现代放射治疗的多维度特征及其智能化发展*

陈光朋，崔剑雄，孙建国

400037重庆，陆军军医大学新桥医院 肿瘤科

作为肿瘤的主要治疗手段之一，放射治疗是70%的肿瘤患者在肿瘤病情的不同阶段需接受的。历经百余年发展，放疗设备已经从功能单一的深部治疗机、钴60等发展到主流的直线加速器以及质子、重离子加速器等高精尖设备，放疗技术也从传统二维演进到现代的三维甚至四维，在射线强度调制、图像引导、立体定向等方面发展飞跃[1]。现代放疗广泛应用于早期、中期、局部晚期乃至晚期肿瘤患者，肿瘤疗效更好，正常组织损伤更轻，大大提高了放射治疗的增益比[2]。放疗技术的迅速发展带来了海量的影像和治疗数据，迫切需要进行大数据分析以提升放疗临床决策质量、提高放疗各环节工作效率、优化放疗全流程质控，因此人工智能(antificial intelligence,AI)在放疗领域的应用应运而生。现代放疗的基本特征在胡逸民主编[3]的《肿瘤放射物理学》以及李晔雄主编[4]的《肿瘤放射治疗学》等放疗专业主要参考书籍中尚未有专章论述。孙建国主编[5]的《数字化智能放疗》依托于国家重点研发计划项目，敏锐感知放疗最前沿动向，对现代放射治疗的多维度、多模态、大数据、智能化等四大特点进行宏观上的归纳总结，探寻不同放疗技术之间的共性，科学预见其未来发展方向，有助于放疗同道开拓现代放疗事业。在此，我们精选出该书中现代放射治疗特征及未来智能放疗趋势的相关内容并进行解读，以飨读者。

1 放射治疗的复杂性

现代放疗是一类高度复杂的治疗方式，包括放疗设备、放疗技术、放疗流程、放疗质控、放疗监管与随访以及放疗安全防护的复杂性特征。

放疗设备已经从过去相对单一、以加速器为主的体系，发展成以高精度治疗头、定位系统、影像系统、计划软件、管理软件等辅助设备为一体的综合性治疗平台[6]。因此现代放疗设备具有高度的精密性和复杂性。同时，现代放疗设备离不开辅助设备的应用，如体位固定辅助设备。体位固定技术、材料、固定方案等因人而异，各放疗中心也不尽相同。因此，体位固定具有一定的复杂性。上述的放疗设备和放疗辅助设备的复杂性，是现代放疗技术的基本体现。为保障设备高效准确地运行，必须对其有效监管。监管是放疗全面质量管理的重要组成部分，因设备天然的复杂多样性，其设备监管的复杂性主要体现在机械和电气安全连锁电路的检查，加速器、模拟机，机械和几何参数的定期检测。

放疗设备的复杂性也伴随着放疗技术的复杂性。放疗技术从简单的传统二维常规放疗发展到三维适形放疗、调强放疗、图像引导放疗、立体定向放疗、自适应放疗[7-9]。不同的现代放疗技术针对的治疗目的不同，各具有不同的功能特点和技术参数，在适应证、治疗精度、治疗时间、剂量跌落、非共面特性以及是否具备图像引导等诸多方面体现出各自的优缺点和复杂性。而现代放疗技术也离不开放疗辅助技术的应用，高精度放疗中病灶的定位、照射部位和角度及照射野的选择，都是非常重要的。如何提高病灶定位的精度、确保靶区照射的准度、验证放疗摆位的细度、提升放射治疗的速度、加强影像配准的维度，都是放疗辅助技术的复杂性体现。

