精確放射治療中的影像引導技術成像原理和應用

李宏奇 王穎杰 劉承利 夏廷毅

[摘要] 立體定向消融治療是代表性的精確放療技術，具有精準定位、精準照射、高效微創等特點，已在腦轉移瘤、早期非小細胞肺癌治療中取得與手術相當的效果。其中影像引導技術在精確放療過程管理中發揮關鍵作用，分為單一成像系統和組合成像系統。前者有超聲引導、電子射野成像引導、錐形束和扇形束CT引導、核磁引導以及電磁追蹤等技術，后者有ExacTrac X射線六維立體定向引導系統等。本文將回顧當前應用的影像引導技術，分析成像原理以及如何改善治療準確性和縮小腫瘤周圍正常組織受照射體積，探索未來融合發展前景。

[關鍵詞] 放射治療；影像引導；成像原理；應用

[中圖分類號] R815.6 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2018）07（a）-0030-04

Imaging principle and application of image-guided technology in the precise radiotherapy

LI Hongqi1 WANG Yingjie1 LIU Chengli2 XIA Tingyi1

1.Department of Radiation Oncology， Airforce General Hospital， Beijing 100142， China； 2.Department of Hepatic Surgery， Airforce General Hospital， Beijing 100142， China

[Abstract] Stereotactic ablative radiation therapy is one of representative precise radiotherapy technology and has characteristics of precise simulation， accurate delivery， good performance and minimal adverse effect， which has acquired similar results with surgery in the treatment of brain metastasis and early stage non-small cell lung cancer. During the precise delivery management， the image-guided technologies play an important role， which include single imaging system and the combination of imaging system. The former are guided by ultrasound， electron beam， cone beam computer tomography （CT）， fan beam CT， nuclear magnetic image and electromagnetic tracking technology； the latter are guided by ExacTrac X-ray six dimensional directional guidance system， etc. This article will review current application of image-guided technology and analyze imaging principle and how to improve the accuracy and shrink surrounding normal tissues irradiated volume， explore the future development.

[Key words] Radiotherapy； Image-guided； Imaging principle； Application

放射治療是重要的腫瘤治療手段，目前已經進入精確放射治療時代。精確放療的最大優勢體現在精確打擊腫瘤，正常組織損傷輕微，但實現這一目標需具備準確發現腫瘤、精準定位腫瘤和精細控制腫瘤動度等條件，這些前提條件都需要通過影像引導技術來實現。因此，影像引導技術是精確放療發展的必要條件和質量保證，它的成像質量、速度和模式很大程度上影響了放療的結果。目前臨床上采用了很多不同模式的影像引導技術，種類繁雜，各有優缺點，深入了解各種影像引導技術的成像原理、技術參數和應用環境，對臨床醫生正確選擇恰當的影像引導方式，最大程度改善精確放療效果有重要意義。本文將這些技術分為兩大類：單一成像系統和組合成像系統，并結合目前應用的產品來剖析基本原理，歸納技術特征，闡述臨床應用效果，探索未來發展前景。

1 單一成像系統

1.1 光學影像引導系統

光學影像引導的優點在于獲取影像速度快，在治療過程中實時、持續監測患者面部位移等誤差；監測過程中沒有輻射，有利于增加影像引導技術的使用頻率。目前使用的2個產品分別是：AlignRT系統（英國倫敦VisionRT公司）和C-Rad哨兵系統（瑞典烏普薩拉C-RAD AB公司），二者在放療過程中通過面部照相和攝影測量法產生患者面部三維模型，同時利用參考點來確定患者與治療室等中心的位置關系。這些系統利用嚴格的身體轉換來實施最小二次方擬合，從而把計劃中的三維模型相對于等中心的空間差異最小化[1]。例如AlignRT系統采用多個立體照相機來獲取三維影像，從而追蹤皮膚表面，并與預設位置相對比，達到亞毫米級的準確性；如果患者在治療過程中出現移動，超出了預定位置范圍，AlignRT系統可以給放療系統自動發送信號暫停照射。而C-Rad哨兵系統通過一個照相機和激光系統進行線性掃描來實現這個過程。Wiant等[2]報道AlignRT系統在亞毫米水平可以保證準確性和重復性，特別是乳腺癌放療患者配準方面，能夠顯著縮小計劃靶體積（planning target volume，PTV）外擴邊界。

