精确放射治疗中的影像引导技术成像原理和应用

李宏奇 王颖杰 刘承利 夏廷毅

[摘要] 立体定向消融治疗是代表性的精确放疗技术，具有精准定位、精准照射、高效微创等特点，已在脑转移瘤、早期非小细胞肺癌治疗中取得与手术相当的效果。其中影像引导技术在精确放疗过程管理中发挥关键作用，分为单一成像系统和组合成像系统。前者有超声引导、电子射野成像引导、锥形束和扇形束CT引导、核磁引导以及电磁追踪等技术，后者有ExacTrac X射线六维立体定向引导系统等。本文将回顾当前应用的影像引导技术，分析成像原理以及如何改善治疗准确性和缩小肿瘤周围正常组织受照射体积，探索未来融合发展前景。

[关键词] 放射治疗；影像引导；成像原理；应用

[中图分类号] R815.6 [文献标识码] A [文章编号] 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

放射治療是重要的肿瘤治疗手段，目前已经进入精确放射治疗时代。精确放疗的最大优势体现在精确打击肿瘤，正常组织损伤轻微，但实现这一目标需具备准确发现肿瘤、精准定位肿瘤和精细控制肿瘤动度等条件，这些前提条件都需要通过影像引导技术来实现。因此，影像引导技术是精确放疗发展的必要条件和质量保证，它的成像质量、速度和模式很大程度上影响了放疗的结果。目前临床上采用了很多不同模式的影像引导技术，种类繁杂，各有优缺点，深入了解各种影像引导技术的成像原理、技术参数和应用环境，对临床医生正确选择恰当的影像引导方式，最大程度改善精确放疗效果有重要意义。本文将这些技术分为两大类：单一成像系统和组合成像系统，并结合目前应用的产品来剖析基本原理，归纳技术特征，阐述临床应用效果，探索未来发展前景。

1 单一成像系统

1.1 光学影像引导系统

光学影像引导的优点在于获取影像速度快，在治疗过程中实时、持续监测患者面部位移等误差；监测过程中没有辐射，有利于增加影像引导技术的使用频率。目前使用的2个产品分别是：AlignRT系统（英国伦敦VisionRT公司）和C-Rad哨兵系统（瑞典乌普萨拉C-RAD AB公司），二者在放疗过程中通过面部照相和摄影测量法产生患者面部三维模型，同时利用参考点来确定患者与治疗室等中心的位置关系。这些系统利用严格的身体转换来实施最小二次方拟合，从而把计划中的三维模型相对于等中心的空间差异最小化[1]。例如AlignRT系统采用多个立体照相机来获取三维影像，从而追踪皮肤表面，并与预设位置相对比，达到亚毫米级的准确性；如果患者在治疗过程中出现移动，超出了预定位置范围，AlignRT系统可以给放疗系统自动发送信号暂停照射。而C-Rad哨兵系统通过一个照相机和激光系统进行线性扫描来实现这个过程。Wiant等[2]报道AlignRT系统在亚毫米水平可以保证准确性和重复性，特别是乳腺癌放疗患者配准方面，能够显著缩小计划靶体积（planning target volume，PTV）外扩边界。

1.2 超声引导系统

治疗室内的超声引导系统从20世纪90年代后期开始应用，最初仅用于前列腺癌[3]，之后逐步用于腹部肿瘤和乳腺癌。超声引导过程包括在模拟定位时获取靶区的CT和超声图像，据此勾画靶区并传输到治疗室。放疗前，在治疗体位获取靶区的实时超声图像，再利用软件把实时超声数据模拟产生靶区轮廓，与之前勾画的靶区轮廓重叠比对从而调整和配准。超声引导有很多优点，例如无辐射、无创、时间短（3～5 min）、花费少、软组织显像清晰等；但对操作者训练水平和经验依赖性强，因此，与基准点标记和锥形束CT（Cone Beam Computer Tomography，CBCT）相比，超声引导系统的准确性有所下降；而且，采集靶区数据时，超声探头需对腹部加压，可能引起靶区移动；另外勾画靶区的模拟定位CT系统与超声系统相互融合具有一定的困难[4]，位于骨骼后方的器官受到骨骼遮挡，超声波无法透过，其应用受限。

