1、原創(chuàng)：腫瘤放射治療技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展摘要 放射治療在過去的十年中經(jīng)歷了一系列技術(shù)革命，相繼出現(xiàn)了三維適 形放療（3DCRT）、調(diào)強放療（IMRT）、質(zhì)子放療等技術(shù)，這些技術(shù)的主要進步 是靶區(qū)劑量分布適形性的提高。但是，由于呼吸運動等因素的影響，在放療實施 過程中腫瘤及其周圍正常組織會發(fā)生形狀和位置的變化，這種不確定性一定程度 阻礙了 3DCRT和IMRT技術(shù)的發(fā)展。圖像引導(dǎo)放療技術(shù)（IGRT）的出現(xiàn)，對補償 呼吸運動影響的腫瘤放療取得了很好的療效，特別是近年來提出的四維放射治療 （4DRT）技術(shù)，進一步豐富了 IGRT的實現(xiàn)方式。本文將詳細介紹現(xiàn)有的各種放 療技術(shù)及其存在的問題，同時討論一下放療

2、技術(shù)的未來發(fā)展方向。關(guān)鍵詞圖像引導(dǎo)放療；錐形束CT；四維放療；呼吸門控系統(tǒng)1引言理想的放療目的是精確給予腫瘤高劑量的同時盡量減少對靶區(qū)周圍正常組 織的照射。近年來3DCRT和IMRT技術(shù)實現(xiàn)了靜態(tài)三維靶區(qū)劑量分布的高度適形， 較大程度上解決了靜止且似剛性靶區(qū)的劑量適形放射問題。然而，在實際放療過 程中，主要由呼吸運動引起的內(nèi)部組織的運動和形變（主要是胸部和腹部的靶組 織），嚴重影響了 IMRT和3DCRT技術(shù)的準確實施。如在單次放療中，呼吸運動 和心臟跳動會影響胸部器官或上腹部器官的位置和形狀，胃腸蠕動也會帶動鄰近 的靶區(qū)；在分次放療間隨著療程的進行出現(xiàn)的腫瘤的縮小或擴展；消化系統(tǒng)和泌 尿系統(tǒng)

3、的充盈程度；在持續(xù)的治療過程中患者身體變瘦或體重減輕等造成的靶區(qū) 和標記的相對移位。針對上述問題，我們迫切需要某種技術(shù)手段去探測腫瘤的擺 位誤差和運動形態(tài)，并且這種技術(shù)可以對靶區(qū)的形態(tài)變化采取相應(yīng)的補償和控制 措施IGRT正是基于以上問題的出現(xiàn)而產(chǎn)生的。現(xiàn)在我們可以采用在線校位和 自適應(yīng)放療技術(shù)去解決分次間的擺位誤差和靶區(qū)移位問題，也可以采用呼吸限 制、呼吸門控、四維放療等技術(shù)對單次放療中出現(xiàn)的靶區(qū)運動進行補償和控制， 而這些技術(shù)都是屬于IGRT的范疇2。后面的內(nèi)容將分別介紹IMRT技術(shù)、IGRT 技術(shù)的不同實現(xiàn)方式，包括呼吸限制、呼吸門控、自適應(yīng)放療、四維放療，最后 介紹一下未來放療技術(shù)及設(shè)

4、備的發(fā)展方向。2腫瘤放療技術(shù)的現(xiàn)狀由于目前各種放療技術(shù)各具優(yōu)勢及經(jīng)濟市場發(fā)展等原因，不同的放療技術(shù)還 處于并存的狀態(tài)，適形調(diào)強放療和圖像引導(dǎo)放療的部分技術(shù)代表了放療領(lǐng)域的現(xiàn) 狀。1適形調(diào)強放射治療適形調(diào)強放療技術(shù)包括三維適形放療和調(diào)強放療。三維適形放療是通過采用 立體定位技術(shù)，在直線加速器前面附加特制鉛塊或利用多葉準直器來對靶區(qū)實施 非共面照射，各射野的束軸視角（beam eye view, BEV）方向與靶區(qū)的形狀一樣， 使得劑量在靶區(qū)上的輻射分布可以更加準確，而對周圍正常組織的照射又可降到 較低程度3。與以往的常規(guī)放療相比，三維適形放療設(shè)備的突出優(yōu)勢是多葉準 直器的使用。多葉準直器所產(chǎn)生的