1.2 超聲引導系統

治療室內的超聲引導系統從20世紀90年代后期開始應用，最初僅用于前列腺癌[3]，之后逐步用于腹部腫瘤和乳腺癌。超聲引導過程包括在模擬定位時獲取靶區的CT和超聲圖像，據此勾畫靶區并傳輸到治療室。放療前，在治療體位獲取靶區的實時超聲圖像，再利用軟件把實時超聲數據模擬產生靶區輪廓，與之前勾畫的靶區輪廓重疊比對從而調整和配準。超聲引導有很多優點，例如無輻射、無創、時間短（3～5 min）、花費少、軟組織顯像清晰等；但對操作者訓練水平和經驗依賴性強，因此，與基準點標記和錐形束CT（Cone Beam Computer Tomography，CBCT）相比，超聲引導系統的準確性有所下降；而且，采集靶區數據時，超聲探頭需對腹部加壓，可能引起靶區移動；另外勾畫靶區的模擬定位CT系統與超聲系統相互融合具有一定的困難[4]，位于骨骼后方的器官受到骨骼遮擋，超聲波無法透過，其應用受限。

1.3 電磁追蹤系統

電磁追蹤系統在腫瘤內植入電磁發射器實現了實時追蹤腫瘤的功能，例如瓦里安公司的Calypso系統，主要包括安裝在治療室內的1個移動式電磁控制臺、1個接收器、3個紅外線光學照相機和1個集散器；安裝在控制室內的無線轉發器和追蹤工作站。Calypso系統可以檢測細微的腫瘤移動，并微調修正擺位誤差，從而避開周圍健康組織直接向腫瘤投照最大放射劑量。Franz等[5]報道采用Calypso系統在前列腺癌定位時，有利于縮小外擴邊界，減輕正常組織毒性。

1.4 核磁引導系統

核磁共振相對于CBCT而言，軟組織成像對比度高，對于中樞神經系統、頭頸部、腹部和盆腔腫瘤以及重要的正常組織是非常有益的[6]。將核磁共振與放療系統無縫整合在同一個平臺，可以同步實現核磁影像引導和放射治療，從而縮小PTV外擴邊界[7]，這樣可以進一步提升靶區劑量和單次照射劑量[8-9]。但將這兩個獨立的、完全不同的，而且一定程度上是互不相容的操作系統整合在一個狹窄的物理空間內協調運轉，具有很大技術難度。第一臺核磁引導系統是Viewray公司的MRIdian？誖放射治療系統。

1.5 電子射野成像系統

直到1990年，由加速器射束產生的射野驗證片還主要通過膠片成像，醫生將射野驗證片與模擬膠片在觀片燈下互相對比，用彩色鉛筆來標示體位變化。后來，電子射野成像系統（Electron Portal Imaging Device System，EPIDs）替代了傳統膠片成像，是目前主流影像引導技術之一。EPIDs使醫生能通過數字化手段對比所有圖像，并且當患者躺在治療床上時，仍能夠實時調整患者體位。Li等[10]報道EPIDs在射野中心的幾何準確性達到1～2 mm。EPIDs基本原理是基于間接檢測有源矩陣平面平板成像系統（Indirect Detection Active Matrix Flat Panel Imagers，AMFPIs）。AMFPI系統分為3層，最上層是金屬板，中間層是磷光體，第三層是由成對的光電二極管和薄膜晶體管組成的矩陣探測器。入射光子經過最上層金屬板時被轉換成電子，同時低能散射線被吸收掉，電子經過磷光體時被轉換成可見的光子，最后可見的光子被探測器陣列接收，從而成像。因此，EPIDs探測的是兆伏級射線（Megavoltage Ray，MV ray）。兆伏級（Megavolt，MV）EPIDs優點包括可直接參考膠片成像的臨床應用經驗，直接使用加速器射束成像，在放療過程中實時成像等；但與千伏級（kilovoltage，KV）圖像相比，其圖像對比度差，獲取MV圖像所需照射劑量顯著高于獲取KV圖像所需劑量[11]（與KV-CBCT相似）。