放疗是一个流程复杂的高精度技术，其各阶段流程包括：放疗方案的制订、体位固定及模拟定位、靶区勾画、计划设计、放疗计划评估、放疗计划验证、实施放疗等。而每个流程包含许多不确定性，所有这些不确定性都会影响最终结果的精度。每个环节都要保证良好的质量控制，否则将造成隐患甚至严重事故。因而包括对放疗人员、放疗设备、放疗技术、放疗流程、放疗计划、放疗机房的放疗质控，也是一个复杂的过程。同时放疗计划的制订和实施是个多步骤的过程，放射治疗也是一个漫长的经历，放疗不良反应可能逐渐表现，因此放疗后的随访也是个漫长的过程。这些放疗中的监管和放疗后的随访，也反映放疗技术的复杂性。还需要强调的是，放射线既是肿瘤治疗的重要手段，也会对放疗患者的正常组织带来损伤，同时也导致放疗机房内外环境的电离辐射污染，潜在威胁放疗工作人员。因此，放疗安全防护是保证放疗质量的前提，存在多样性和复杂性，需要引起高度重视。

2 放疗数据的多样性

随着医学诊断检验数字化、电子病历信息化、网络化办公等技术的应用普及，患者数据数字化信息的传递与存储产生了海量数据。由于患者个体的特异性，检验诊断治疗等技术方法因人而异，数据量大而繁琐，形成了医疗数据的多样性。由于肿瘤放疗患者治疗的特殊性，其医疗数据的多样性具有更多特点。由于患者的病情及身体状况、医疗资源、医院设备、医生经验水平等不同，因而肿瘤患者的确诊手段、治疗方案、执行过程等不具有标准性，造成了放疗数据的复杂性。而且，放疗患者的基本信息、各种检验指标等文字性数据是结构化数据，而放疗技术相关的各种诊断报告、影像资料则为非结构化数据，这些来源不同、结构不同的个人信息、影像数据、放疗流程数据、放疗辅助流程数据、放疗信息、分子信息等海量数据催化形成了放疗数据的多样性。

3 放疗技术的高精度、快捷性、实时性和功能性

现代放疗技术不仅是完成放射治疗的基本功能，更向着高精度、快捷性、实时性和功能性的更高目标而发展，以期更好地杀伤肿瘤细胞，保护正常组织，提高治疗增益比，从而增加了现代放疗技术的设备要求、技术要求和智能化要求。

现代放疗技术的高精度是为了确保高能射线束能够精确到达靶标，以杀死目标细胞。高精度特点体现在以下几个步骤。首先是精确模拟定位：采用CT模拟机以获取的模拟图像为参考，精确模拟定位并确定相适应的治疗体位。然后是精确计算计划：锚定肿瘤位置，明确射野相关参数并精准计算相关剂量，做出精确治疗计划。而后是精确验证：先进行治疗前验证，验证的对象主要是患者的摆位和射野形状，加速器参数、达到设计精度的受照剂量；下一步进行在线验证，以确认射线束能够保形保量抵达目标位置，保证治疗体位与定位体位一致，实现精确摆位。最后是精确放疗实施：以精确的计划对患者进行放疗，在此过程中实时监控靶区的相应变化。

现代放疗技术的快捷性首先体现在图像采集，具体包括模拟定位图像采集和图像引导采集的快捷性。其次是图像配准的快捷，其快捷性受重建图像质量的影响。图像重建方式对图像质量有不同的影响，低分辨率重建方式时间短，得到图像质量差；高分辨率图像质量高，重建需要时间长，一般作为离线分析使用；选用中分辨率的图像质量既能满足匹配需求，时间也短，在线配准最常用[10]。再次，靶区勾画的快捷性：现代的放射治疗计划系统(treatment planning system，TPS)靶区勾画模块已经步入“半自动化”或者“部分自动化”模式，如肺、脊髓、全脑、骨骼等的自动勾画，使得快捷易用性进一步提升，未来发展的方向是基于放疗大数据的AI技术，实现靶区智能化勾画，彻底实现靶区勾画的快捷性。最后，放疗计划设计的快捷：计划设计是TPS核心的功能模块，计划设计的快捷性能够高效地实现精确放疗。现代精确放疗计划系统实现了可视化技术、用户交互技术、先进的剂量计算算法和高效的逆向优化算法等结合成一个精确高效、快捷的放疗计划设计平台[11-12]。

