CT在影像引导下放疗中应用的历史与现状

王艳阳  傅小龙

转载自《中国癌症杂志》2006年第16卷第6期448～453页

摘要

三维适形放疗（3-DCRT）、束流调强放疗（IMRT）以及质子放疗等现代放疗技术的主要优势是肿瘤靶区剂量分布适形性的提高，但这同时也意味着肿瘤靶区与周围正常组织的剂量梯度的增加。在应用这些技术进行放疗时，放疗实施过程中的微笑的误差都可能造成肿瘤靶区的低剂量和周围正常组织的高剂量照射，不仅使这些技术本身的优势没有得到发挥，反而会造成正常组织损伤增加，更为严重得是肿瘤靶区的“漏照”。所以，强调精确实施放疗计划的影像引导下放疗成为3-DCRT、IMRT以及质子放疗等现代放疗技术发挥优势的重要保证。CT作为三维影像引导工具，在影像引导下放疗概念的革新和应用中扮演着重要的角色，本文主要回顾和介绍CT在影像引导下放疗中的应用历史与现状，同时也希望对影像引导下放疗的概念作一诠释。

CT在影像引导下放疗中应用的历史与现状

影像引导下放疗（image-guided radiotherapy,IGRT）概念的提出，从某种意义上讲，是对放疗工作属性的一个概括和总结，因为从开始到现在，放疗工作的各个环节无不是在影像引导下完成的。而今天，之所以这一概念受到学者们的广泛关注，主要是因为放射治疗理念的更新、放疗技术设备的发展和影像技术设备的颈部。在这些技术条件与理念搭建形成平台的基础上，影像引导在放疗实施过程中的应用价值被逐渐放大，极大地吸引了学者们的注意力。为了与前面提到的影像引导在放疗工作各个环节中的应用，就是通常所讲的广义的影像引导下放疗相区别，后者被称为狭义的影像引导下放疗，而接下来的论述也主要是围绕狭义的影像引导下放疗展开。

与放疗技术本身一样，影像引导下放疗也经历了从二维到三维的发展过程，CT作为三维影像引导工具，在影像引导下放疗概念的革新和应用中扮演着重要的角色，本文主要回顾和介绍CT在影像引导下放疗中的应用历史及现状，同时也希望对影像引导下放疗的概念作一诠释。

1  CT成为影像引导下放疗的重要引导工具  三维适形放疗（3-DCRT）、束流调强放疗（IMRT）以及质子放疗等现代放疗技术的主要优势是肿瘤靶区剂量分布适形性的提高，但这同时也意味着肿瘤靶区与周围正常组织的剂量梯度的增加。在应用这些技术进行放疗时，放疗实施过程中的微小的误差都可能造成肿瘤靶区的低剂量和周围正常组织的高剂量照射，不仅使这些技术本身的优势没有得到发挥，反而会造成正常组织损伤增加，更为严重的是肿瘤靶区的“漏照”。所以，强调精确实施放疗计划的影像引导下放疗成为3-DCRT、IMRT以及质子放疗等现代放疗技术发挥优势的重要保证。诚如前面讲到的，影像引导下放疗经历了从二维到三维的发展过程，而射野平片是最早应用于IGRT的二维引导工具，它可以粗略地观察照射野形状或多叶光阑叶片排列的方式是否正确。但是，每天对每个照射野都摄片分析很不实际，而且照射野胶片通常只能做回顾性分析，另外，照射野胶片的分辨率也较差，这些不足都限制了它成为IGRT的主要工具。电子照射野影像仪（IPID）的出现使它一度成为放疗计划实施过程中的重要验证工具。但是，EPID作为IGRT的工具有其局限性。EPID提供的是二维影像，各种组织结构的叠加为清楚分辨器官的位置带来不便，另外，这种二维的影像无法与设计计划用CT影像进行直接对比，不易发现患者体位旋转、器官移动和变形所造成的误差。于是就有学者开始探索新的IGRT的工具，CT正是在这一背景下应用于放疗的实施过程，并不断发展完善，成为IGRT中的重要引导工具。

2  兆伏级CT（megavoltage CT, MVCT）在IGRT中的应用

MVCT是利用加速器发出的MV级射线束，为治疗体位下的患者摄片，获得感兴趣区域内的横断面影像。所得到的影像不仅可以重建获得三维图像，提供更多信息用于放疗计划实施的引导，同时，由于MVCT对低对比组织分辨率的提高，获得的矢状、冠状面的影像质量均优于同一方向上的电子照射影像。