1.6 CBCT引導系統

CBCT引導系統把CBCT直接安裝在加速器上，結合可伸縮的常規X射線管和非晶硅X射線探測器實現影像引導。獲取圖像后，根據骨性解剖結構或軟組織密度差異配準圖像，配準后通過遙控治療床矯正平移和旋轉誤差[12]。CBCT引導的優點包括獲取容積數據速度快，數據量豐富，并且與很多解剖位置、體位、擺位設施都能互相兼容。另外，CBCT提供了三維體積和解剖數據，可以評估平移和旋轉擺位誤差，對于確定靶區和多方位對比是有益的。但CBCT的中心射束和邊緣射束的檢測值有差異，需要校正[13-14]；而且，在掃描過程中需要通過治療床移動患者，可能造成擺位誤差。根據CT種類分為KV-CBCT和MV-CBCT。KV-CBCT通過提高平板探測器的幀頻、降低散射線干擾，增強解剖結構清晰度，圖像質量顯著改善，降低了成像所需劑量[15]。KV-CBCT的缺點是，當體內存在骨骼固定鋼板、人造關節假體等致密金屬物體時，由于KV級X射線光子衰減，會產生條形偽影。MV-CBCT的優點在于不會產生條形偽影，其缺點在于康普頓效應導致其圖像對比度低于KV-CBCT，并且對于前列腺、胰腺、肝臟等對比度低的器官，需更高的成像劑量（約10 cGy）[16]。

1.7 扇形束CT引導系統

扇形束CT引導系統優點是CT機架安裝在一個軌道上，可移動CT去覆蓋患者，而不是像傳統CT那樣把患者移動到掃描系統中。通過把治療床旋轉到不同角度對著CT掃描系統，軌道上的CT掃描系統可以沿著床的方向直線移動并獲取患者三維CT圖像，而患者始終保持著固定好的治療體位，有利于減小擺位誤差。而且，扇形束KVCT可以產生診斷級質量的CT圖像，用來與原始治療計劃中的CT圖像配準比對，改善了軟組織靶區定位準確性，降低了判斷圖像配準時操作人員之間的差異[17]。但扇形束CT成像系統和放療設備分別使用獨立的機架，患者的移動、治療床讀數和控制的精確程度等都會造成擺位的不確定性。扇形束MVCT操作簡便，患者輻射劑量低，通常每次1～3 cGy，可以每天獲取MVCT圖像；MVCT還可用于監測放療過程中患者解剖結構變化，測量靶區和正常組織劑量。

2 組合成像系統

2.1 光學影像和X射線正交影像引導系統

該系統將光學定位和KV級X射線成像相結合的方法定位患者，并在線矯正體位誤差。例如，德國BrainLAB AG公司的ExacTrac X射線六維立體定向引導系統（ExacTrac X-ray），包括2個子系統：①一套用于初始擺位的光學定位系統（ExacTrac），可以監測患者的呼吸，并為加速器的跟蹤和門控治療系統提供信號，其準確性達到亞毫米級[18]；②一套根據內部解剖結構或植入的基準點標記來進行位置驗證或調整的六維KV級X射線成像系統。ExacTrac X-ray系統最初僅用于腦和脊髓病變的無框架立體定向治療，目前也用于肺、肝、頭頸部以及婦產科領域[19]。Infusino等[20]報道采用ExacTrac X-ray系統在所有方向上的擺位誤差均小于2 mm。另一種技術是瓦里安公司的Novalis Tx，它把ExacTrac的光學引導和X射線定位系統與在線影像引導系統結合，全部安裝在同一臺直線加速器上[21]，從而改善治療前的軟組織容積成像，促進固定目標和移動靶區的定位。

