肿瘤放射治疗中图像引导方式研究进展

李 明，吴建亭，王君辉，杨燕光

放射治疗（简称放疗）作为恶性肿瘤的重要治疗手段，约2/3 肿瘤患者需要接受放疗。 放疗要求最大程度将放疗剂量沉积在放疗靶区内的同时使靶区外正常组织所接受的剂量尽可能少，以达到提高放疗增益比目的。放疗过程中患者摆位误差是影响放疗精度的关键因素，如果不能将摆位误差控制在允许的范围内，精确放疗的优势将难以体现。当前，图像引导技术可以提高放疗摆位的精度，是减少摆位误差的有效方法。 图像引导方式较多，文章分别从X 射线成像技术引导、超声技术引导、光学技术引导和MRI 技术引导等四方面进行分析。

1 基于X 射线成像技术引导放疗

1.1 电子射野影像系统引导放疗

基于非晶硅平板探测器对摆位误差测量得到广泛应用，该技术运用X 射线进行拍片验证，通过较少的剂量获得患者正侧位影像。 洪全省等[1]通过比较食管癌患者电子射野影像装置（electronic portal imaging device，EPID） 和数字重建影像 （digitally reconstructured radiograph，DRR）来测量摆位误差，并根据摆位误差计算计划靶区（planning target volume,PTV）外放来制定治疗计划，可更有效地保护脊髓。任珺等[2]应用EPID 对盆腔放疗患者摆位误差分析提示， 医师和技术员应用EPID 对患者摆位误差判定无差别。 放疗技师对患者摆位误差测量可以减少患者等待时间，提高工作效率。 潘才住等[3]通过牙合垫法与EPID 结合，可有效降低鼻咽癌摆位系统误差和随机误差，提高摆位精度。 张玉海等[4]对模体中不同点的吸收剂量测量显示机载影像（on-board imager，OBI）系统比EPID 成像剂量更低，图像质量更好。 可见EPID 应用能量为兆伏的X 射线，软组织显像不清晰，在摆位误差测量时需要有经验的医生和技师参与。 EPID 除了应用于摆位误差测量，良好的物理剂量学特性使其在剂量测量方面也有广泛应用[5～7]。 目前，虽然EPID 位置验证功能已经逐渐被CBCT 所取代， 但是在验证射野的大小、形状、放疗射野剂量测量方面仍然具有其应用价值。

1.2 数字模拟定位机引导放疗

传统模拟定位机主要功能是对肿瘤进行普通定位，其性能比较单一。随着数字模拟定位机的发展，功能也日趋强大。千伏级的X 射线成像使得影像区域结构更加清晰。医生在模拟机室就可以完成肿瘤中心复位、误差测量、射野验证等工作，大大缓解治疗室验证压力。通过模拟定位机的验证野影像和DRR 比较，可以对放疗计划进行射野位置验证来减少摆位误差[8，9]。相较于MV 级的EPID， 虽然两者得到的都是二维（two-dimensional，2D）图像，但是kV 级的数字模拟定位机图像分辨率显著提升，而患者接受的单次剂量却小得多。 徐全敬等[10]应用模拟机对头颈肿瘤放疗患者进行位置校准可以减少定位、摆位中的误差，是一种有效、便捷的位置验证方法。然而，患者是在模拟定位室通过骨性标记、 解剖结构和造影剂确定放疗部位，其与在治疗室直接验证还是存在着一定误差。

1.3 CT 模拟机引导放疗

随着调强放疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）、 图像引导放疗 （image guided radiation therapy，IGRT）、容积调强放疗（volume modulation arc radiotherapy，VMAT）等放疗技术的开展，放疗CT 模拟机也得到快速发展， 特别是大孔径CT 模拟机，解决了以往乳腺托架等大型放疗固定装置不能进行CT定位的问题。 借助CT 模拟机高密度分辨率，并能提供无组织重叠的横断面图像和进行冠状面和矢状面图像重建的功能， 医生以计划CT 影像为基准图像，根据图像的骨性标志和解剖结构对放疗患者治疗中心进行图像配准，寻找准确治疗中心[11]。 杨波等[12]通过鼻咽癌和宫颈癌患者放疗计划射野中心复位分析表明，通过CT 模拟机复位有效保证了摆位精度。 陈成等[13]使用Control Scan 和位置数据计算的方法，可以精确确定含标记点CT 层面的位置。 虽然借助CT模拟定位机对等中心位置验证，可以全面了解肿瘤的形状、位置、大小和肿瘤与周围危及器官，有利于确定准确的靶区的照射点与范围，但是其临床应用受临床医生与操作技师的主观判断影响。 CT 模拟机和X 射线模拟机同属于非在线引导，就成像质量与准确度方面来说CT 模拟机明显好于X 射线模拟机。