现代放疗的高精度和快捷性对现代放疗的实时性有了更高的要求。放疗进入影像引导时代后，大家着力关注的一个问题就是：能否“看”着靶区投射射线，且能够根据靶区的变化相应地调整射线。由于技术限制，锥形束CT或电子射野影像系统无法实现治疗过程中靶区运动及患者解剖结构变化，因而包括自适应放疗、ExacTrac X-Ray、4D-CT和呼吸门控等靶区实时监控系统应运而生，大大提高了放疗的实时性[13-15]。

现代放疗的功能性拓展主要体现在功能影像在靶区勾画与放疗计划制订中的逐步应用。MRI/磁共振波谱技术可获取生理功能显像，CT可获取解剖结构，PET可通过分子代谢显像融合技术获取肿瘤内活体信息，综合显像、结构和活体信息勾画出靶体积内代谢旺盛的活化区，该活化区称为生物靶区，从而衍生出生物调强放射治疗(biological intensity modulated radiation therapy,B-IMRT)等新概念和新理论[16-17]。B-IMRT建立在生物靶区之上，它考虑了肿瘤区内和正常组织的敏感性差异，并且这些因素的影响均可采用先进的影像学技术特别是分子影像学技术得以显示。生物靶区的核心意义在于通过调整生物靶区内放射线的强度，使肿瘤代谢活跃旺盛的细胞接受较高剂量照射，形成精确的剂量控制与雕绘。

4 放射治疗的多学科融合

放疗与其他抗肿瘤治疗手段的综合运用一直是肿瘤治疗的基本原则。积极采取放疗结合手术，以及放疗联合全身治疗，如化疗、靶向治疗、免疫检测点抑制剂、抗血管生成治疗、放疗增敏剂以及正常组织保护剂等的综合治疗，相互结合、互相补充，来控制肿瘤的进展、延长患者的生命、提高生活质量。现代放疗联合手术或全身治疗的综合治疗，仍存在诸多尚待解决的问题，仍有大量工作有待进一步深入探索。无论放疗联合手术，还是放疗联合全身治疗手段，都存在最佳治疗方案的问题。比如，放疗与手术、化疗、靶向等治疗的顺序、时机、剂量等问题，至今没有标准答案。近年来兴起和发展的免疫检测点抑制剂，其与放疗的联合具有显著的协同增效效应，但也具有毒性反应的交叉、叠加和放疗诱导的“记忆效应”等不利因素，目前只有基于回顾性分析或小样本研究等循证级别较低的证据，有待今后的研究来贡献最佳治疗方案和技术选择决策。至于如何解决这些问题，传统的方法是设计大规模前瞻性随机对照研究，需要耗费大量的人力、物力、财力和时间，况且未必获得确定性结果。随着大数据时代的来临，数字化医疗和AI的快速发展，利用更为智能化的研究手段，可望达到多快好省的研究效果。

5 现代放疗的智能化发展

AI是能模拟人类思考和判断等智力工作的人造装置。智能手术机器人、智能医疗诊断专家系统、智能医院管理系统等AI 技术给医疗领域带来了突破性变化[18-20]。肿瘤放疗靶区和危及器官智能化自动化勾画技术、智能放疗的放射治疗计划模型、基于互联网+的放疗远程智能化质控系统正在如火如荼地建设[21-23]。

肿瘤放疗过程中，勾画靶区及危及器官、制订放疗计划十分关键，依靠并且体现了肿瘤放疗医师所储备的大量知识和所建立的相应知识体系，但靶区和危及器官的勾画在体现技术含量的同时也包含了大量繁复的工作，相当耗时耗力，占用了放疗医生大量的时间和精力，也加剧了现代放疗人才和设备不足。基于此，AI在上述方面迅速发展。如果能够保障勾画速度、准确性和适应性，建立相应的靶区和危及器官勾画自动化智能化模型，将能有效提高医师工作效率，并解决我国部分肿瘤发病率和死亡率逐年增加背景下现代放疗人才和设备不足这一普遍问题。