2.2 二維KV級X射線立體影像引導系統

該技術包括實時腫瘤跟蹤系統、賽博刀和VERO等。實時腫瘤跟蹤系統（Real-time Tumor Tracking Radiotherapy System，RTRT，北海道大學醫學院和三菱電子公司研制）包括4個X射線照相系統，每個系統都配備一個具有固定準直器的X線球管、圖像增強器和高壓X線發生器，它通過在腫瘤內植入基準點標記來實時跟蹤腫瘤，并根據獲取的信息來控制直線加速器[22]，這個直線加速器受到門控調節，只有當標記點的實際位置相對于等中心處于一個可接受的范圍時，才能照射腫瘤。RTRT最早被用于肺癌和肝癌[23]，對于肺癌，實時跟蹤可以把照射束開放時的腫瘤動度降低到5 mm以下[24]。賽博刀機器人放射外科系統，包括1個安裝在機器人機械手臂上的緊湊型X射線直線加速器。機械手臂引導射線到2個正交X射線成像系統射線束的交叉點，通過整合2個角度圖像來為治療過程提供影像引導[25]。VERO系統有2個X線球管和平板探測器，通過初始的治療床運動和一對側位X線片來對齊患者。治療床的平移可以調整計劃等中心和機器等中心的粗對準，而且，能夠三維矯正擺位誤差。在初始擺位以后，機載成像子系統激活來對圖像配準進行微調，利用一對側位X線片通過觀察骨性標志評價平移、旋轉、傾斜和偏移方面的擺位誤差，并補償器官運動。

3 小結

目前，放射治療已進入精確放療時代，由于精確放療單次劑量高、治療分次少，要求更加精細地控制定位精度和靶區動度。在此推動下，影像引導技術從光學發展為電子成像，從平面發展為立體成像，從靜態發展為動態成像，從輻射發展為無輻射成像，從單一模式發展為復合模式成像；成像階段從治療前成像發展為治療全程實時成像。未來，影像引導技術必然向成像質量更高、速度更快、輻射更低、準確性更高的方向發展，為精確放療精準導航，進一步改善放射治療效果，降低正常組織損傷。

[參考文獻]

[1] Bu L，Ma X，Tu Y，et al. Optical image-guided cancer therapy [J]. Curr Pharm Biotechnol，2013，14（8）：723-732.

[2] Wiant D，Pursley J，Sintay B. SU-D-213CD-02：the accuracy of alignrt guided set-up for whole breast and chestwall irradiation [J]. Med Phys，2012，39（6 Part3）：3617-3618.

[3] Ricardi U，Franco P，Munoz F，et al. Three-dimensional ultrasound-based image-guided hypofractionated radiotherapy for intermediate-risk prostate cancer：results of a consecutive case series [J]. Cancer Invest，2015，33（2）：23-28.

[4] Li M，Ballhausen H，Hegemann NS，et al. A comparative assessment of prostate positioning guided by three-dimensional ultrasound and cone beam CT [J]. Radiat Oncol，2015，10：82.

[5] Franz AM，Schmitt D，Seitel A，et al. Standardized accuracy assessment of the calypso wireless transponder tracking system [J]. Phys Med Biol，2014，59（22）： 6797-6810.

[6] Cao Y，Tseng CL，Balter JM，et al. MR-guided radiation therapy：transformative technology and its role in the central nervous system [J]. Neuro Oncol，2017，19（suppl_2）：ii16-ii29.

[7] Torresin A，Brambilla MG，Monti AF，et al. Review of potential improvements using MRI in the radiotherapy workflow [J]. Z Med Phys，2015，25（3）： 210-220.

[8] Fallone BG，Murray B，Rathee S，et al. First MR images obtained during megavoltage photon irradiation from a prototype integrated linac-MR system [J]. Med Phys， 2009， 36（6）：2084-2088.

[9] Kirkby C，Stanescu T，Rathee S，et al. Patient dosimetry for hybrid MRI-radiotherapy systems [J]. Med Phys，2008， 35（3）：1019-1027.