1.3 电磁追踪系统

电磁追踪系统在肿瘤内植入电磁发射器实现了实时追踪肿瘤的功能，例如瓦里安公司的Calypso系统，主要包括安装在治疗室内的1个移动式电磁控制台、1个接收器、3个红外线光学照相机和1个集散器；安装在控制室内的无线转发器和追踪工作站。Calypso系统可以检测细微的肿瘤移动，并微调修正摆位误差，从而避开周围健康组织直接向肿瘤投照最大放射剂量。Franz等[5]报道采用Calypso系统在前列腺癌定位时，有利于缩小外扩边界，减轻正常组织毒性。

1.4 核磁引导系统

核磁共振相对于CBCT而言，软组织成像对比度高，对于中枢神经系统、头颈部、腹部和盆腔肿瘤以及重要的正常组织是非常有益的[6]。将核磁共振与放疗系统无缝整合在同一个平台，可以同步实现核磁影像引导和放射治疗，从而缩小PTV外扩边界[7]，这样可以进一步提升靶区剂量和单次照射剂量[8-9]。但将这两个独立的、完全不同的，而且一定程度上是互不相容的操作系统整合在一个狭窄的物理空间内协调运转，具有很大技术难度。第一台核磁引导系统是Viewray公司的MRIdian？誖放射治疗系统。

1.5 电子射野成像系统

直到1990年，由加速器射束产生的射野验证片还主要通过胶片成像，医生将射野验证片与模拟胶片在观片灯下互相对比，用彩色铅笔来标示体位变化。后来，电子射野成像系统（Electron Portal Imaging Device System，EPIDs）替代了传统胶片成像，是目前主流影像引导技术之一。EPIDs使医生能通过数字化手段对比所有图像，并且当患者躺在治疗床上时，仍能够实时调整患者体位。Li等[10]报道EPIDs在射野中心的几何准确性达到1～2 mm。EPIDs基本原理是基于间接检测有源矩阵平面平板成像系统（Indirect Detection Active Matrix Flat Panel Imagers，AMFPIs）。AMFPI系统分为3层，最上层是金属板，中间层是磷光体，第三层是由成对的光电二极管和薄膜晶体管组成的矩阵探测器。入射光子经过最上层金属板时被转换成电子，同时低能散射线被吸收掉，電子经过磷光体时被转换成可见的光子，最后可见的光子被探测器阵列接收，从而成像。因此，EPIDs探测的是兆伏级射线（Megavoltage Ray，MV ray）。兆伏级（Megavolt，MV）EPIDs优点包括可直接参考胶片成像的临床应用经验，直接使用加速器射束成像，在放疗过程中实时成像等；但与千伏级（kilovoltage，KV）图像相比，其图像对比度差，获取MV图像所需照射剂量显著高于获取KV图像所需剂量[11]（与KV-CBCT相似）。

1.6 CBCT引导系统

CBCT引导系统把CBCT直接安装在加速器上，结合可伸缩的常规X射线管和非晶硅X射线探测器实现影像引导。获取图像后，根据骨性解剖结构或软组织密度差异配准图像，配准后通过遥控治疗床矫正平移和旋转误差[12]。CBCT引导的优点包括获取容积数据速度快，数据量丰富，并且与很多解剖位置、体位、摆位设施都能互相兼容。另外，CBCT提供了三维体积和解剖数据，可以评估平移和旋转摆位误差，对于确定靶区和多方位对比是有益的。但CBCT的中心射束和边缘射束的检测值有差异，需要校正[13-14]；而且，在扫描过程中需要通过治疗床移动患者，可能造成摆位误差。根据CT种类分为KV-CBCT和MV-CBCT。KV-CBCT通过提高平板探测器的帧频、降低散射线干扰，增强解剖结构清晰度，图像质量显著改善，降低了成像所需剂量[15]。KV-CBCT的缺点是，当体内存在骨骼固定钢板、人造关节假体等致密金属物体时，由于KV级X射线光子衰减，会产生条形伪影。MV-CBCT的优点在于不会产生条形伪影，其缺点在于康普顿效应导致其图像对比度低于KV-CBCT，并且对于前列腺、胰腺、肝脏等对比度低的器官，需更高的成像剂量（约10 cGy）[16]。

