及器官變形。但這種外加邊界方法同時(shí)很有可能會(huì)增加正常組織受照射體積，從而引發(fā)靶區(qū)周?chē)P(guān)鍵器官的放射性反響，進(jìn)而增加并發(fā)癥可能。13ART概念的提出很多研究者希望能在不漏射靶體積條件下最大限度減少外擴(kuò)邊界。為解決這一難題，1997年YAN等正式提出了ART概念。經(jīng)過(guò)10多年研究以及放療中影像設(shè)備的快速開(kāi)展，ART技術(shù)已逐步成熟并正相繼開(kāi)展中。14ART的定義通過(guò)歸納總結(jié)可定義ART為一個(gè)閉循環(huán)的放療過(guò)程，能通過(guò)圖像來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的變化，繼而根據(jù)變化的反響信息相對(duì)應(yīng)地重新優(yōu)化治療方案。1516IGRT與ART的異同圖1分別表示出IGRT和ART的流程圖，從中可發(fā)現(xiàn)雖然它們各自的時(shí)間順序有所改變，但在獲取患者診斷影像、方案設(shè)計(jì)以及治療的根本功能方面是沒(méi)有區(qū)別的；ART所表現(xiàn)出的復(fù)雜性主要在于根據(jù)患者影像變化而改變治療方案的反復(fù)循環(huán)工作流程上，其中的影像驗(yàn)證和方案變換是實(shí)時(shí)、在線的就是在線式ART，非實(shí)時(shí)性的那么是離線式ART。17在IN-ROOMCT上的應(yīng)用CTVISION系統(tǒng)中所獲得的診斷級(jí)定位圖像可實(shí)現(xiàn)類(lèi)似往常一樣的靶區(qū)及敏感器官勾畫(huà)。同時(shí)，這些圖像也可用于與治療時(shí)所獲取的日常驗(yàn)證圖像相關(guān)聯(lián)，從而予以執(zhí)行在線或離線式處理。圖2列出了自適應(yīng)放療中在CTVISION系統(tǒng)上使獲取圖像的流程圖1819二、自適應(yīng)優(yōu)化的考慮基于患者四維影像的方案設(shè)計(jì)是ART中關(guān)鍵性的組成局部之一。本質(zhì)上，治療方案設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)當(dāng)是一種四維處理過(guò)程。當(dāng)治療期間擺位和〔或〕組織器官結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)考慮時(shí)間〔一維〕相位。這些變化也許發(fā)生在分次放療內(nèi)〔分次內(nèi)組織器官或擺位變化〕，或分次放療間〔分次間組織器官或擺位變化〕。20傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的局限性傳統(tǒng)上講，通過(guò)采用代表患者的三維輪廓〔典型CT圖像〕實(shí)現(xiàn)了治療方案的設(shè)計(jì)，并假定治療期間這種輪廓將得以保持。該方法考慮到了組織器官和〔或〕擺位可能的改變，導(dǎo)致靶區(qū)和〔或〕敏感器官的外擴(kuò)邊界增加。即使在一些病例治療中此方法可能足夠，但在靶區(qū)覆蓋和正常組織避讓之間也許不能到達(dá)最后的權(quán)衡，從而患者總劑量可能導(dǎo)致增加。21時(shí)間變量的考慮隨著圖像引導(dǎo)及其處理過(guò)程的有效性，放療中除實(shí)際沉積劑量外還取得了患者體位的時(shí)間變化參數(shù)，治療方案優(yōu)化已本質(zhì)上獲得一種新維數(shù)，或者分次間〔內(nèi)〕可將時(shí)間合并作為可變量之一，從而用于確定如何和什么時(shí)候?qū)嵤?duì)治療的調(diào)整。221、治療分次內(nèi)的考慮治療分次內(nèi)的變化是指在各分次治療過(guò)程中靶區(qū)位置或形狀隨時(shí)間的變化。