5、輻射野可以根據(jù)腫瘤在空間任何角度方向（一 般指機架旋轉(zhuǎn)360度范圍內(nèi)）上的幾何投影形狀而改變，使輻射野的幾何形狀與 腫瘤投影相匹配。如美國Varian生產(chǎn)的23EX直線加速器上面裝配有60對多葉 準直器，該型多葉準直器在等中心平面上有40對寬0.5cm的葉片，兩旁還各有 10對寬1.0cm的葉片，最大射野達40cmX40cm。由于多葉準直器靈活、高效的 特點，將會逐步取代鉛塊的使用。調(diào)強放療是在三維適形放療技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。調(diào)強放射治療與三維 適形技術(shù)相比，其優(yōu)勢體現(xiàn)在：采用CT或MRT三維重建定位，提高了擺位和 照射的精確度；逆向計劃的實施確保了劑量分布參數(shù)不僅從正面計算，而且利 用了

6、逆向算法來驗證和審核，實現(xiàn)了射野強度分布的最優(yōu)化；可以配置射野內(nèi) 的各線束的權(quán)重，保證了劑量分布形狀與靶區(qū)的實際三維分布形狀相一致4-5。 IMRT的這些特點，使得我們可以對不同的靶區(qū)設(shè)計個體化的劑量分布計劃，總 體上縮短了治療時間，提高了腫瘤的局部控制率IMRT技術(shù)的臨床結(jié)果表明， 其有效提高了中度和低度腫瘤的敏感性，在正常組織受損程度降低的情況下提高 了腫瘤的單次照射劑量和總劑量，從而不僅保證了療效且縮短了治療的總時 間。在目前已經(jīng)使用的各種調(diào)強放療系統(tǒng)中，電動多葉準直器的使用較為廣泛且 技術(shù)相對成熟。如國內(nèi)的大恒醫(yī)療設(shè)備公司推出的STAR-2000系列精確適形調(diào)強 放療系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有C

7、T/MRT、CT/PET等多模式三維圖像融合功能，采用了內(nèi) 置多葉準直器，可自動進行逆向優(yōu)化計算給出調(diào)強計劃。經(jīng)臨床測試，該系統(tǒng)對 腫瘤的定位準確，而且可以實現(xiàn)靶區(qū)的高劑量照射，顯示出較三維適形放療系統(tǒng) 的優(yōu)勢。圖像引導(dǎo)下適形調(diào)強放療技術(shù)的研究在近年來取得了很大進步，相信不 久的將來必將引領(lǐng)“精確定位、精確計劃、精確放療”技術(shù)的新發(fā)展。2呼吸限制和呼吸門控呼吸運動會引起肺、乳腺、肝、胃等胸部器官和腹部器官的形變和移位，所 以人們首先采用了呼吸限制的方法來減少呼吸運動對腫瘤運動的影響。呼吸限制 在一定程度上暫停了靶區(qū)的運動，這樣，當我們做CTV到PTV的擴展時，有效的 減少了 PTV與CTV間的

8、安全邊界7。近年來出現(xiàn)的呼吸限制技術(shù)主要有主動呼 吸限制技術(shù)(voluntary breath hold，ABC)和深度吸氣屏氣技術(shù)(deep inspiration breath hold，DIBH)。這些技術(shù)的優(yōu)勢是操作簡單省時，但是呼 吸限制需要患者配合醫(yī)生進行屏氣，所以呼吸限制僅適合肺功能較好而且愿意配 合醫(yī)生進行治療的患者?；诤粑拗频木窒扌裕藗兲岢隽撕粑T控技術(shù)。呼吸門控是指通過某種 檢測設(shè)備對呼吸運動進行檢測，在呼吸周期的特定時間間隔內(nèi)打開或關(guān)閉射線 束，從而在特定時相間隔內(nèi)近似定位了腫瘤的狀態(tài)。例如，實時體位跟蹤呼吸門 控系統(tǒng)(RPM Respiratory Gating

9、System)采用一臺紅外攝像機來跟蹤固定在 患者胸部或腹部的體外標記，然后系統(tǒng)通過呼吸運動波形曲線來描述患者的呼吸 運動模式。在放療計劃中，我們已經(jīng)通過所獲得的CT圖像建立了一個在特定時 相對靶區(qū)進行放射的計劃，在治療過程中當靶區(qū)進入計劃治療區(qū)域時系統(tǒng)會自動 打開射線束。若患者由于呼吸異常等原因造成呼吸曲線偏離閾值時，系統(tǒng)會自動 關(guān)閉射線。這樣，患者就可以在相對自然的呼吸下接受治療。呼吸門控的執(zhí)行可以采用外部標記法或內(nèi)部標記法，外部標記是固定在患者 腹部或胸部的反射性固體塊，可以通過紅外攝像機進行監(jiān)控，如上面提到的實時 體位跟蹤系統(tǒng)就是采用了這種體外紅外攝像跟蹤方法。內(nèi)部標記法是指在患者體