2.1  单幅MVCT技术  Simpson等在1982年首次报道了利用4MV射线束获得的单幅MVCT影像。之后，人们对这一技术进行了不断的探索，使其不断趋于成熟。日本东京大学Nakagawa等将单幅MVCT技术应用于胸部肿瘤的立体定向放射外科治疗，希望借助这一技术的引导，减少放疗实施过程中的摆位误差，达到立体定向放射外科治疗的技术要求。入组的患者要求肺功能较好、能耐受平静呼吸，所有的患者治疗前均需在透视下观察肿瘤随呼吸运动的位置改变，对于在头脚方向上肿瘤运动幅度大于1cm者，予以腹带加压限制呼吸，并辅以面罩吸氧。进入研究的患者在摆位结束后行MVCT扫描，比较MVCT影像与设计计划用CT影像，对于摆位误差超出误差允许范围的患者，重新摆位，直至符合要求。在治疗过程中，通过探测透过患者身体的MV级射线成像，将得到的影像与之前拍摄的MVCT影像叠加，通过计算机的分析，从而实时监控射线束的入射方向是否符合要求。共有15例胸部肿瘤患者（包括肺癌、胸壁肿瘤和胸膜肿瘤）入组，在MVCT引导下，1例患者明显的摆位误差得到了纠正，所有患者的肿瘤外放边界较未行引导时减小。该作者认为尽管单层MVCT技术对低对比度组织成像分辨率有限，限制了它在一些部位肿瘤放疗中的应用，但是就胸部肿瘤而言，天然形成的肿瘤与肺组织的对比度，以及由于选择进行立体定向放射外科治疗的肿瘤都较小，本身即可被看作标记点，从而相对提高了成像质量，使其应用于临床成为可能。

2.2  MVCT技术在断层扫描治疗（tomotherapy）中的应用  Tomotherapy是逆用CT成像原理设计的一种新型的放疗设备。从外形看，它和CT机很相似，患者躺在治疗床上，通过滚筒式机架的旋转运动形成MV级X射线旋转束，配合治疗床的直线平移运动，实现螺旋式断层扫描放射治疗。其主要结构特点是：将一台CT和一台6 MV直线加速器整合在一起。主要工作原理是：利用KV级的X线进行人体断层扫描，首先给出肿瘤靶区的断层解剖信息，而后逆用CT成像的原理，确定MV级X射线束沿断层四周的入射分布安排，即MV级X射线断层扫描方案。同时，安装在MV级X射线源对面的射线影像系统可以实时监测扫描治疗情况，并对误差进行分析，同时修正设备的治疗参数，达到影像引导的目的。美国威斯康辛州大学的Welsh等报道了对10例非小细胞肺癌患者应用tomotherapy治疗的情况。该作者发现周围型肺癌（10例中共有7例为周围型）的MVCT影像较中央型肺癌分辨率好，进一步分析这7例周围型肺癌患者的MVCT影像，通过勾画影像可见肿瘤的外轮廓获得肿瘤体积，其中有5例患者的肿瘤体积与常规CT所得肿瘤体积是一样的，提示由MVCT引导的断层治疗的可行性和适用性。