臨床中從四維圖像系列可獲得呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)相，在方案中形成出四維治療模式，并同時(shí)考慮患者位置和組織器官的改變。23該問(wèn)題的最后表現(xiàn)就是運(yùn)用患者處于呼吸狀態(tài)中的信息形成治療方案，然后將最優(yōu)化四維方案予以治療實(shí)施，其應(yīng)當(dāng)考慮患者位置和組織器官的反復(fù)改變狀態(tài)。對(duì)不同時(shí)相而言，當(dāng)組織器官變化導(dǎo)致其照射劑量增加時(shí)可通過(guò)腫瘤控制和組織并發(fā)癥發(fā)生概率間取得一種較好的折衷，即以這樣方式形成治療方案。24另外一種重要考慮就是也應(yīng)通過(guò)采用可變形的劑量配準(zhǔn)覆蓋組織的改變。因此，在四維方案設(shè)計(jì)和治療實(shí)施討論特定執(zhí)行前應(yīng)描述出需取得該目標(biāo)的一些可變形配準(zhǔn)能力。25圖3描述了不同時(shí)相圖像變形配準(zhǔn)的處理過(guò)程，圖像中將每一相位映射到參考相位〔圖中為第1相位〕圖中。該病例中采用了LU等開(kāi)發(fā)的變形配準(zhǔn)技術(shù)，這種技術(shù)非常有效且在肺癌病例中提供了較好結(jié)果。

對(duì)于螺旋斷層放療技術(shù)，ZHANG等作為呼吸同步照射已描述了四維方案的最簡(jiǎn)單實(shí)施和束流照射。LU等也相繼提出了實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)照射和自適應(yīng)算法的技術(shù)解決方案。26分次治療期間足夠的外擴(kuò)邊界在一定程度上可對(duì)腫瘤劑量覆蓋與危及器官保護(hù)之間提供一種較好的權(quán)衡。然而，腫瘤和危及器官不可能總具有同樣形狀、接受同樣劑量或處于相同位置，所以沉積劑量將會(huì)很明顯地隨時(shí)間而改變，并將與通常假定獨(dú)立于時(shí)間的方案相比較。27三、自適應(yīng)放療的過(guò)程放療每分次前、期間或之后在許多成像形式和照射技術(shù)間所選擇的可能性已經(jīng)開(kāi)啟了放療方案管理中許多可能的新事物。CTVISION系統(tǒng)中方案圖像可用于與分次治療前所獲取的日常引導(dǎo)圖像相關(guān)聯(lián)比照，從而可執(zhí)行在線或離線式處理。281、治療方案產(chǎn)生目前的治療方案系統(tǒng)優(yōu)化算法是基于物理〔即劑量〕目標(biāo)函數(shù)，治療方案的生物劑量評(píng)估及其生物優(yōu)化算法已在未來(lái)考慮之列。通常調(diào)強(qiáng)治療多采用共面7野或9野等角度分布，無(wú)需避開(kāi)直接對(duì)危及器官的照射，通過(guò)治療方案系統(tǒng)的優(yōu)化可滿足特定劑量約束條件，在取得靶區(qū)劑量均勻性同時(shí)盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)正常組織的保護(hù)。292、日常驗(yàn)證圖像的獲取基于CTVISION系統(tǒng)的IN-ROOMCT可獲得患者的驗(yàn)證CT圖像，從而實(shí)現(xiàn)每分次治療對(duì)患者位置的驗(yàn)證。通常驗(yàn)證CT掃描范圍需小于原始方案CT影像范圍，以降低不必要的輻射劑量及減少治療占機(jī)時(shí)間。但為了全程性地回憶各靶區(qū)及器官的受照劑量精確比照，采集驗(yàn)證CT影像條件需與原始方案CT影像相同。303、ART評(píng)估和分析〔1〕在線處理過(guò)程〔2〕離線處理過(guò)程31〔1〕在線處理過(guò)程〔1〕在線處理過(guò)程：基于解剖結(jié)構(gòu)信息，利用在線CT圖像可實(shí)施患者的重新擺位。