10、內(nèi)靶區(qū)植入不透X線金屬標記物，這樣，可以通過射線對標記進行檢測來確定腫 瘤的運動狀態(tài)。但是，呼吸限制和呼吸門控技術(shù)也有不足之處。在實際放療中，它們都是在 呼吸周期的某一個時段內(nèi)對腫瘤實施照射，這樣導(dǎo)致的結(jié)果是療程的延長，而多 次治療又會產(chǎn)生新的誤差。呼吸限制和呼吸門控技術(shù)的這些不足一定程度上阻礙 了它們的推廣和發(fā)展。3自適應(yīng)放射治療傳統(tǒng)的放療是在正式實施治療之前的2周到3周時間做放療計劃，然后在實 際放療中利用計劃實施放射，期望達到準確的適形劑量分布。但是，這種方法顯 然有很大缺陷，因為我們不能保證當前腫瘤的形狀與運動狀態(tài)與兩周前的相同， 而且實施治療時需要重新擺位，會產(chǎn)生新的擺位誤差。自適應(yīng)

11、放療技術(shù)是為了減少分次治療間的擺位誤差和靶區(qū)運動而發(fā)展起來 的。自適應(yīng)放療基本過程是：在每個分次治療時對靶區(qū)進行CT掃描攝片，然后 系統(tǒng)在離線狀態(tài)測量每次擺位誤差，最后通過前面數(shù)次存儲的擺位數(shù)據(jù)，綜合分 析并調(diào)整PTV和CTV間的安全邊界，確定新的放療計劃，利用新的計劃來繼續(xù)進 行后面余下的分次治療。但是，上面提到的自適應(yīng)放療技術(shù)不適合于隨機誤差 較大且分次治療次數(shù)較多的治療。經(jīng)調(diào)查，最新的自適應(yīng)放療技術(shù)可以做到充分 利用單次放療前的擺位和劑量分布數(shù)據(jù)來重新實施擺位或劑量調(diào)整，代表了自適 應(yīng)放療領(lǐng)域新的發(fā)展方向。2. 4四維放射治療在呼吸運動引起腫瘤移位的研究中發(fā)現(xiàn)，在單次治療中腫瘤的最大移位

12、可達 3cm，所以計劃中的CT數(shù)據(jù)需要準確描述腫瘤的實際運動。但是，傳統(tǒng)的CT圖 像往往忽略了呼吸作用的影響，因而所獲得的圖像與實際治療中的相比經(jīng)常會出 現(xiàn)擴大或扭曲的現(xiàn)象。雖然在當前的放療技術(shù)中，我們可以采用呼吸門控系統(tǒng)， 但療效提高不大。四維放療技術(shù)的出現(xiàn)，較好的解決了運動腫瘤的準確定位問題。 四維放療在包括CT掃描的三維成像和加速器三維方向照射系統(tǒng)外還引入了時間 因素，相應(yīng)的CT可以按時序掃描，稱為4DCT。為了模擬腫瘤隨呼吸的運動，我們需要從四維圖像中獲取實際靶區(qū)容積的信 息。4DCT對呼吸運動的完整周期進行掃描，反映了胸部器官和靶區(qū)隨呼吸運動 的“軌跡”，據(jù)此我們可以制定個體化的靶體

13、積(ITV)O 4DCT數(shù)據(jù)的獲取與呼 吸運動周期可以實現(xiàn)同步。在這里，我們通過分析一套4DCT設(shè)備來簡要說明四維放療的過程，這套設(shè) 備由 Varian 公司的 RPM (Real-time Position Management)系統(tǒng)和 GE 公司的 Discovery ST multislice PET/CT scanner 系統(tǒng)組成，分為兩個階段：2.4. 1計劃設(shè)計階段放療師在CT定位前通過對患者進行呼吸訓(xùn)練來使其保持均勻且平靜的呼 吸。對于呼吸功能不好的患者，可以實施主動呼吸控制技術(shù)，它通過設(shè)計好的通 氣設(shè)備控制氣流來調(diào)整病人的呼吸節(jié)奏4D-CT掃描過程：在患者腹部次于劍突 的部位固

14、定一反射塊，利用RPM系統(tǒng)的紅外攝像機對標記塊進行隨時監(jiān)控。與 RPM系統(tǒng)相連的計算機利用Varian公司配套提供的4D軟件對標記的運動進行實 時分析。在掃描過程中，標記的運動作為“呼吸運動軌跡”被軟件記錄下來。掃 描完成后，4D軟件對不同位置和不同時相的CT數(shù)據(jù)信息按呼吸周期排序，然后 我們通過AW (Advantage Workstation)工作站將大量的CT切片按呼吸運動軌 跡的時相進行分類，AW工作站利用RPM系統(tǒng)創(chuàng)建呼吸運動軌跡時所保留的時相 標記文件來進行時相計算，將一個完整周期(一個周期選定為從吸氣末到下一個 吸氣末)劃分為十個等間隔的時相。最后對各個時相的圖像進行三維重建，形