2.3  兆伏级锥形束CT（megavoltage cone-beam CT,MVCBCT）  尽管单幅MVCT可以获得患者在治疗体位下的横断面影像，较射野片和EPID有所颈部，但是在临床实际应用中，通过一幅CT影像来实现治疗引导不能满足实际的需要。然而，要获得多幅CT影像就需要机架多次绕患者的身体纵轴旋转，因为机架是固定的，所以就需要通过平行移动治疗床来获得多幅CT影像。这样做不仅患者感到不舒服，而且费时也较多（每获得1层影像需时2min），也会因为移动治疗床而带入误差。依托锥形束（cone-beam）重建算法的MVCBCT的出现，一改上述不足，使治疗体位下患者三维MVCT图像的获得和应用成为可能。但是，在MVCBCT应用于临床前尚有一些问题没有得到解决，例如：成像质量不高、成像为患者带来了额外的照射剂量，这些问题都成为研究者们关注的焦点。对于应用MVCBCT对肿瘤靶区剂量分布均匀性和正常组织接受剂量的影像，美国纽约纪念医院的Sidhu等进行了有益的探索。该作者在4例胸部肿瘤患者中，开展了将MVCBCT与3-DCRT、IMRT，以及自适应IMRT三种技术相结合的剂量学比较研究。该作者研究所用的MVCBCT，如果机架每旋转10^o形成1次投影，要获得临床上可以清晰分辨的影像需要21次投影，这21次投影的总剂量为52.5cGy。如果将NVCBCT的剂量规定为照射总剂量的20％，那么在行常规分割治疗中，每周最多可以行3次MVCBCT扫描。研究中，该作者专门为MVCBCT设计了计划，并将之与3-DCRT、IMRT，以及自适应IMRT计划相结合。研究结果显示，与单独的3-DCRT、单独的IMRT相比，应用MVCBCT后，并没有改变肿瘤靶区剂量分布的均匀性；正常肺组织V₂₀是相仿的，但V_95％是减少的；脊髓的平均受照剂量增加了，但最大剂量减少了。应用MVCBCT的自适应IMRT是3种技术中最具剂量分布优势者。该作者认为将MVCBCT的剂量控制在照射总剂量的20％以内，合理的设计MVCBCT的计划，应用MVCBCT来引导治疗对肿瘤靶区剂量分布的均匀性和正常组织接受剂量是没有影响的。尽管如此，研究者还是希望能降低MVCBCT的剂量，但是，降低剂量就意味着牺牲成像质量，如何在不降低成像质量的前提下降低剂量，Frod等从物理技术角度进行了研究。该作者认为可以通过改变射线探测采集装置，采用非晶体硅矩阵平板显像技术，来实现在降低剂量的同时不影像成像质量。同时，该作者还认为，用部分区域照射来代替大野照射，减少受照射范围，可以降低照射剂量。正是这些研究的开展，才似的MVCBCT技术应用于临床成为可能，美国加州大学的Pouliot等在进行了体模和动物试验后，首次将NVCBCT应用于一个头颈部肿瘤患者。该作者认为实际治疗与治疗计划的差别主要来源于摆位误差、肿瘤靶区的移动、靶区形状的改变、射线束入射方向与计划设计中的差异以及加速器输出X线的波动等引起的。MVCBCT可以获得治疗体位下患者的解剖结构的三维重建，并将之与设计计划用的CT相比较，提高摆位的准确性。同时也可以通过非晶体硅矩阵平板显像技术，采集透过患者治疗部位的X线，并将之与MVCBCT三维影像相配准，得到质量过程中肿瘤靶区以及肿瘤周围正常组织的剂量分布。从而在实现三维影像引导的同时，也使得剂量引导下放疗成为可能。

3  千伏级CT(kilovoltage CT,KVCT)在IGRT中的应用

3.1  千兆伏级X线成像的主要缺点  低对比度的组织分辨率有限和成像时为患者带来较高的额外剂量。这些缺点促使研究者们提出用千伏级X线代替兆伏级X线成像，以解决MVCT成像中的不足。其实，这不是一个崭新的概念，早在1959年Johns等就将X线球管设置在⁶⁰Co治疗间，用于确定照射野的位置。