1.4 锥形束CT 引导放疗

基于非晶硅探器的锥形束CT （cone beam CT，CBCT），通过X 射线球管围绕放疗患者做环形数字成像，通过计算机重建后获得三维（three-dimensional，3D）CBCT 图像， 对CBCT 图像与定位图像比较获得治疗摆位误差。 目前，CBCT 按照射线质分为kV 级CBCT 与MV 级CBCT，kV 级主要以瓦里安OBI 系统与医科达X 射线容积成像系统（X-ray volumetric imaging，XVI）为代表；MV 级以西门子为代表。 kV 级CBCT 治疗与验证不同源，MV 级CBCT 治疗与验证同源；kV 级相较于MV 级图像分辨率高、信噪比和成像剂量上明显优于MV 级，然而由于验证与治疗不同源，kV 级CBCT 必须定期做等中心校准。 岳丹等[14]研究表明，kV 级CBCT 能够明显减少鼻咽癌放疗摆位中的线性和旋转误差，提高了放疗的精确度。孙丽等[15]借助OBI 系统分析肺部肿瘤大分割放疗分次内误差产生的原因，通过改进相关因素可以减少分次内摆位误差。 彭倩等[16]运用CBCT 分析认为靠近肿瘤治疗中心位置设定参标记点，有助于减少摆位误差对患者治疗的影响。上述研究结果可见CBCT 在放疗患者中对质量控制与质量保证起到关键性作用。贯士阔等[17]运用CBCT 分析患者体质量指数对摆位误差影响，表明过轻患者和肥胖患者应适当增加临床靶区（clinical target volume，CTV）至PTV 的外扩边界。 孟怡然等[18]运用CBCT 对直肠癌放疗患者不同固定方式的摆位误差分析可见采用负压真空垫固定双下肢法比自制泡沫脚垫固定双脚踝法的精确度更高。王玮等[19]认为保乳术后放疗中摆位误差是相对稳定的，前期连续5次CBCT 扫描作为摆位误差校正频次较为合适。CBCT 不但可以测量放疗摆位误差，评估不同固定方式优劣，还可以为摆位误差纠正方式与应用频次进行分析。 目前，其仍然是放疗摆位误差测量的金标准。

2 基于超声引导放疗

3D B 超辅助放疗定位， 通过获取的病灶超声图像，实时高精度对患者病灶组织进行定位。 虽然B 超对软组织分辨率高，具有灰阶的切面图像，能够准确定位病灶和测量其大小的优势；但是其在肿瘤放疗中应用也存在比较明显缺陷，比如超声图像由于缺乏电子密度， 无法通过放疗计划系统（treatment planning system,TPS）直接计算剂量分布，需要融合其他定位图像进行靶区勾画和剂量计算[20]；成像视野小，靶区周围危及器官监测不完整， 缺乏患者轮廓和体表信息，该技术运用影响因素较多，需专业技术人员进行图像配准，临床应用范围局限[21，22]。 目前，在放疗中B超引导少有报道，其主要应用在粒子植入和放疗辅助膀胱测定中。