15、成 了一個完整的4DCT圖像序列。2.4.2治療階段前面過程是四維放療的計劃設(shè)計階段，下一個階段就是實施治療了。在治療 中，利用呼吸監(jiān)控裝置檢測患者，當呼吸運動進行到某個時相時治療機就會自動 調(diào)用該時相的射野參數(shù)等數(shù)據(jù)對靶區(qū)實施照射。目前，四維放療在靶區(qū)定位和圖像獲取技術(shù)方面已經(jīng)成熟，而且已經(jīng)開始投 入市場，但是，在計劃和實施階段還存在一些問題尚待解決和完善，因此，四維 放療的開展還有待于后兩者的發(fā)展和成熟2。3放療技術(shù)的發(fā)展方向目前，腫瘤放療已經(jīng)在幾個方向上取得了發(fā)展:從離線校正向在線校正發(fā)展； 從模糊顯像向高清晰顯像發(fā)展；從單一顯像向集成顯像發(fā)展9。隨著精確放療 技術(shù)的不斷前進，多維放療與

16、適形調(diào)強放療的結(jié)合將會成為未來幾年放療領(lǐng)域發(fā) 展的一個新方向，體現(xiàn)在：1圖像引導(dǎo)下的適形調(diào)強放療由于目前放療系統(tǒng)在治療實施階段還存在靶區(qū)適形性的問題，圖像引導(dǎo)下的 適形調(diào)強放療指明了四維放療的一個方向10。該技術(shù)在新型的加速器上集成了 KV級X射線容積成像設(shè)備，即千伏級錐形束CT (kilovoltage cone-beam CT)。 該設(shè)備的特點是采用錐形X射線隨機架旋轉(zhuǎn)來進行數(shù)據(jù)采集，通過錐形束算法最 終獲得三維影像11。通過該設(shè)備獲得的腫瘤圖像與4DCT序列的三維圖像進行 比較，根據(jù)計劃實施實時照射。非晶硅平板探測器的使用，使加速器獲取的圖像 具有更高的空間分布率和更寬的射野范圍，基于非

17、晶硅平板探測器的劑量分析軟 件可以測量腫瘤所受的照射劑量，從而可以更好的對治療計劃進行評價和改進12。圖像引導(dǎo)下的適形調(diào)強放療的研究將是未來幾年四維放療領(lǐng)域的一個熱 點。2預(yù)測跟蹤技術(shù)下的適形調(diào)強放療通過近年來在圖像引導(dǎo)放療領(lǐng)域的研究，我們已經(jīng)可以使用診斷用X射線圖 像去探測植入靶區(qū)內(nèi)的不透X線標記物來實現(xiàn)實時定位和追蹤腫瘤，但是通過門 控或波束追蹤(beam tracking)技術(shù)進行放療計劃設(shè)計時，我們需要適當考慮 治療系統(tǒng)延遲，包括圖像獲取、圖像處理、傳輸延遲、發(fā)動機感應(yīng)，機械阻尼等13。為克服系統(tǒng)延遲，采用呼吸運動預(yù)測的技術(shù)經(jīng)臨床驗證對補償呼吸運動有 明顯優(yōu)勢，預(yù)測跟蹤技術(shù)下的適形調(diào)強

18、放療將有助于四維放療中靶區(qū)計劃實施的 精確性。3物理適形與生物適形相結(jié)合的多維生物適形調(diào)強放療近年來生物適形技術(shù)的發(fā)展取得了一定的進步，如正電子發(fā)射斷層掃描 (Positron Emission Computed tomography，PET)、單光子發(fā)射斷層掃描(Single Photon Emission Computed tomography， SPECT)等功能性影像技術(shù)有了很大發(fā) 展，過這些技術(shù)所獲得的影像可以反映腫瘤和正常器官組織的生理及功能信息。 生物適形技術(shù)的一個代表是PET/CT技術(shù)，它是將PET與CT兩種影像診斷技術(shù)的 結(jié)合，經(jīng)臨床驗證，該技術(shù)可以補償單一 CT或PET不能直接評價功能代謝信息 或低分辨率顯像問題，一次性顯像便可獲得組織形態(tài)和功能信息，大大提高了腫 瘤放療的精確性14。物理適形與生物適形相結(jié)合的多維生物適形調(diào)強放療將開 創(chuàng)生物治療的新時代。4結(jié)語適形調(diào)強放療有效的提高了靶區(qū)三維空間劑量照射的適形性且實現(xiàn)了放療 劑量的大幅提升。但是，由于呼吸運動對胸腹部腫瘤的影響，在設(shè)計治療計劃時， 我們通常需要擴大安全邊界的辦法，來確保腫瘤的不漏照，這樣勢必會影響靶區(qū) 的適形性且造成實際劑量分布與計劃的不一致。繼而出現(xiàn)各種的IGRT技術(shù)，開 始逐步解決由于