3.2  治疗室CT技术（CT-on-rail）  CT-on-rail技术的雏形是FOCAL（a fusion of CT and linac）治疗单位。它是由日本学者Uematsu等研究设计的：将诊断用CT机、X线模拟机和加速器一起安装在治疗间形成所谓的FOCAL治疗单位，用于颅外肿瘤（主要是肺癌和肝癌）的立体定向放射质量。由于颅外肿瘤无法像颅内肿瘤一样得到精确定位，以及肿瘤靶区随生理运动而移动，所以期望通过FOCAL技术的应用，来引导放疗的实施，提高治疗的精确性。FOCAL治疗单位中，诊断用CT机、X线模拟机和加速器3台机器实现共轴安装，通过移动治疗床，使患者可以在治疗体位下分别行检查和治疗。具体的步骤为：训练患者在面罩供氧的情况下为此浅呼吸；用X线模拟机观察，对于肿瘤在头脚方向上运动幅度大于1cm者，予以腹带加压减少肿瘤的运动；对肿瘤部进行CT扫描，确定肿瘤的中心点；移动治疗床，使得肿瘤中心点与计划设计的射线束对准，并用金属标记物在患者体表和治疗床旁分别予以标记，后行放疗。在后续的治疗中，每次治疗前由X线模拟机监测肿瘤的运动幅度，在已确定的中心点附近行CT扫描，获得新的肿瘤中心点，如果新的肿瘤中心点与已经确定的肿瘤中心点的位置改变在误差允许范围之内，即行放疗。否则要重复上述首次治疗的步骤，重新摆位。应用FOCAL治疗单位后，相对固定的肿瘤靶区，治疗期间的移动可以控制在1mm之内；对于因呼吸运动而引起肿瘤靶区移动者，治疗期间的移动可以控制在10mm以内。Uematsu等最近还报道了应用这一技术治疗因医学原因不能手术和拒绝手术的50例I期非小细胞肺癌的治疗结果：所有患者的3年总生存率为66％，其中拒绝手术的29例患者的3年生存率为86％。治疗毒副反应主要有：2例患者发生微小骨折，6例患者治疗后出现间断胸痛，从临床疗效上提示这种治疗手段的可行性。FOCAL治疗单位，经在北美国家的应用之后，发展成为后来所谓的CT-on-rail技术。一台诊断用CT与一台直线加速器实现同轨道的安装，治疗床可以在CT与加速器之间的轨道上运动，使患者可以在治疗体位下分别行检查和治疗。美国MD Anderson肿瘤中心Shiu等报道了应用这一技术，对3例椎旁的转移性肿瘤进行立体定向放射外科治疗的结果。3例患者在接受治疗过程中，在采用立体框架系统固定患者体位的同时，应用CT-on-rail技术。通过每次治疗前拍摄CT与设计计划用CT比较，发现等中心点的位置变化：前后方向上的改变为（－0.26±1.2）mm，左右方向上的改变为（0.59±2.21）mm，上下方向上的变化为（－2.06±1.74）mm。对上述位置改变校正后，将其电子射野影像与由计划得到的DDR相比较，等中心点在前后和左右方向上的位置改变均控制在1mm以内，从而增加了治疗的准确性。Cheng等所应用的CT-on-rail技术，将加速器和治疗床固定，让CT机在轨道上滑动，达到拍摄引导CT影像而不需要移动治疗床的目的。该作者应用这一技术对前列腺癌患者的研究结果显示：每次治疗前拍摄CT，所得影像与设计计划用CT影像做比较，发现等中心点在左右方向上移动较小；在前后方向上33％的患者需要调整3～5mm，18％的患者需要做5～10mm的调整，8％的患者需要做5～10mm的调整。该作者在完成上述研究的同时，还应用模体对CT机本身、图像重建的质量和滑动位置的准确性作了验证，在CT-on-rail技术的质量保证和控制方面进行了有益的探索。

3.3  千伏级锥形束CT(kilovoltage cone-beam CT,KVCBCT)  将KV级X线成像技术与锥形束重建算法相结合形成的KVCBCT是技术上的又一大进步。KVCBCT将可以提供KV级射线束的可伸缩的CT球管安装在与治疗用MV级X线束相垂直的轴线上，机架旋转一圈所采集到的所有二维KV影像通过锥形束算法重建，最终形成三维影像。与MVCBCT相比，KVCBCT无论是在成像质量方面，还是在成像所需的剂量方面均显示出了自己的优势。与CT-on-rail技术相比，KVCBCT可以减少因移动治疗床而带来的误差，可以实时观察治疗体位下肿瘤靶区的变化，同时也简化了引导流程，提高了工作效率。加拿大多伦多大学的Sharpe等开展了KVCBCT应用于临床前的模体研究。该作者通过KVCBCT获得治疗体位下的“肿瘤”影像，将其与计划用CT上的“肿瘤”影像进行图像融合，通过移动治疗床来实现误差校正，达到影像引导的目的。为了检验KVCBCT影像引导的准确性，该作者对校正误差后的体模拍摄一对正交的EPID图像，并将之重建后得到DRR图像与经由计划用CT得到的DRR图像比较，发现，KVCBCT可以将摆位误差减少到1mm以内，而整个校正过程所用的时间为15min。荷兰国立癌症研究中心的van Herk等比较了在放疗中，KVCBCT与EPID进行影像引导的差别。共有包括前列腺癌、头颈部肿瘤和肺癌等3个病种的28例患者进入了研究，对他们分别应用KVCBCT和EPID技术。该作者发现在前列腺癌、头颈部肿瘤患者中，KVCBCT与EPID在前后、左右和头脚方向上纠正的摆位误差差别的标准差为1mm。而在肺癌患者中，可以纠正的摆位误差差别的标准差为3mm。通过KVCBCT获得的DRR图像与射野片直接比较，发现KVCBCT在观察肿瘤随呼吸移动时也优于EPID。究其原因，可能在于KVCBCT较EPID拥有更好的软组织分辨率。而KVCBCT在头颈部肿瘤成像所需的剂量为1.8cGy，盆腔部成像所需剂量较头颈部低。所以，该作者认为无论是成像质量还是所需剂量，KVCBCT均由于EPID。意大利米兰肿瘤研究所的Letourneau等采用和Sharpe同样的方法，在8例前列腺癌患者中开展了应用KVCBCT进行影像引导放疗实施的研究。结果显示，应用KVCBCT可以将摆位误差减少到（0.5±1.5）mm，而整个校正过程的持续时间为23～35min。该作者通过比较这些患者间隔17～28min进行再次KVCBCT扫描，发现肿瘤靶区在治疗期间的移动为：在前后方向上（0.3±0.9）mm，头脚方向上（－0.5±1.5）mm。基于上述两个研究结果，就这批患者而言，作者认为从CTV到PTV外放边界设定为3mm是可行的。