現(xiàn)代CT圖像性能不僅可辨高比照度組織如骨，而且也可對(duì)軟組織信息予以區(qū)分。運(yùn)用這些圖像可實(shí)施患者擺位的適宜調(diào)節(jié)，一些情況下對(duì)擺位偏差進(jìn)行校正是有必要的。特別的，患者擺位中觀察到的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和所產(chǎn)生的變化，這也將有助于對(duì)分次間解剖學(xué)變化給予一定的補(bǔ)救。如靶區(qū)、危及器官、骨組織和外部輪廓均相對(duì)于另一器官發(fā)生移動(dòng)時(shí)，可選擇性對(duì)患者重新予以擺位，最初方案的劑量分布將最能反映出所需擺位的信息。32局限性考慮解剖學(xué)變化而實(shí)現(xiàn)對(duì)患者擺位的調(diào)節(jié)，其局限性在于實(shí)施可能位置變化的調(diào)節(jié)通?；诩僭O(shè)以剛性的患者〔體〕來(lái)實(shí)現(xiàn)的。解剖組織結(jié)構(gòu)變化越多，也許越難以確保實(shí)現(xiàn)按照對(duì)患者原始治療方案的實(shí)施。33可選方法原理上，實(shí)現(xiàn)方案再設(shè)計(jì)也許會(huì)是最好的選擇，但目前采用在線方式調(diào)整似乎是不太現(xiàn)實(shí)。因此，提議的一種可選方法就是對(duì)于每分次照射，在幾次有效的方案變化之間選擇出可利用的治療前患者圖像。該過(guò)程的關(guān)鍵好處就是，由于可考慮組織器官的變化，它提供了在線劑量重新優(yōu)化的諸多優(yōu)勢(shì)，但所有必要的計(jì)算需治療前來(lái)完成。34治療方案的選擇假設(shè)能預(yù)測(cè)或至少適當(dāng)?shù)仡A(yù)計(jì)患者解剖學(xué)變化的話，那么預(yù)先可實(shí)行對(duì)治療方案的準(zhǔn)備。處理過(guò)程從幾套輪廓和〔或〕PTV外擴(kuò)邊界的形成開(kāi)始，方案的后續(xù)準(zhǔn)備適用于這些外擴(kuò)邊界或解剖學(xué)變化。治療時(shí)，執(zhí)行與日常組織器官相吻合最好的方案。這種解決方法被稱為日常選擇的多種外擴(kuò)邊界優(yōu)化法。35另一種選擇基于在線CT圖像，還可以采用另一種方法實(shí)現(xiàn)在線的優(yōu)化。這種方法的缺點(diǎn)之一就是需為調(diào)強(qiáng)放療每天勾畫(huà)出精確的器官輪廓。對(duì)于一定解剖部位而言，通過(guò)方案CT和日常驗(yàn)證CT圖像之間所創(chuàng)立的扭曲形變可自動(dòng)地形成靶區(qū)和危及器官輪廓。這些形變圖可運(yùn)用原始方案內(nèi)輪廓，產(chǎn)生出日常器官輪廓。然而，許多病例中如前列腺癌，每天勾畫(huà)出CTV靶區(qū)特別是頭腳方向，這似乎是不太容易。36理想放療流程在線性能和過(guò)程的有效性不僅提供了圖像引導(dǎo)ART的可能性，而且潛在地提升臨床放療標(biāo)準(zhǔn)的再定義。假設(shè)優(yōu)化算法計(jì)算快，且足夠靈活地產(chǎn)生在線方案，日?！皰呙?、方案、再治療〞的理想放療流程將最終成為可能。37〔2〕離線處理過(guò)程應(yīng)用每天圖像可離線地確定每分次治療中日常擺位和組織器官的改變，或一系列分次中影響靶區(qū)覆蓋和正常組織避讓情況。例如，在幾分次后通過(guò)定義關(guān)聯(lián)的特定患者所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)級(jí)別及其組織器官改變，從而可創(chuàng)立出患者特定的輪廓。同時(shí)，對(duì)于肺部或頭頸部腫瘤而言，日常圖像有助于實(shí)施跟蹤腫瘤的縮小，而幾分次后該腫瘤縮小也許具有重要的臨床