在靶区智能勾画方面，有传统的非先验依赖性模式、先验依赖性模式、复合型智能靶区勾画等3种模式[24-26]。其步骤为：1)预处理肿瘤多模态影像重建、去噪、增强、配准、融合；2)自动提取肿瘤影像特征；3)采用机器学习、深度学习、图论、区域生长、几何水平集进行智能化、自动化勾画[27-30]。

在AI 化的放射治疗计划模型方面，目前常规放疗计划系统的自动化程度不高，人为的不确定性因素较多，医师和物理师个人技术水平影响放疗计划的优劣差异。通过AI可以弥补医师和物理师经验欠缺的不足，同时也可从AI化的放疗计划系统中得到提升。基于蒙特卡罗等高效剂量算法，通过深度机器学习，应用数学建模建立患者个体特性与剂量学特性的相互关联模型，从而自动预测剂量学目标，自动设计放疗计划。AI 化的放射治疗计划的进一步发展是以计划设计流程为依据，智能计划系统功能模块为基础，实现“云智能化”放疗计划系统[31-33]。近年来，国内科技公司和研究院所在这方面研究发力并持续投入，但尚处于早期阶段。

在基于“互联网+”的放疗远程、智能化质控系统方面，主要影响因素表现为区域发展不平衡、各层级水平参差不齐、分级诊疗难落实，这些因素均对我国的放疗服务模式与质量带来了严峻的挑战。国内的大型研究型医院是应对上述挑战的主力军，其在人才、技术、设备、数据等多方面具有显著优势，足以促进患者在本地接受高质量的放疗服务目标的实现。它们利用物理、医学、信息领域前沿技术，建立基于大数据与智能化、分层次、多功能的远程放疗服务体系和新模式；以信息安全为保障，远程放疗服务为中心，建立集远程支持、人员培训、自动质控于一体的放疗平台；建立TPS 智能分析中心，制订规章制度及医疗质控体系，组建放疗服务团队和运维团队，以满足各不同层级医院应用需求，实现上述我国现代放疗智能化发展的目标与方向。

6 总结与展望

现代放疗技术的特点是以患者病种的多样性、治疗方案个体化的多样性要求为基础，形成了放疗设备、放疗技术、放疗流程、放疗质控、放疗随访等方面的复杂性，在使用执行过程中，形成了放疗数据的多样性和复杂性，不利于推进各放疗单位同质化发展。

一方面，由于放疗设备、技术的复杂性，对人员配置的要求较高，进一步限制了放疗向优质化、同质化方向发展。另一方面，在治疗方面，放射治疗向多学科融合、AI方向发展。基于现代放疗相关的AI和大数据技术可以减少人工干预，能显著提高放疗效率。目前我国已经部分实现基于“互联网+” 和“精准云放疗”平台之上的多学科远程会诊、靶区勾画、计划审核，并实现智能靶区勾画和放疗AI场景选择、在线自适应放疗。未来“互联网+放疗”、“AI放疗”和“共享放疗”的新服务模式将打破传统放疗服务模式对于机构、地域、人员的限制，实现真正的共享、开放的同质化放疗。同时，放疗与多学科融合，与化疗、靶向、免疫治疗相结合，丰富了放疗内涵，提高了放疗技术。要实现现代放疗的高效成熟、精确定位、精确计划、精确治疗，需要放疗人员、放疗设备、放疗技术、放疗流程、放疗质控、放疗网络、放射物理、放射生物以及组学研究等各个方面向着更加数字化、自动化、智能化的方向发展，以此为现代放疗技术的进步奠定坚实的基石及提供可靠的保障。