3 红外定位系统引导放疗

红外定位系统通过在患者头颈肩面膜上安装红外反光定位球进行定位CT 扫描，将扫描获得的数据传入TPS 中，通过TPS 计算出反光定位球在计划坐标系下的坐标， 从而得到反光定位球与治疗中心之间的几何位置关系。 治疗时，红外跟踪系统将实时测量出反光定位球在治疗坐标系下的坐标值，并根据计划时得到的几何位置关系实时计算出摆位误差。笔者研究发现在线红外定位系统 （on-line infrared positioning system，OPS）能够准确反映反光定位球的位置移动情况，其在鼻咽癌中应用能够减小患者摆位误差，进而减少危及器官受量[23，24]。 也有研究表明[25，26]，OPS 结合腹部加压可减小肝癌患者放疗中的肿瘤呼吸运动度和提高治疗时的摆位精度；OPS 配合改进型腹板可以减少患者放疗中左右及头脚方向的摆位误差。虽然红外定位系统应用可以减少患者摆位误差，但是由于反光定位球位置必须固定在患者的固定膜上，不能完全体现患者真实体位变化，易受固定膜变形和患者体质量指数变化的影响，因此导致其应用比较局限，而且需要每日对等中心进行校准。

4 光学表面成像引导放疗

光学表面成像是利用激光相机扫描物体，通过从TPS 中提取的患者体表3D 模型与患者的激光相机扫描影像进行匹配，用图像落差来反映摆位误差，是一种无电离辐射非侵入性验证技术，成像速度快，治疗师可直接在治疗室内进行摆位调整。现有研究表明光学表面成像在引导摆位、实时监测放疗分次间和分次内运动、减少CBCT 扫描频次及评估呼吸门控等方面具有优势[27，28]。近几年，中国国内对光学表面成像在肿瘤放疗中应用较为关注。 李谭谭等[29]研究表明光学表面成像与CBCT 两种方式确定乳腺癌治疗中心与模拟定机具有一致性，可见在CBCT 图像引导基础上使用无辐射的光学表面成像验证位置信息是安全可靠的。然而需要注意的是光学表面在乳腺癌治疗中应用需要考虑成像配准易受患者外轮廓变形的影响，特别是保乳术后患者的乳腺松弛位置变化的影响。付秀根等[30]研究表明，光学表面监测系统在两组胸部肿瘤摆位误差有较好的相关性， 相关系数在X、Y、Z 轴分别为0.79、0.62、0.53。 通过配合呼吸门控技术可以最大程度提高光学表面成像匹配精度。 叶峰等[31]研究表明，光学表面成像与CBCT 在腹部肿瘤摆位误差测量在X、Y 和Z 方 向 的 相 关 系 数 分 别 为0.628、0.858、0.682。 杨露等[32]研究表明，借助光学表面成像引导放疗患者摆位能够减少摆位误差。 就目前应用来说，光学表面成像系统用于引导放疗摆位有较高精度和稳定性，在摆位误差监测方面有着无可比拟的优势。

5 基于MRI 引导放疗

X 射线成像的放疗定位及校位设备不但对软组织成像质量较差，还会导致患者受到额外照射。 利用磁共振成像引导放疗（magnetic resonance imagingguided radiotherapy，MRIgRT） 既能为医生提供清晰的软组织结构影像，又能进行可视化肿瘤和危及器官的定位，还能避免患者受到不必要的辐射。 现有研究[33～35]表明，MRIgRT 时，需要评估磁场存在的影响。MRIgRT 能够提供清晰的软组织对比度和任意组织层面成像功能，近年来中国国内对该技术的关注度越来越高。Seregni M 等[36]研究表明磁化率引起的失真通常小于系统相关的失真，但仍然不可忽略，几何失真会降低MRIgRT 的疗效。Weygand J 等[37]对30 例肝脏患者的研究结果表明，MRIgRT 可以在线监测肝脏运动。 由于在放疗中MRI 与CT 图像进行配准运算及TPS 的校正，不可避免地会引入系统误差，治疗时需要评估系统误差范围。 总之，MRIgRT 可实现更精确的肿瘤定位，为放疗患者带来更好的疗效。

6 小结

目前，影像引导放疗的技术革新在一定程度上使得放疗精度提高一个台阶。数字模拟机、CT 模拟机作为非在线校位方式相比于EPID、光学表面成像、B 超和MRI 有明显缺点。 光学表面成像作为放疗摆位检测装置和评估工具，可以在提高治疗准确度同时减少患者CBCT 应用次数。就现阶段来说，CBCT 依然是肿瘤放疗图像引导金标准。如果能解决CBCT 图像分辨率问题可能为放疗带来新的革命，MRIgRT 作为新型引导技术将来可能取代CBCT 位置，借助影像技术发展放疗患者PTV 外放可能会进一步缩小。