1.7 扇形束CT引导系统

扇形束CT引导系统优点是CT机架安装在一个轨道上，可移动CT去覆盖患者，而不是像传统CT那样把患者移动到扫描系统中。通过把治疗床旋转到不同角度对着CT扫描系统，轨道上的CT扫描系统可以沿着床的方向直线移动并获取患者三维CT图像，而患者始终保持着固定好的治疗体位，有利于减小摆位误差。而且，扇形束KVCT可以产生诊断级质量的CT图像，用来与原始治疗计划中的CT图像配准比对，改善了软组织靶区定位准确性，降低了判断图像配准时操作人员之间的差异[17]。但扇形束CT成像系统和放疗设备分别使用独立的机架，患者的移动、治疗床读数和控制的精确程度等都会造成摆位的不确定性。扇形束MVCT操作简便，患者辐射剂量低，通常每次1～3 cGy，可以每天获取MVCT图像；MVCT还可用于监测放疗过程中患者解剖结构变化，测量靶区和正常组织剂量。

2 組合成像系统

2.1 光学影像和X射线正交影像引导系统

该系统将光学定位和KV级X射线成像相结合的方法定位患者，并在线矫正体位误差。例如，德国BrainLAB AG公司的ExacTrac X射线六维立体定向引导系统（ExacTrac X-ray），包括2个子系统：①一套用于初始摆位的光学定位系统（ExacTrac），可以监测患者的呼吸，并为加速器的跟踪和门控治疗系统提供信号，其准确性达到亚毫米级[18]；②一套根据内部解剖结构或植入的基准点标记来进行位置验证或调整的六维KV级X射线成像系统。ExacTrac X-ray系统最初仅用于脑和脊髓病变的无框架立体定向治疗，目前也用于肺、肝、头颈部以及妇产科领域[19]。Infusino等[20]报道采用ExacTrac X-ray系统在所有方向上的摆位误差均小于2 mm。另一种技术是瓦里安公司的Novalis Tx，它把ExacTrac的光学引导和X射线定位系统与在线影像引导系统结合，全部安装在同一台直线加速器上[21]，从而改善治疗前的软组织容积成像，促进固定目标和移动靶区的定位。

2.2 二维KV级X射线立体影像引导系统

该技术包括实时肿瘤跟踪系统、赛博刀和VERO等。实时肿瘤跟踪系统（Real-time Tumor Tracking Radiotherapy System，RTRT，北海道大学医学院和三菱电子公司研制）包括4个X射线照相系统，每个系统都配备一个具有固定准直器的X线球管、图像增强器和高压X线发生器，它通过在肿瘤内植入基准点标记来实时跟踪肿瘤，并根据获取的信息来控制直线加速器[22]，这个直线加速器受到门控调节，只有当标记点的实际位置相对于等中心处于一个可接受的范围时，才能照射肿瘤。RTRT最早被用于肺癌和肝癌[23]，对于肺癌，实时跟踪可以把照射束开放时的肿瘤动度降低到5 mm以下[24]。赛博刀机器人放射外科系统，包括1个安装在机器人机械手臂上的紧凑型X射线直线加速器。机械手臂引导射线到2个正交X射线成像系统射线束的交叉点，通过整合2个角度图像来为治疗过程提供影像引导[25]。VERO系统有2个X线球管和平板探测器，通过初始的治疗床运动和一对侧位X线片来对齐患者。治疗床的平移可以调整计划等中心和机器等中心的粗对准，而且，能够三维矫正摆位误差。在初始摆位以后，机载成像子系统激活来对图像配准进行微调，利用一对侧位X线片通过观察骨性标志评价平移、旋转、倾斜和偏移方面的摆位误差，并补偿器官运动。

3 小结

目前，放射治疗已进入精确放疗时代，由于精确放疗单次剂量高、治疗分次少，要求更加精细地控制定位精度和靶区动度。在此推动下，影像引导技术从光学发展为电子成像，从平面发展为立体成像，从静态发展为动态成像，从辐射发展为无辐射成像，从单一模式发展为复合模式成像；成像阶段从治疗前成像发展为治疗全程实时成像。未来，影像引导技术必然向成像质量更高、速度更快、辐射更低、准确性更高的方向发展，为精确放疗精准导航，进一步改善放射治疗效果，降低正常组织损伤。

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（收稿日期：2018-03-21 本文編辑：李岳泽）