[10] Li J，Burman C，Chan M. SU-E-J-14：Evaluation of mechanical accuracy of electronic portal imaging devise on its use in patient specific IMRT QA [J]. Med Phys，2012， 39（6Part6）：3655.

[11] Mege JP，Wenzhao S，Veres A，et al. Evaluation of MVCT imaging dose levels during helical IGRT：comparison between ion chamber，TLD，and EBT3 films [J]. J Appl Clin Med Phys，2016，17（1）：143-157.

[12] Meyer J，Wilbert J，Baier K，et al. Positioning accuracy of cone-beam computed tomography in combination with a HexaPOD robot treatment table [J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys，2007，67（4）：1220-1228.

[13] Delishaj D，Ursino S，Pasqualetti F，et al. Set-up errors in head and neck cancer treated with IMRT technique assessed by cone-beam computed tomography：a feasible protocol [J]. Radiat Oncol J，2018，36（1）：54-62.

[14] Kaliyaperumal V，Raphael CJ，Varghese KM，et al. Study of variation in dose calculation accuracy between kV cone-beam computed tomography and kV fan-Beam computed tomography [J]. J Med Phys，2017，42（3）：171-180.

[15] Boda-Heggemann J，Lohr F，Wenz F，et al. kV cone-beam CT-based IGRT：a clinical review [J]. Strahlenther Onkol，2011，187（5）：284-291.

[16] Sutton MW，Fontenot JD，Matthews KL，et al. Accuracy and precision of cone-beam computed tomography guided intensity modulated radiation therapy [J]. Pract Radiat Oncol，2014，4（1）：e67-e73.

[17] Li XA，Chen X，Zhang Q，et al. Margin reduction from image guided radiation therapy for soft tissue sarcoma：secondary analysis of Radiation Therapy Oncology Group 0630 results [J]. Pract Radiat Oncol，2016，6（4）：e135-e140.

[18] Stanley DN，Papanikolaou N，Gutierrez AN. Development of image quality assurance measures of the ExacTrac localization system using commercially available image evaluation software and hardware for image-guided radiotherapy [J]. J Appl Clin Med Phys，2014，15（6）：4877.

[19] Keeling V，Hossain S，Jin H，et al. Quantitative evaluation of patient setup uncertainty of stereotactic radiotherapy with the frameless 6D ExacTrac system using statistical modeling [J]. J Appl Clin Med Phys，2016，17（3）：111-127.

[20] Infusino E，Trodella L，Ramella S，et al. Estimation of patient setup uncertainty using BrainLAB Exatrac X-Ray 6D system in image-guided radiotherapy [J]. J Appl Clin Med Phys，2015，16（2）：5102.

[21] Lo WL，Yang KY，Huang YJ，et al. Experience with Novalis stereotactic radiosurgery for vestibular schwannomas [J]. Clin Neurol Neurosurg，2014，121：30-34.

[22] Harada K，Katoh N，Suzuki R，et al. Evaluation of the motion of lung tumors during stereotactic body radiation therapy（SBRT）with four-dimensional computed tomography（4DCT）using real-time tumor-tracking radiotherapy system（RTRT） [J]. Phys Med，2016，32（2）：305-311.

[23] Shirato H，Seppenwoolde Y，Kitamura K，et al. Intrafractional tumor motion：lung and liver [J]. Semin Radiat Oncol，2004，14（1）：10-18.

[24] Katoh N，Soda I，Tamamura H，et al. Clinical outcomes of stage Ⅰand ⅡA non-small cell lung cancer patients treated with stereotactic body radiotherapy using a real-time tumor-tracking radiotherapy system [J]. Radiat Oncol，2017，12（1）：3.

[25] Kocher M，Semrau R，Temming S，et al. Stereotactic radiotherapy with the cyberknife [J]. Dtsch Med Wochenschr，2014，139（20）：1059-1063.

（收稿日期：2018-03-21 本文編輯：李岳澤）