4  结束语  CT作为影像引导工具应用于IGRT的研究经历了多年，但主要是在技术环节上的更新和改进，而将KVCBCT真正应用于临床，国际上最早是从2003年年底开始，而国内将于今年在北京、上海等多家肿瘤放疗中心装机并投入使用。从国际上临床应用KVCBCT较早的两家医院：美国的William Beaumont医院和加拿大的Princess Margaret医院的报道来看，近一段时间内CT在影像引导下放疗中应用的研究的主要集中在：结合自己所在放疗中心，进行合适的成像参数的选择，可能获益患者的筛选以及质量控制和保证等方面。这些研究的必要性在于，任何一项新技术的应用，在可能获益的同时，也存在着由于人们对其认识的有限而暗藏的陷阱。这些来自不同研究中心的报道，有助于大家在技术流程的建立和成像参数的选择上在一定范围内达成共识，为以后合理的利用这一技术奠定基础。同时，这个过程也是人们深入理解并不断丰富影像引导下放疗概念的必由之路。综观上述文献，我们发现影像引导下放疗与3-DCRT、IMRT以及质子放疗并不是平行的概念，影像引导下放疗是这些技术实施同时的一个重要的质量保证手段。而引导的目的，是为了使治疗时患者的靶区位置与放疗计划中靶区的位置更符合，从而在放疗中采用一个个体化的合适的外放边界，而并非只是外放边界的缩小。

之后的研究可能集中于如何合理应用治疗过程中获得的多幅治疗体位下患者的影像。在这些影像基础上建立形成的多维放疗、剂量引导下放疗可能会使放疗在定位、靶区勾画、计划制定和计划实施等各个环节发生重大的改变，从而在揭开肿瘤放疗的神秘面纱，还原其本来面目的过程中迈进一大步，让放疗科医生可以更加合理和自信的应用这一治疗手段治疗肿瘤。

相信，由CT及其他影像技术引领的影像引导下放疗必将为肿瘤放疗带来一场新的变革。

[参考文献]：略

作者介绍

傅小龙，男，教授，博士生导师。现任复旦大学附属肿瘤医院放疗科主任，上海市肿瘤放疗专业委员会副主任委员；《中华放射肿瘤学杂志》、《中国癌症杂志》、《临床肿瘤学杂志》、《肿瘤防治杂志》和《中德肿瘤临床杂志》等杂志的编委。擅长胸部肿瘤的放疗及综合性治疗。主要研究方向：放射治疗新技术建立、恶性肿瘤综合性质量、功能性图像的临床应用和如何预测和阻断肺的放射性损伤。在国内外期刊上发表论文56篇，参与了3部专著的编写工作。以第一负责人身份获得国家自然科学发展基金资助项目、上海市教委课题和上海市科委重点课题各1项。以第一参与者身份先后获得上海市肿瘤放疗中心、卫生部临床学科重点项目和复旦大学学科建设“重中之重”项目各1项。作为第二完成人，曾于1999年，20003年分别获得上海市临床医疗成果奖三等奖各1项，2004年获得上海市科技进步二等奖1项。